CN104698132A - 一种评估新型接地材料性能的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属电力系统接地材料领域，涉及一种评估新型接地材料性能的试验方法,本发明提出了新型接地材料的评估性能指标，并提出了针对各项评估指标的试验方法，具体是通过电阻率和磁导率测量试验；热稳定系数测量试验；冲击大电流试验；耐腐蚀性能试验来评估材料的性能，需要同时符合上述试验的标准才是合格的产品，本发明弥补了当前规程并无评估新型接地材料性能的试验方法，能够对铜覆钢、纳米复合材料、锌镁合金钢（铜），以及一些石墨类的新型接地材料开展相关评估试验，从而为新型接地材料的选择和使用提供指导。

Description

一种评估新型接地材料性能的试验方法

技术领域

本发明属电力系统接地材料领域，本发明涉及一种评估新型接地材料性能的试验方法。

背景技术

为了抑制接地网的腐蚀，国际上通常使用铜材为接地材料，而由于铜材的短缺，我国主要以镀锌钢作为接地装置材料。新型接地材料由于其结合了铜和钢的优点，在本世纪初迅猛发展，先后发展出铜覆钢、纳米复合材料、锌镁合金钢(铜)等类型的新型接地材料，在国内重大工程项目中广泛使用。

另外，公开号CN203535973U的中国专利《非金属复合碳纤维镀铜接地材料》，公开号CN101976768A的中国专利《一种耐腐蚀铝合金接地材料制备方法》，公开号CN103872469A的中国专利《一种新型的非金属防腐接地材料》，公开号CN203521648U的中国专利《低集肤效应石墨复合接地材料》等也公开了部分新型接地材料的制作方法。

但对于新型接地材料，并无明确的评价指标，也没有相关标准可依据，其使用也存在着一定的盲目性和争议。有必要提出新型接地材料的性能评估方法，从而据此对各评估指标开展试验研究，为新型接地材料的选择和使用提供指导，使发变电站接地系统工程的实际施工更具有可操作性和规范性。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种弥补了当前规程并无评估新型接地材料性能的试验方法，能够对铜覆钢、纳米复合材料、锌镁合金钢(铜)，以及一些石墨类的新型接地材料开展相关评估试验，从而为新型接地材料的选择和使用提供指导的一种评估新型接地材料性能的试验方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种评估新型接地材料性能的试验方法，其特征在于，包括针对新型接地材料的电阻率和磁导率，热稳定系数，耐受冲击大电流能力和耐腐蚀性能的测试，具体方法如下：

测试试验一：电阻率和磁导率测量试验；

将被测新型接地材料接入交流阻抗分析仪；根据测量电路，测得的阻抗包含内自阻抗和外自感；内自阻抗Z_i＝R_i+jX_i,外自感Z_e＝jwL_e,角频率w＝2πf,其中f为测量频率，R_i为内电阻，X_i为内电抗，L_e为外自感；在低频时；内阻抗主要表现为内电阻，当频率逐渐增加时，内电抗逐渐接近内电阻；其中，Hc、Hp、Lp、Lc是仪器上的四个端子，Hc，Lc是提供电流的两端，Hp、Lp是测量材料电压的两端；低频限定为接近直流情况，限定为10Hz以下；

在高频时，任意取被测新型接地材料的一个测量点(f，Z₀)，Z₀为测量阻抗，此时内电阻R_i0与内电抗X_i0相当，因此外部电感 $L_e=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_0\right)-X_{i0}}{2\mathrm{\π}{f}_0}\≈\frac{\mathrm{Im}\left(Z_0\right)-R_{i0}}{2\mathrm{\π}{f}_0}=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_0\right)-\mathrm{Re}\left(Z_0\right)}{2\mathrm{\π}{f}_0},$ 高频限定为10kHz及以上；

测得的交流阻抗分别减去外自感，分别得到相应频率的内自阻抗；而对单位长度的圆柱导体的内自阻抗Z可表示为：

$Z=\frac{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_c}{2\mathrm{\πr}\sqrt{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_c{\mathrm{\σ}}_c}}\frac{J_0\left(r\sqrt{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_c{\mathrm{\σ}}_c}\right)}{J_1\left(r\sqrt{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_c{\mathrm{\σ}}_c}\right)}$

式中μ_c和σ_c分别是导体的磁导率和电导率，r是圆柱导体的半径，J₀和J₁分别是修正的第一类零阶和一阶贝赛尔函数；

即可测得新型接地材料在不同频率下的磁导率和电阻率；

测试试验二：热稳定系数测量试验；

通过工频大电流实验平台产生工频电流，并将被测新型接地材料串接一个罗氏线圈，并接示波器后接入工频大电流平台；设定大电流作用时间t，当新型接地材料样品的截面积为S₀时，逐渐提高工频大电流幅值，直至样品烧毁，得到此时工频大电流有效值为I₀；即新型材料的热稳定系数：

$c^{\′}=\frac{I_0\sqrt{t}}{S^{\′}}$

改变新型接地材料的截面积，重复n次上述试验，若当截面积为S_n时，热稳定系数为c_n，即得到该新型接地材料的热稳定系数为

$c=\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n$

测试试验三：冲击大电流试验；

使用冲击电流发生器获得8/20μs的标准冲击电流，并将被测新型接地材料一端接一罗氏线圈后接入冲击电流发生器一端，被测新型接地材料另一端接到冲击电流发生器另一端；利用罗氏线圈得到冲击电流幅值；当新型接地材料样品的截面积为S₁时，逐渐增大冲击电流幅值，直至样品烧毁，得到此时冲击电流幅值为I₁；定义k₁为耐受冲击电流能力系数，即为每平方米的新型接地材料耐受冲击电流能力，则

k₁＝I₁/S₁

改变新型接地材料的截面积，重复N次上述试验，若当截面积为S_N时，新型接地材料的耐受冲击电流能力为k_N，即得到该新型接地材料的耐受冲击电流能力系数为

$k=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_N$

测试试验四：耐腐蚀性能试验；

将被测新型接地材料，参比电极插入土壤中，并将盛放土壤的容器和辅助电极放入电解池中，将电解池置于25℃恒温水浴锅中，待腐蚀体系稳定后测试土壤自腐蚀电位，采用恒电位法在自腐蚀电位的±100mV范围内扫描极化曲线，速度为1mV/s，即可得到新型接地材料的极化曲线；

极化曲线方程式可表示为：

$I=I_{\mathrm{corr}}[\exp \left(\frac{E-E_{\mathrm{corr}}}{{\mathrm{\β}}_a}\right)-\exp (-\frac{E-E_{\mathrm{corr}}}{{\mathrm{\β}}_k})]$

E为腐蚀金属电极的电位，I为外极化电流，E_corr为自腐蚀电位，I_corr为自腐蚀电流密度，β_a、β_k为阳极和阴极过程的金属阳极溶解的自然对数塔菲尔斜率和去极化剂还原的自然对数塔菲尔斜率；

通过量化自腐蚀电流密度I_corr来判定新型接地材料耐腐蚀能力，腐蚀电流密度I_corr越大，则材料腐蚀越严重。

在上述的一种评估新型接地材料性能的试验方法，所述新型接地材料包括铜覆钢、或纳米复合材料、或锌镁合金钢、或锌镁合金铜。

因此，本发明具有如下优点：弥补了当前规程并无评估新型接地材料性能的试验方法，能够对铜覆钢、纳米复合材料、锌镁合金钢(铜)，以及一些石墨类的新型接地材料开展相关评估试验，从而为新型接地材料的选择和使用提供指导。

附图说明

图1为本发明所涉及的电阻率和磁导率测量试验方法。

图2为本发明所涉及的工频大电流试验方法。

图3为本发明所涉及的冲击大电流试验方法。

图4为本发明所涉及的耐腐蚀性能试验方法。

图5为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本发明所涉及的新型接地材料性能的评估指标包括：电阻率和磁导率，热稳定系数，耐受冲击大电流能力和耐腐蚀性能。

1.电阻率和磁导率测量试验。

测量电路如附图1所示，根据测量电路，测得的阻抗包含内自阻抗和外自感。内自阻抗Z_i＝R_i+jX_i，外自感Z_e＝jwL_e，角频率w＝2πf，其中f为测量频率，R_i为内电阻，X_i为内电抗，L_e为外自感。在低频时，内阻抗主要表现为内电阻，当频率逐渐增加时，内电抗逐渐接近内电阻。

在高频时，取一个测量点(f，Z₀)，Z₀为测量阻抗，此时内电阻R_i0与内电抗X_i0相当，因此外部电感 $L_e=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_0\right)-X_{i0}}{2\mathrm{\π}{f}_0}\≈\frac{\mathrm{Im}\left(Z_0\right)-R_{i0}}{2\mathrm{\π}{f}_0}.$

测得的交流阻抗分别减去外自感，分别得到相应频率的内自阻抗。而对单位长度的圆柱导体的内自阻抗Z可表示为：

$Z=\frac{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_c}{2\mathrm{\πr}\sqrt{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_c{\mathrm{\σ}}_c}}\frac{J_0\left(r\sqrt{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_c{\mathrm{\σ}}_c}\right)}{J_1\left(r\sqrt{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_c{\mathrm{\σ}}_c}\right)}$

式中μ_c和σ_c分别是导体的磁导率和电导率，r是圆柱导体的半径，J₀和J₁分别是修正的第一类零阶和一阶贝赛尔函数。

即可测得新型接地材料在不同频率下的磁导率和电阻率。

2.热稳定系数测量试验。

通过工频大电流实验平台产生工频电流，并采用如图2所示连接方式。将大电流作用时间设定为t＝0.5s，当新型接地材料样品的截面积为S₀时，逐渐提高工频大电流幅值，直至样品烧毁，得到此时工频大电流有效值为I₀。按GB/T 50065-2011中的规定，即新型材料的热稳定系数

$c^{\′}=\frac{I_0\sqrt{t}}{S^{\′}}$

改变新型接地材料的截面积，重复n次上述试验，若当截面积为S_n时，热稳定系数为c_n，即得到该新型接地材料的热稳定系数为

$c=\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n$

3、冲击大电流试验。

使用冲击电流发生器获得10/350μs的标准冲击电流，并采用图3所示连接方式，利用罗夫斯基线圈得到冲击电流幅值。当新型接地材料样品的截面积为S₁时，逐渐增大冲击电流幅值，直至样品烧毁，得到此时冲击电流幅值为I₁。定义k₁为耐受冲击电流能力系数，即为每平方米的新型接地材料耐受冲击电流能力，则

k₁＝I₁/S₁

改变新型接地材料的截面积，重复N次上述试验，若当截面积为S_N时，新型接地材料的耐受冲击电流能力为k_N，即得到该新型接地材料的耐受冲击电流能力系数为

$k=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_N$

4、耐腐蚀性能试验。

利用如图4所示电化学工作站，将电解池置于25℃恒温水浴锅中，待腐蚀体系稳定后测试土壤自腐蚀电位，采用恒电位法在自腐蚀电位的±100mV范围内扫描极化曲线，速度为1mV/s，即可得到新型接地材料的极化曲线。

极化曲线方程式可表示为：

$I=I_{\mathrm{corr}}[\exp \left(\frac{E-E_{\mathrm{corr}}}{{\mathrm{\β}}_a}\right)-\exp (-\frac{E-E_{\mathrm{corr}}}{{\mathrm{\β}}_k})]$

E为腐蚀金属电极的电位，I为外极化电流，E_corr为自腐蚀电位，I_corr为自腐蚀电流密度，β_a、β_k为阳极和阴极过程的金属阳极溶解的自然对数塔菲尔斜率和去极化剂还原的自然对数塔菲尔斜率。

通过量化自腐蚀电流密度I_corr来判定新型接地材料耐腐蚀能力，腐蚀电流密度I_corr越大，则材料腐蚀越严重。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种评估新型接地材料性能的试验方法，其特征在于，包括针对新型接地材料的电阻率和磁导率，热稳定系数，耐受冲击大电流能力和耐腐蚀性能的测试，具体方法如下：

测试试验一：电阻率和磁导率测量试验；

将被测新型接地材料接入交流阻抗分析仪；根据测量电路，测得的阻抗包含内自阻抗和外自感；内自阻抗Z_i＝R_i+jX_i，外自感Z_e＝jwL_e，角频率w＝2πf，其中f为测量频率，R_i为内电阻，X_i为内电抗，L_e为外自感；在低频时；内阻抗主要表现为内电阻，当频率逐渐增加时，内电抗逐渐接近内电阻；其中，Hc、Hp、Lp、Lc是仪器上的四个端子，Hc，Lc是提供电流的两端，Hp、Lp是测量材料电压的两端；低频限定为接近直流情况，限定为10Hz以下；

在高频时，任意取被测新型接地材料的一个测量点(f，Z₀)，Z₀为测量阻抗，此时内电阻R_i0与内电抗X_i0相当，因此外部电感 $L_e=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_0\right)-X_{i0}}{2\mathrm{\π}{f}_0}\≈\frac{\mathrm{Im}\left(Z_0\right)-R_{i0}}{2\mathrm{\π}{f}_0}=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_0\right)-\mathrm{Re}\left(Z_0\right)}{2\mathrm{\π}{f}_0};$ 高频限定为10kHz及以上；

测得的交流阻抗分别减去外自感，分别得到相应频率的内自阻抗；而对单位长度的圆柱导体的内自阻抗Z可表示为：

$Z=\frac{j\mathrm{\ω}{\mathrm{\μ}}_c}{2\mathrm{\πr}\sqrt{{\mathrm{j\ω\μ}}_c{\mathrm{\σ}}_c}}\frac{J_0\left(r\sqrt{{\mathrm{j\ω\μ}}_c{\mathrm{\σ}}_c}\right)}{J_1\left(r\sqrt{{\mathrm{j\ω\μ}}_c{\mathrm{\σ}}_c}\right)}$

式中μ_c和σ_c分别是导体的磁导率和电导率，r是圆柱导体的半径，J₀和J₁分别是修正的第一类零阶和一阶贝赛尔函数；

即可测得新型接地材料在不同频率下的磁导率和电阻率；

测试试验二：热稳定系数测量试验；

通过工频大电流实验平台产生工频电流，并将被测新型接地材料串接一个罗氏线圈，并接示波器后接入工频大电流平台；设定大电流作用时间t，当新型接地材料样品的截面积为S₀时，逐渐提高工频大电流幅值，直至样品烧毁，得到此时工频大电流有效值为I₀；即新型材料的热稳定系数：

$c^{\′}=\frac{I_0\sqrt{t}}{S^{\′}}$

改变新型接地材料的截面积，重复n次上述试验，若当截面积为S_n时，热稳定系数为c_n，即得到该新型接地材料的热稳定系数为

$c=\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n$

测试试验三：冲击大电流试验；

使用冲击电流发生器获得8/20μs的标准冲击电流，并将被测新型接地材料一端接一罗氏线圈后接入冲击电流发生器一端，被测新型接地材料另一端接到冲击电流发生器另一端；利用罗氏线圈得到冲击电流幅值；当新型接地材料样品的截面积为S₁时，逐渐增大冲击电流幅值，直至样品烧毁，得到此时冲击电流幅值为I₁；定义k₁为耐受冲击电流能力系数，即为每平方米的新型接地材料耐受冲击电流能力，则

k₁＝I₁/S₁

改变新型接地材料的截面积，重复N次上述试验，若当截面积为S_N时，新型接地材料的耐受冲击电流能力为k_N，即得到该新型接地材料的耐受冲击电流能力系数为

$k=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_N$

测试试验四：耐腐蚀性能试验；

将被测新型接地材料，参比电极插入土壤中，并将盛放土壤的容器和辅助电极放入电解池中，将电解池置于25℃恒温水浴锅中，待腐蚀体系稳定后测试土壤自腐蚀电位，采用恒电位法在自腐蚀电位的±100mV范围内扫描极化曲线，速度为1mV/s，即可得到新型接地材料的极化曲线；

极化曲线方程式可表示为：

$I=I_{\mathrm{corr}}[\exp \left(\frac{E-E_{\mathrm{corr}}}{{\mathrm{\β}}_a}\right)-\exp (-\frac{E-E_{\mathrm{corr}}}{{\mathrm{\β}}_k})]$

E为腐蚀金属电极的电位，I为外极化电流，E_corr为自腐蚀电位，I_corr为自腐蚀电流密度，β_a、β_k为阳极和阴极过程的金属阳极溶解的自然对数塔菲尔斜率和去极化剂还原的自然对数塔菲尔斜率；

通过量化自腐蚀电流密度I_corr来判定新型接地材料耐腐蚀能力，腐蚀电流密度I_corr越大，则材料腐蚀越严重。

2.根据权利要求1所述的一种评估新型接地材料性能的试验方法，其特征在于，所述新型接地材料包括铜覆钢、或纳米复合材料、或锌镁合金钢、或锌镁合金铜。