CN1209770C - 物理性接地降阻剂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种物理性接地降阻剂。它主要由电极石墨与水泥构成，是一种理想的接地导电材料，具有电阻率低，长效稳定，不受季节变化的影响，不含有环保禁止使用的致癌物质成分，也不含有其他污染成分，在其生产、贮运、使用过程中对操作人员不会造成身体危害，对环境不会造成污染，能适用于高温、严寒、高土壤电阻率、沙漠干燥、潮湿等各种环境条件下对电气、微电子领域中的各种设备长效接地保护的要求，并且生产成本低，易于实施。

Description

物理性接地降阻剂

一、技术领域

本发明涉及接地导电材料，特别是物理性接地降阻剂，用于降低各类接地装置的接地电阻。

二、背景技术

设置接地装置是确保人身、建筑物以及电气、微电子设备安全运行的一项重要措施。接地装置属于永久性构筑设施，其接地极埋于地下后，是不能随意取出维修的，因此接地工程人员对接地降阻剂的持久性与可靠性甚为关切。随着现代建设的发展和科学的进步，接地技术也在不断地完善。

早在五十年代，人们对高电阻率土壤接地采用加大金属(钢铁或铜)接地体的几何尺寸来降低接地电阻，这种方法不仅耗费大量的优质金属材料，成本高，有时也难以实现其目的与效果。六十年代开始采用在工业废渣或木炭中加食盐作为接地降阻材料，这种降阻材料在其使用的初期有明显的降阻效果，但对金属接地极的腐蚀严重，加之季节性的地下水位起落会导致电解液的流失，从而使其失去降阻作用。七十年代后人们开始转向化学降阻剂的研究。最初，人们试图用有机胶凝物的固化作用来阻止电解液的流失，使用最多的是尿醛、丙烯酰胺等有机胶凝物，但因其造价高、毒性大、腐蚀严重、使用工艺繁琐而告终。对于化学降阻剂，人们研究得最多的还是无机胶凝物，具有代表性的无机胶凝物是公开号为JP56014467的日本专利所公开的耐久性接地电阻减阻剂。该电阻减阻剂中的导电物质主要是Cl^-、SO₄ ^-2、NO₃ ^-与强碱金属构成的强电解盐，其胶凝物为3CaO·SiO₂、2CaO·SiO₂和Al₂(SO₄)₃，这些胶凝物实质上是硅酸盐水泥的主要功能成分。在此之后，人们将研究化学性接地降阻剂的重点转向了无机化学性接地降阻剂，即以水泥为胶凝物的降阻剂，公开号为CN1030666A、CN1050638A、CN1051817A的中国发明专利先后公开的降阻剂均为无机化学降阻剂，降阻剂的导电物质除了多种强电解盐外还加入有Zn、Al、Mn、Mg、Cu、Fe等多种金属粉末。很明显，这些金属粉末及其氧化物与强电解质混合一起埋入地下土壤之后，会变成电解质盐类，保持不了金属原有的导电特性。

尽管经过多年努力，对于以化学降阻剂构筑的接地体，其金属接地极尚未摆脱被电解液腐蚀以及电解液流失的状况。究其原因是无机化学降阻剂的固有特性所致，无机化学降阻剂的导电机理与土壤电解质的电解液导电机理是相同的，即只有在有水(潮湿)时电解质才会电离出带电离子成为导电主体。电解液浓度越高，即电离度越大，电解液的电阻率越低，降阻性能才越好，但同时也带来阴离子(Cl^-、SO₄ ^-2、NO₃ ^-)对金属的腐蚀也越严重。加之季节性地下水位的涨落使得导电离子流失，尤其是当无水或由于低温电解液结晶或结冰时，电阻率将升高而失去降阻能力。实践证明，采用水泥作为胶凝物，在其使用初期降阻效果有所改善，但在后期依然存在对金属接地极的腐蚀与导电物质的流失，难以解决高土壤电阻率(＞10³Ω·m)与低接地电阻(＜1Ω)的接地要求，特别是难以满足沙漠、冻土带等复杂地质环境的永久性接地要求，就是耗费大量钢材也难以达到持久降阻的目的。这也促使人们寻求新的解决这一问题的途径。

本发明的发明人在《建材工业技术》1994年第9卷第2期“化学降阻剂接地降阻分析”一文中提出了物理降阻剂的概念，并指明了化学降阻剂，包括有机化学降阻剂和无机化学降阻剂，导电粒子均为电解质离子，而物理降阻剂的导电粒子是自由电子，两者的导电机理是不同的。在此之后，公开号为CN1099363A的中国发明专利公开了一项物理固体接地降阻剂，该降阻剂的组成组分(重量百分比)为：碳基合金12.4～61％，乙炔黑0.06～5.2％，亚硝酸钠0.50～3.3％，亚硝酸钙0.03～5.0％，氧化钙0.40～5.91％，木素磺酸盐0.03～2.6％，烷基磺酸盐0.06～2.0％，晶体碳3.4～44.8％，水泥≥425#27～60％。由该降阻剂的组分组成，人们勿需深入分析就可知道其存在的明显不足：其一，亚硝酸钠和亚硝酸钙均为亚硝酸盐，亚硝酸盐是一种极毒致癌物质，这是众所周知的事实，在其生产加工与施工过程中对操作人员的身体健康将造成极大的危害，对其掩埋的土壤环境也将造成严重污染；其二，由于该降阻剂含有高达5.2％的乙炔黑，而乙炔黑是一种性能十分优异的材料，价格十分昂贵，以乙炔黑作为降阻剂的有效组分，一是生产成本价格很高，二是优质劣用，浪费宝贵的资源；其三，该降阻剂所含的碳基合金，由其特别的指明，为含有符合指标要求的天然矿产石墨及各种石墨制品的主副产品，即所说的碳基合金只能是混合物，不会是形成常量化合物式的合金，因此混合物中的金属粉末在降阻剂中是不能维持其金属自由电子导电特性的；其四，该降阻剂所含的无机盐组分成分均为高电阻率无机物，且含量可高达70％，因此，其导电性低，即降阻剂的降阻性不会是很好的。

三、发明内容

针对上述已有技术的不足，本发明提供的物理性接地降阻剂用以解决以下技术问题：

1、在其生产和施工过程中不会产生对操作人员身体健康的危害，对环境的污染；

2、生产成本价格低；

3、导电电阻率低，且稳定达到或优于要求的技术条件。

为实现本发明的上述目的，本发明可以采取如下的技术方案，即可以采用如下的主要组成组分以及重量百分比：

电极石墨                  60～70％

水泥                      25～35％

防腐剂                    0～8.0％

分散剂                    0～8.0％。

本发明优选的技术方案是：

电极石墨                  60～70％

水泥                      25～35％

防腐剂                    2.0～5.0％

分散剂                    2.0～5.0％。

在上述技术方案中，水泥为普通的硅酸盐或高铝水泥。所谓普通的水泥是指一般建筑使用的425#水泥，采用更高标号的水泥当然可以。防腐剂可以是磷酸钾、磷酸三钠等中的任何一种，或者是不少于两种的混合物，但优先考虑使用磷酸三钠作为防腐剂。分散剂可以是硅酸钠、硅酸钾、硅酸钙、膨润土等中的任何一种，或者它们中的两种以上的混合物，但优选的是膨润土，特别是钠基或钙基膨润土。

本发明提供的物理性接地降阻剂，其基本组成组分，功能组分为电极石墨和水泥。电极石墨是人们公认的化学性稳定、电阻率低(10^-5Ω·m)，以自由电子为导电粒子的良好的导电材料，且不会与强酸、强碱及其盐类和金属发生化学反应。电极石墨为降阻剂提供了降低接地体电阻的自由电子，也是本降阻剂称为物理降阻剂的物质基础。虽然水泥的电阻率较高(10⁴Ω·m)，但与金属有很强的亲合力，这可由钢筋混凝土结构得到证明。用水泥作凝固剂，可将导电石墨粉末牢固地吸附于金属接地极表面，减小接触电阻，并混凝成导电体。实验证明，降阻剂的降阻效果与其所含有的电极石墨的比例有关，当其所含比例(重量百分比)小于60％时，其降阻效果就不够理想。当其所含的比例增加时，降阻效果则会得到改善。但其含量的增加会导致水泥的含量减少，当水泥含量过少时会使降阻剂在混凝成接地体时体积变化，混凝结构接地体的结构疏松，强度差，因此降阻剂中的水泥含量不宜小于25％。反之，当水泥的含量增多会使得对金属接地极的亲合度和混凝体的强度增大，但导电性则会下降。考虑到电极石墨与水泥含量比例的相互影响与制约，电极石墨的含量不宜超过70％，水泥的含量不宜超过35％。

在降阻剂中添加防腐剂是为了防止氧渗透到接地极，对金属接地极氧化腐蚀，是用于更好地改善降阻剂的耐腐蚀性，进一步提高其性能。在降阻剂中不添加防腐剂，不影响其降阻性，即不影响降阻剂的基本性能，也不妨碍本发明所解决的技术问题。因此，在降阻剂中也可不添加防腐剂。当然，添加了防腐剂其性能将会更好。防腐剂添加过量对降阻剂的性能不会造成损害，但会使降阻剂的生产成本增加，也是无益的，因此，其添加量不宜超过8％，比较恰当含量范围为2～5％。

在降阻剂中添加分散剂是为了改善降阻剂的施工性能。由于石墨具有憎水性，水泥的比重大于石墨，如不添加分散剂，石墨与水泥不易混合均匀，从而导致接地体的导电性不均匀。如果在降阻剂中添加分散剂，由于分散剂在水中会膨胀成胶体，可为比重轻的石墨粉克服憎水性提供胶体，使其易于分散在水泥浆中凝固成均匀的导电接地体。在降阻剂中是否添加分散剂，并不会改变降阻剂的降阻性能，也不会影响本发明要解决的技术问题，因此可在降阻剂中不添加降阻剂。当然，添加了分散剂会使降阻剂的施工性能得到改善。当分散剂添加得过多而水泥过少时，也会引起混凝接地体结构收缩。因此，分散剂的添加量也不宜过多，一般不超过8％。分散剂比较合适的添加量范围为2～5％。

本发明与已有技术相比具有以下比较突出的优点：

1、由于本发明的降阻剂不含有亚硝酸盐等强致癌组分物质，因此在其生产与施工过程中不会对生产与施工人员的身体健康造成危害，也不会污染其掩埋的周围土壤，符合环保的要求。

2、由于本发明的降阻剂含有为其提供导电自由电子的电极石墨高达60～70％，其所含的分散剂使得石墨组分与金属接地极能更好地接触，混凝接地体的导电性更为均匀，且不含有大量不导电的无机盐组分，因此，本发明的降阻剂具有很好的降阻性，远远高于《接地降阻剂技术条件》(见附表1)。

3、本发明的降阻剂由于添加了防止氧渗透的防腐剂，可有效地防止氧渗透到金属接地极，防止了氧对金属接地极的氧化腐蚀，耐腐蚀性更好，因此，由本发明的降阻剂构筑的接地体结构具有稳定长期的优良导电性，其所保护的设备、建筑能更好地避免雷击。

4、本发明的降阻剂不含有价格昂贵的乙炔黑，所含的防腐剂价格较贵，但含量有限，因此，本发明的降阻剂生产成本价格低，市场接受性好。

                                           表1

序号	试验项目	要求值	物理性接地降阻剂
				1	室温电阻率	ρ≤5Ω·m	ρ＜1Ω·m
2	风干电阻率	无项	ρ≈1.5Ω·m
				3	PH值	7～12	PH＞7(与水泥相近)
4	理化考核(失水、冷热循环、水泡)	ρ≤6Ω·m	ρ＜1Ω·m
				5	纯降阻剂对金属接地体腐蚀率	表面平均腐蚀率≤0.03mm/年	表面平均腐蚀率≤0.003mm/年
6	埋地对金属接地体腐蚀率	平均腐蚀率≤0.05mm/年	表面平均腐蚀率≤0.005mm/年
				7	抗压强度(MPa)	无项	2.0

附表1是关于本发明的接地降阻剂性能与能源部制定的《接地降阻剂技术条件》的比较。附表清楚地表明了本发明的物理性接地降阻剂的各项性能均优于《接地降阻剂技术条件》的要求值，特别是电阻率，仅为要求值的1/5，腐蚀率小一个数量级。

本发明的物理性接地降阻剂不仅降阻率特别优异，而且在降阻泄流过程中不受季节变化的影响，不会发生流失，无毒无腐蚀，不会对环境造成污染，是十分理想的接地材料。能适用于干旱沙漠、高寒冻土、高土壤电阻率、腐蚀严重等地区关于高稳定性的接地要求。

本发明的生产实施十分方便。由于本发明的降阻剂只有4种组分，配方很容易。按照本发给出的配方，将原料充分混合成呈黑色的粉末状，即为成品物理性接地降阻剂。降阻剂用防潮包装袋包装后，即可进入市场销售。使用时，只需将降阻剂成品与水按1∶0.6～0.8的比例拌合成浆，然后浇灌于接地极周围，即形成接地体。生产与施工都十分方便。

四、具体实施方式

以下各实施例中组分百分比均为该组分的重量占降阻剂总重量的百分比。

实施例1：

电极石墨70％，大厂425#水泥25％，粉状工业膨润土5％。将上述各组分进行充分混合，使全部物料呈均匀的黑色的粉末，进行防潮包装后，即制备了本发明的物理性接地降阻剂。本实施例中，由于不含有防腐剂，用其构筑的地极接地体的耐腐性能适用于一般土壤的接地。

实施例2：

电极石墨60％，大厂425#水泥35％，粉状工业磷酸三钠5％。将上述各组分进行充分混合，使全部物料呈均匀的黑色的粉末，防潮包装后，即制备了本发明的物理性接地降阻剂。本实施例中，由于不含有分散剂，因此在浇灌接地体时，按降阻剂与水1∶0.8的比例加水充分拌合，即可浇灌于接地极周围。本实施例的降阻剂能适用于高湿土壤的接地。

实施例3：

电极石墨63％，大厂425#水泥29％，粉状工业磷酸三钠3％，粉状工业膨润土5％。将上述各组分进行充分混合，使全部物料呈均匀的黑色粉末，防潮包装后，即制备了优良成品降阻剂。

实施例4：

电极石墨65％，大厂425#水泥30％，粉状工业磷酸三钠3％，粉状工业膨润土2％。将上述各组分进行充分混合，使全部物料呈均匀的黑色粉末，防潮包装后，即制备了优良成品降阻剂。

实施例5：

电极石墨62％，大厂425#水泥31％，粉状工业磷酸三钠5％，粉状工业膨润土2％。将上述各组分进行充分混合，使全部物料呈均匀的黑色粉末，防潮包装后，即制备了优良成品降阻剂。

Claims (6)

1、一种物理性接地降阻剂，其特征在于降阻剂的主要组成组分以及各组分的重量百分比如下：

电极石墨                       60～70％

水泥                           25～35％

防腐剂                         0～8.0％

分散剂                         0～8.0％。

2、如权利要求1所述的物理性接地降阻剂，其特征在于各组分的重量百分比为：

电极石墨                       60～70％

水泥                           25～35％

防腐剂                         2.0～5.0％

分散剂                         2.0～5.0％。

3、如权利要求1或2所述的物理性接地降阻剂，其特征在于所说的水泥为普通的硅酸盐或高铝水泥。

4、如权利要求1或2所述的物理性接地降阻剂，其特征在于所说的防腐剂为磷酸三钠。

5、如权利要求1或2所述的物理性接地降阻剂，其特征在于所说的分散剂为膨润土。

6、如权利要求5所述的物理性接地降阻剂，其特征在于所说膨润土为钠基或钙基膨润土。