摘要：本文提供两种新型金属接地网材料，一种是以普碳钢和铝合金等金属为基体材料，采用化学置换镀预镀铜、化学镀锡和电镀锡方法制备铜锡复合镀层，将铜的正电位和耐蚀性与锡的耐氧化性能有机地结合为一体，性能优异和价格低廉，完全可以替代镀锌钢、铝合金和纯铜用于制作接地网；另一种是以碳钢、铝合金、镀锌钢等为基体材料，涂覆导电防腐涂层，将金属的导电性能与导电涂料的防腐性能结合为一体。
关键词：接地网，电镀锡，化学镀铜，导电涂料
New Kind of Metal-material of Grounding System and Application
Abstracts:Two kinds of new metal-matieral grounding system was given.One kind is Cu –Sn complex coatiing as the anti-corrosion coating prepared by chemical methods and using steel and aluminium and other metal as the sabstrate.This grounding system is combined Cu-high paositiv potential with Sn anti-oxidition and properties are good and cheap.Another kind is prepared by conducting coatings as the anti-corrosion coating and also using steel and aluminium and other metal as the sabstrate.It combined metal-conductive with anti-corrosion of the conducive coatings.
Keywords:grounding system ，plating Sn ，electroless plating, conductive coatings
0序言
近年来，随着我国电力容量的增大和电压等级的升高，经常发生因接地网腐蚀而引起的电力运行安全事故，交流接地网的腐蚀、烧毁和重建造成的直接经济损失是巨大的，大面积和长时间停电造成的间接损失也是难以估量的。为了保证电力系统的正常运行和安全，发电厂和变电站的电气设备都要做到可靠接地，接地网用金属包括钢铁、钢铁镀锌、铜包钢和纯铜等。采用热压方法将锌压覆到钢结构上代替热镀锌[1]，通过增加锌层的厚度来提高接地网的耐蚀性，不足之处是不适合结构复杂接地网和焊接或链接部位容易过早失效；采用化学镀镍磷合金可以提高接地网的耐蚀性能[2]，但是镍磷合金镀层脆性大和价格高，采用铝合金接地极网的缺点是不耐含氯离子土壤的腐蚀[3]。在金属接地网表面涂覆导电涂料既可以提高金属接地网的耐蚀性能，又能提高接地网的稳定性和延长使用寿命。文献[4]提供了一种防腐导电棒的制备方法，缺点是没有指明涂料性质和种类以及导电棒的性能，文献[5]供了一种导电涂料，缺点是采用纳米碳做导电填料，价格昂贵，应用受到限制。
1、现有接地材料性能特点
1.1钢铁接地材料
钢铁材料价格低廉，但是裸露钢铁材料的缺点是耐蚀性差，腐蚀产物使表面接触电阻增大至几百欧姆至几千欧姆，使地线泄放危险电流的能力大幅降低。钢铁接地网寿命一般为1~3年，需要经常更换。
1.2镀锌钢接地材料
钢铁镀锌网的耐蚀性能与镀锌层厚度有关，耐土壤腐蚀性能远不及耐大气腐蚀，土壤中有氯离子时尤为明显；镀锌钢接地接地材料的耐蚀性比纯钢铁好，用于地上部分效果明显，在地下优势不明显，但是价格明显高于纯钢铁材料。
1.3铜材料
铜接地材料本身具有耐酸腐蚀性能，但是很容易产生氧化，氧化亚铜和氧化铜等氧化产物电阻大，很容易导致断路；另外，铜材价格昂贵和铜离子严重污染环境。在变压器中，为了避铜导电材料（如导流排）氧化，表面电镀一层锡以防止通的表面氧化和保证铜的高导电性能。
1.4钢铁镀铜（铜包钢）接地材料
采用镀铜和铜包钢可以提高耐蚀性，缺点是容易氧化，一旦裸露钢铁基体很容易发生电偶腐蚀，加速接地网失效。铜包钢接地网的造价虽比纯铜材低，但是使用寿命比纯铜短。
1.5铝和铝合金接地网
铝和铝合金材料的导电性优于钢铁、镀锌钢和铜包钢，价格和密度大约分别是铜的1/3，同样规格导电网价格为铜的1/5左右。铝和铝合金耐大气腐蚀，但是不耐海水、含氯土壤腐蚀，应用地域受到极大限制。在变压器中，用铝或铝合金代替纯铜做导流排可以大大降低成本，在铝或铝合金表面电镀一层锡以防止通的表面氧化。
1.6导电涂料防腐金属接地网
采用导电涂料对钢铁导电网进行防腐处理以提高其耐蚀性，常用石墨粉、镍粉和纳米碳做导电做导电填料。采用石墨做填料的导电涂层防腐性能较差，原因是石墨为片状结构，在使用过程中涂层容易沿石墨片开裂，腐蚀介质沿裂纹渗入到基体表面，而加速腐蚀；大于1微米的石墨粉与树脂间存在明显界面，封闭性差和防腐性不理想。镍粉存在与石墨粉相同的问题，通常采用200目镍粉，此镍粉非常容易氧化，另外镍粉价格昂贵。
1.7其它接地网
在工程应用中，为了降低接地电阻而在接地网周围添加降阻剂，降阻剂分为物理降阻剂和化学降阻剂，大多数化学降阻剂对金属基体材料都具有腐蚀性。
离子接地极由先进的陶瓷合金化合物组成，电极外表是紫铜合金，以确保最高导电性能及较长使用寿命，并配以内外两大种类回填料，及高强度塑料制成的通气防护罩组成。同样，离子接地极中的铜材料也面临著氧化腐蚀问题。
接地模块是近年来发展的新技术，实际是石墨降阻剂的成型产品，具有石墨的降阻特性，但是自身渗透性差需要依靠降阻剂回填料帮助增强渗透性和与土壤的接触性能。接地模块内置不锈钢316金属极芯与接地网地线紧密连接，加以天然矿石水泥基质模块之优秀导电率及优良的土壤亲和性、吸水性及保水性，降低土壤与接地模块间阻抗，使破坏冲击电流迅速释放到大地中进而达到保护功能。缺点是工程造价高。现有各种接地产品特点示于表1。
2、新型金属接地网产品特点
2.1新型铜锡复合镀层防腐金属接地网
该新型接地网产品的技术特点是：采用复合镀层技术将高导电性能的正电性铜镀层和优异抗氧化性能的锡镀层有机地将结合为一体，采用预镀铜层打底以提高镀层与基体材料的结合强度，同时利用铜的高耐蚀性能提高接地网的防腐性能和散流性能；采用电镀锡加厚镀层，不仅可以有效防止铜镀层的氧化，而且可以提高接地网的耐蚀性能和延长接地网使用寿命；电镀锡和置换预镀铜均在酸性条件下进行，基体、铜层和锡层表面不产生氧化膜，使三种金属之间形成冶金结合，提高各镀层之间的结合强度。通过调整溶液组成和施镀工艺参数控制铜锡复合镀层的总厚度。该产品不仅可以提高接地网的稳定性和持久性，而且可以改善散流效果。
2.2新型导电涂料涂层防腐金属接地网
该新型接地产品的技术特点是：采用植酸盐溶液代替传统磷化液对金属网进行表面预处理，通过调整溶液组成可以同时处理钢铁、铜、铝合金以及不同金属的组合件，适用性强、污染小；采用固体环氧树脂为主要成膜物质，可以根据需要配制成粉末涂料或溶剂型涂料，满足不同结构接地网的防腐处理；添加剂为潜伏固化剂，室温下不发生交联反应，只有加热才能发生交联反应成膜，溶剂型涂料可以是单组份和长期存放；涂层具有热塑性，可以多次重复涂覆和加热，直至达到所需要厚度。
3、新型铜锡复合镀层防腐接地网产品介绍
接地网用金属材料都可以采用本产品所提供的铜锡复合镀层技术进行防腐处理，提高接地网的耐蚀性、导流稳定性和使用寿命，以下仅举几例加以说明。
3.1新型钢铁基铜锡复合镀层防腐接地网产品
以普通钢铁为基体材料，根据不同接地装置（网）用金属结构和性能要求进行下料和焊接等工序成形，然后采用除油、除锈、化学置换预镀铜、化学镀锡和电锡等工序制备铜锡复合镀层，得到钢基铜锡复合镀层防腐金属接地装置。铜锡复合镀层的厚度为50-150um，导电性能优于铜包钢，价格比铜包钢提高5-10%，使用寿命为铜包钢的2-3倍。其应用：
整体接地网：采用一次焊接成型制备整体接地网，通过镀铜和镀锡进行防腐处理，最大限度的保持接地网的稳定性和可靠性。
组装成型接地网：以采用散件镀铜锡，根据接地网组装成特殊需求接地装置。
接地模块用金属集流体：用于替代接地网中常用不锈钢材料集流体，不仅可以提高集流网的导电性能（不锈钢3倍），而且可以提高集流体的耐蚀性，延长接地模块的使用寿命。
离子接地极套管：用于替代纯铜和铜合金套管，在保证其使用寿命条件下，可使套管价格降低50%以上。
3.2新型铝（铝合金）基铜锡复合镀层防腐接地网产品
以铝（铝合金）为基体材料，根据不同接地装置（网）用金属结构和性能要求进行下料和焊接等工序成形，然后采用除油、除锈、化学置换预镀铜、化学镀锡和电锡等工序制备铜锡复合镀层，得到铝（铝合金）基铜锡复合镀层防腐金属接地装置。既可以采用一次成型制备整体接地网，也可以采用散件镀铜锡，然后组装成大型和特殊需求接地装置。铜锡复合镀层的厚度为50-100um，导电性能优于铝（铝合金），价格比铝（铝合金）提高10-20%，使用寿命为铝（铝合金）接地网2-4倍。可以用于沿海、含氯化物土壤等环境介质条件下的接地网。
3.3铜（铜合金）基镀锡层防腐接地网
以铜（铜合金）为基体材料，根据不同接地装置（网）用金属结构和性能要求进行下料和焊接等工序成形，然后采用除油、除锈和电锡等工序制备锡镀层，得到镀层防腐铜（铜合金）金属接地装置，解决铜和铜合金接地网的氧化腐蚀问题。锡镀层的厚度为25-50um，不改变铜（铜合金）的导电性能，使用寿命提高2倍以上，但是价格仅提高5-15%。既可以采用一次成型制备整体接地网，也可以采用散件镀锡，然后组装成大型和特殊需求接地装置。
4、新型导电涂料防腐金属接地网产品
接地网用金属材料都可以采用本产品所提供的导电防腐涂料进行防腐处理，提高接地网的耐蚀性、导流稳定性和使用寿命，以下仅举几例加以说明。
4.1新型钢铁基导电涂料防腐金属接地网
以普通钢铁为基体材料，根据不同接地装置（网）用金属结构和性能要求进行下料和焊接等工序成形，然后采用除油、除锈、植酸盐表面处理和导电涂料涂覆得到新型导电涂料防腐金属接地装置。导电涂层厚度为150-200um，导电性能优于不锈钢，价格比碳钢提高20-30%，使用寿命为裸钢的5-10倍。
整体接地网：采用一次焊接成型制备整体接地网，通过导电涂料防腐处理，最大限度的保持接地网的稳定性和可靠性。
组装成型接地网：以采用散件涂覆导电涂料，根据接地网组装成特殊需求接地装置。
接地模块用金属集流体：用于替代接地网中常用不锈钢材料集流体，在不影响导电性能的条件下，提高集流网的耐蚀性，延长接地模块的使用寿命，在沿海地区使用效果更为显著。
离子接地极套管：用普通碳钢为基体材料，涂覆导电涂料，用于用于替代纯铜和铜合金套管，在保证其使用寿命条件下，可使套管价格降低50%以上。
4.2新型铝（铝合金）基导电涂料防腐接地网产品
以铝（铝合金）为基体材料，根据不同接地装置（网）用金属结构和性能要求进行下料和焊接等工序成形，然后采用除油、除锈、植酸盐表面处理和涂覆导电涂料，得到铝（铝合金）基导电涂料防腐金属接地装置。既可以采用一次成型制备整体接地网，也可以采用散件镀涂覆，然后组装成大型和特殊需求接地装置。涂层厚度为100-150um，在不影响其导电性能的条件下，价格比铝（铝合金）提高10-20%，使用寿命为铝（铝合金）接地网2-4倍。特别适合于沿海、含氯化物土壤等环境介质条件下的接地网。
4.3新型铜（铜合金）基导电涂料防腐接地网
以铜（铜合金）为基体材料，根据不同接地装置（网）用金属结构和性能要求进行下料和焊接等工序成形，然后采用除油、除锈、植酸盐表面处理和导电涂料涂覆得到得到导电涂料防腐（铜合金）金属接地装置，解决铜和铜合金接地网的氧化腐蚀问题。涂层厚度50-100um，不改变铜（铜合金）的导电性能，使用寿命提高2倍以上，但是价格仅提高5-15%。既可以采用一次成型制备整体接地网，也可以采用散件涂覆处理，然后组装成大型和特殊需求接地装置。特别适合于离子接地极套管，使用寿命比纯铜（铜合金）提高2-3倍。
5、结论与展望
新型铜锡复合镀层防腐金属接地网材料和新型导电涂料防腐接地网材料的前期应用试验证明，不改变原来的导电性能，但是使用寿命提高2-5倍，价格仅提高5-30%。
该产品若能在电力系统推广应用，必将产生明显经济效益、社会效益和环保效益。
参考文献
1、CN200510021757.X
2、200610009964.8
3、201010300354.X
4、CN3200920116866.3
5、CN03125237.0
作者简介
张维佳（1979.07.10），男，学历：山东理工大学电气工程及其自动化，单位：国网山东省电力公司淄博供电公司，研究方向：规划设计
杨德青（1970.03.22），男，学历：山东理工大学电气工程及其自动化，单位：国网山东省电力公司淄博供电公司，研究方向：规划设计
论文作者:张维佳,杨德青
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/14
标签：镀层论文; 性能论文; 基体论文; 铝合金论文; 涂料论文; 金属论文; 材料论文; 《电力设备》2017年第6期论文;