专利名称：抗腐蚀复合材料接地装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抗腐蚀复合材料接地装置。
目前，接地体多以单一材料，即钢、铜或铜合金、碳素(指非石墨化碳素)、石墨中的某一种制成。
钢是目前制作接地体的主要材料。钢质接地体埋设于地下时腐蚀较快(据“金属手册”记载，实测碳素钢埋在粘土中2年最大腐蚀点深度可达3.75mm)，致使接地电阻升高。为此需经常监测其接地电阻值，以免影响设备正常运行和设备与人身的安全，并且必须在接地电阻值升达规定界限之前进行翻修或重埋。尤其在潮湿和富有电解质的埋设环境中，通常每年都需翻挖整修，即使镀锌也收效甚微，因为锌在水中腐蚀速度为0.015-0.150mm/a，在湿土中一般镀锌层一年内就遭破坏。
铜(包括铜合金)质接地体应用的广泛程度仅低于钢质接地体。铜的腐蚀速度虽然低于钢，防腐对它仍有意义，尤其如在土壤泥水中的黄铜，其腐蚀速度高达3mm/a(见“有色金属的耐腐蚀性及其应用”朱祖芳著)。铜太贵，其市场单价为普通钢钢材的7倍以上，这是它的主要缺点。
石墨和碳素是古老的接地材料之一。它们的优点是耐腐蚀。但机械强度和可加工性差，难以制成较大面积或较大长度的或者异形的接地体，而这样的接地体恰恰是为减小流散电阻所需要的。同样因为机械强度差，其接地体直径一般都不小于100mm，厚度不小于50mm，较费材料。而它们的电阻率却比钢或铜高(劣)102-105(见表1)。它们的市场单价高达普通钢材的3.5倍以上，相当于铜的40-60％。另外，碳素或石墨是非金属，它们与电缆的连接也较为费事。以上原因使得采用的石墨或碳素接地体为达到某一接地电阻值所花费成品成本通常高达钢质或铜质接地体的3-7倍甚至更高。
本发明的目的是，提供一种接地装置，它足以克服目前接地装置的缺点。采用它达到的接地电阻不劣于金属接地体；同时抗腐蚀性好，接地电阻值稳定，使用时间长；而且机械强度高，可加工性优良，可较为容易地加工成各种形状和尺寸的较为轻巧的接地体；而接地费用比上述现有接地体都明显地低。
本发明的目的是这样实现的本发明接地装置(见说明书附图之
图1)包括电缆(1)，与电缆相连接的金属体(2)，防腐导电体(图中的3和4)。(1)加上(2)实际上相当于目前一般的金属接地体，因此本发明装置也可看作是在金属接地体上将与大地接触的表面加上防腐导电体而构成。金属体与防腐导电体以胶接方式(必要时辅以螺栓紧固)结合成整体。一般情况下，本装置运行时可能与大地相接触的金属体全部表面都胶接上防腐导电体；但有时由于某些原因，本装置金属体的一部分表面可以不胶接防腐导电体，如自然接地体的地表以上部分只需刷一般涂料，又如人工接地体浅埋时对降低流散电阻作用不大的向上的整个面可以涂刷一般抗腐蚀涂料。接地电流经电缆、金属体与防腐导电体构成的复合体，在被接地物体与大地之间流动，从而产生有效的接地效果。本装置防腐导电体的电阻率不高于埋盖本装置周围大地物质的电阻率。因此，采用本装置所获得的接地电阻值不高于金属接地体。防腐导电体为金属体防腐，使本装置可在稳定的接地电阻下长期工作而不必中途翻挖重埋。而本装置的材料成本因金属体可减薄等原因比目前任一种接地体都低，其接地费用为目前的接地体50％以下。
下面结合附图、表格和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实例1的结构图，即，应用本发明的平板接地装置图。
图2是本发明实例2的结构图，即，应用本发明的管线自然接地体装置图。
表1是各种防腐导电粘合物、接地材料、埋设环境物质的电阻率。
表2是本装置在恶劣条件下的浸渍试验结果。
表3是本装置与目前钢质、铜质、石墨质接地装置接地费用的比较。
本装置的金属体起传导与优化分布被接地设备与大地之间的接地电流的作用并承受机械力。与一般的金属接地体相比，本装置金属体同样地可根据需要做成各种形状和不同尺寸，因此本装置的金属体可以是柱状体、空心球缺、还可以是由一个以上几何体组合成的复合几何体。本装置的金属体可以是兼有接地以外的其他用途的金属物，如部分或全部埋在地下的金属结构、给排水管道、穿线管等人工接地体，都可以当作金属体用本发明技术方案构成的接地装置，都是本装置的一种。埋在地下的接地电缆的芯线、埋在地下接地连接用的扁钢等，也可以当作金属体用本发明技术方案构成接地装置，也都属本装置。
防腐导电体既起保护接地体金属使之免遭腐蚀的作用，又兼负在金属体与大地之间传导电流的任务，并且，使埋设后的接地电阻值保持采用相应金属接地体(指与不带防腐导电体的金属体相同的那样的金属接地体)的水平。防腐导电体可以只有一层，例如只在金属体表面涂敷一层0.3-1.0mm的防腐导电粘合物，或在金属体外表面胶接上石墨体；防腐导电体也可以由多个防腐导电体(子)层以胶接方式复合而成，如下文实例1、2那样由石墨质的防腐导电体子层(4)和防腐导电粘合物的子层(3)胶接复合在一起构成一个防腐导电体。不同的防腐导电体(子)层可以用同一材质，也可以用不同的材质。
构成防腐导电体的材料可以是防腐导电粘合物、石墨、碳素等兼具防腐与导电性能材料。防腐导电粘合物由包括具备防腐性能的粘合剂和散状导电物在内的材料混合，并在涂敷时及涂敷之后固化而成的；所谓散状导电物是指石墨粉、碳粉、铜粉、碳纤维段、铜丝段等呈粉状或细丝状的金属或导电非金属；防腐导电粘合物固化并达到一定厚度的后，使被涂敷的金属体表面与外界隔绝，对金属体起到防腐保护作用，而防腐导电粘合物本身通过适当的选配料也能保持长寿，长期发挥防腐作用。
防腐导电粘合物固化后，其中的散状导电物的个体(粉粒、细丝)相互搭接，形成导电网络，从而赋予防腐导电物以导电性。在一定范围内提高防腐导电粘合物中散状导电物的含量可提高防腐导电物的导电性，但，该含量过高时，导电性提高不大而抗腐蚀性却因此时液态粘合物散状导电物的颗粒、细丝间形成了较多的微小空隙，给氧分子、水分子和电解质离子的渗入遗留下了通道。为了在保证必要的防腐性，防腐导电粘合物中粘合剂与散状导电物的体积(不包括其中的空隙)比不应低于1∶1.1。
同样是为了有效阻止氧分子、水分子和电解质离子的渗入，保证金属体必要的防腐保护，防腐导电体的厚度应不小于0.3mm，一般为0.5-1.0mm。
金属体与防腐导电体、或防腐导电体子层之间的胶接可以用上述防腐导电粘合物在粘合剂，也可以在刚涂敷的防腐导电物上利用未凝胶的表层树脂浆液作粘合剂。
一种抗腐蚀复合材料接地装置及其一种防腐导电体的制作过程如下。
电缆(1)与金属体(2)用焊接法连接；金属体(1)表面必须除油、除锈，确保无污物无水分残留；金属体和焊缝的尖锐边角须打磨园缓；防腐导电物的配方(真体积比)之一为1．甲基丙烯酸改性环氧树脂*145-70份2．散状导电物*230-55份3．环烷酸钴*30-2份4．过氧化甲乙酮*41-2份*1甲基丙烯酸改性环氧树脂在苯乙烯中的溶液，含固体量55-70％。
*2此配比为粒度不大于0.17mm的石墨粉或铜粉、直径不大于0.15mm长度小于1mm的铜丝段或碳纤维段的总量，它与第1项之总和为100份。这些物料加入粘合物之前都必须充分干燥。
*3含1％的环烷酸钴的苯乙烯溶液，因此钴元素的加入量为0-0.02份。
*4含过氧化甲乙酮50％的苯乙烯或邻苯二甲酸二甲脂溶液，或，1-4份含50％的苯乙烯或邻苯二甲酸二丁脂溶液，因此，氧化甲乙酮的加入量分别为0.5-1.0份，过氧化环己酮为0.5-2.0份。在临涂敷时加入。
按上述配方逐次加料均匀搅拌，制成的防腐导电粘合物，在加入第4种物料并均匀搅拌后立即将其均匀涂敷在金属体表面。已凝胶的防腐导电粘合物不能用于涂敷。在防腐导电物初步硬固后，在其上面均匀铺撒一层2-5mm厚的石墨粉，轻力压刮，这样，待防腐导电粘合物(3)全部固化后，在它外表面就胶接上了一层致密的石墨粉形成石墨质的防腐导电体子层(4)。在这里，利用了受空气阻聚作用余留在粘合物表面未凝聚的粘合物液体作胶接石墨粉的粘合剂，同时覆盖上去要胶接的石墨粉又起到为粘合物阻隔空气促进粘合物表层快些固化的作用。此种防腐导电体中的防腐导电的粘合物子层(3)厚度不小于0.3mm；石墨防腐导电子层(4)和防腐导电的粘合物(3)的总厚度不小于0.5mm。
关于本装置的导电性，由于防腐导电体和用作胶接物的防腐导电物电阻率都明显低于接地装置周围的电阻率(见表1)，无论本装置采用那种结构，采用本装置所达到的接地电阻都不会高于相应的金属接地体，即，不高于相当于没有防腐导电体的本装置的金属接地体。对此分析如下。
如前所述，本发明装置可看作是在金属接地体表面粘覆防腐导电体而构成。因此，对此问题只需将本装置的接地电阻与相应的金属接地体作分析比较。
相应的金属接地体因不带防腐导电体，埋设后金属表面直接与大地接触，其接地电阻为R′=R(1)+R(2)+R′(3)+R′(4)+R(5)-------------------------(1式)当加上防腐导电的粘合体(3)与石墨防腐导电体(4)而构成本装置之后，其接地电阻为R=R(1)+R(2)+R(3)+R(4)+R(5)-------------------------------(2式)在这里，胶接各层的粘合物按防腐导电粘合物考虑。
表1
(式中R′-采用金属接地体(不带(3)与(4)只有(1)和(2))所得到的接地电阻；R-采用本装置所得到的接地电阻；
R(1)-(1)的电阻；R(2)-(2)的电阻；R(3)-(3)的电阻；R′(3)-占有(3)的空间的大地物质流散电阻；R(4)-(4)的电阻；R′(4)-占有(4)的空间的大地物质流散电阻；R(5)-大地其他流散电阻。
由表1可知R(3)＜＜R′(3)R(4)＜＜R′(4)所以R＜R′又因R＞＞R′(3)＞＞R′(3)-R(3)，及R＞＞R′(4)＞＞R′-R(4)，因此可认为R=R′或R≯R′上述分析的结论也由模拟实验得到了证实。实验情况如下50×50×1mm相同钢号钢板三块，作成1、2、3号试样各一，1#试样按本装置技术方案制成，它的任一面的防腐导电体总厚度都为0.5mm，其防腐导电粘合物(3)及石墨质防腐导电体(4)的配方与下文浸渍试验1#配方相同，防腐导电粘合物厚度0.5-2.0mm；2#和3#不带防腐导电粘合物(3)和石墨质防腐导电体(4),2#试样用来模拟一般金属接地体，其余均与1#试样相同。
将3#试样浸入一混浊污水池塘的水下500mm处，在离它5米处将1#与2#试样也浸入此池塘水下500mm处。以数字万用表轮番5次测得结果，3#试样与1#或2#试样之间的电阻值波动于233-241之间，平均为1#-3#电阻=237.4Ω；2#-3#电阻=237.6Ω。
上述分析和试验说明，防腐导电体的电阻率虽然比金属高得多，但由于比埋设环境的电阻率低1-5个数量级，接地装置不会因为增加了防腐导电体而使接地电阻增大。同时也说明在埋设环境电阻率不小于1Ω时采用含石墨粉的防腐导电粘合物是可以满足要求的，无需采用高成本、低电阻率的防腐导电粘合物。
本装置保留了金属接地体机械强度高、可加工性好的优点。由于本装置的基体是金属体，本装置可以作成金属接地体能作成的各种形状和尺寸。其几何形状可以是单一的柱状体，例如钢板、角钢、钢管等接地体，或非柱状体，例如适合少雨地区使用的有蓄水功能的锅形接地体，或复合几何体，例如埋设地下的异形金属结构或金属管道等自然接地体。为了以尽可能少的的金属用量取得尽可能小的流散电阻，接地体应有足够大的长度、宽度和尽可能小的厚度，如薄板、框形体、网状体等，或者有足够大的长度和适当小的横断面积，如角钢、钢管等，本装置能够满足这些要求，而耐腐蚀的石墨接地体却难以做到。
关于本装置的耐腐蚀性以如下试验证实。
浸渍试样为50×50×1mm热轧低碳钢，其防腐导电粘合物(3)厚度为0.3-0.5mm，其防腐导电粘合物(3)和石墨防腐导电物(4)的总厚度为0.3-1.0mm。防腐导电的粘合物(3)的配方为1#配方甲基丙烯酸改性环氧树脂在苯乙烯中的溶液(含固体量64％) 50份小于0.17mm粒度的干燥石墨粉 45份含1％的环烷酸钴的苯乙烯溶液 1份含过氧化甲乙酮50％的苯乙烯溶液(临涂敷时加入) 1份2#配方甲基丙烯酸改性环氧树脂在苯乙烯中的溶液(含固体量64％) 50份粒度不大于0.17mm的干燥石墨粉40份直径不大于0.15mm铜丝段(长度＜1mm) 3份含1％的环烷酸钴的苯乙烯溶液 1份含过氧化甲乙酮50％的苯乙烯溶液(临使用时加入) 1份石墨防腐导电体(4)是胶接于防腐导电的粘合体(3)外表面的致密的石墨粉。
表2为本发明试样在恶劣条件下的浸渍试验情况表2
接地埋设环境的腐蚀强度远比本试验低，接地规范埋设深度在冻土层以下，此处地下的温度稳定而适中，根据本试验的结果及此类树脂的经验寿命，本装置能有不低于20年的寿命和足够强的抵御接地埋设环境腐蚀的能力。
关于本装置的经济性有如下分析。
由于本装置继承了金属接地体高强度、高可加工性的优点，又增加了高的抗腐蚀性，因此，可选用较易腐蚀的但价格较低金属作金属体，另外，其金属体的厚度也不必再考虑以往设计金属接地体必须考虑的为腐蚀而预留的附加厚度，可以比目前的金属接地体明显减薄，结果，本装置的成本和长期的接地费用比目前钢质、铜质、石墨质接地体都明显地低。
为了比较通常情况下本装置与钢质、铜质、石墨质接地装置的经济性，现将接地费用的比较列于表3。
表3
由于接地体规格和接地环境多种多样，难以详细计算比较，为方便起见，表3数据是以普遍采用的平板形接地体(面积1×1米)、在不施加降阻剂的电阻率20Ωm为湿润粘土环境中埋设、工作20年内不超过同一接地电阻4Ω为条件进行代表性比较计算得出的。由上文说明可知，本发明可选用廉价而较易受腐蚀的材料(钢)为金属体，其厚度比目前其他接地体明显薄，另外，由于金属体得到防腐保护，电缆与金属体连接处无需用大焊缝全面加强焊接并允许使用腐蚀性的廉价减阻剂(例如带有弱腐蚀性的NaCl)；使用中电阻稳定可免除翻修重埋。这些因素使得本装置的接地费用明显低于目前任何一种接地装置。
利用本发明的高的可加工性，不难制造适合地下干燥地区使用的有蓄水功能的锅形接地体，又因本发明提供的抗腐蚀性能使本装置能抵御所蓄泥水及其中和电解质的侵蚀，允许选用价格低的材料-钢作金属体而不必用昂贵的铜，其材料费用将降低到用铜的15％以下。
尤其值得指出的是，本发明实施于自然接地体上具有极其重要的经济价值。目前，为了防腐保护自然接地体上多涂覆了绝缘涂料，使其接地功用十分微小，多数情况下不得不花费资金建立人工接地体。对此采用本发明实质是以防腐导电粘合体代替目前的绝缘防腐涂层，不但为金属管道、埋设物提供了有效的防腐措施，而且几乎不增加费用就节省了人工接地体。多数工程本来就拥有足够的自然接地体可供利用，这样一来仅靠这些自然接地体的一部分就可满足某种接地的要求而不必花费大量钱财与人力建立人工接地体。为证明这点举如下例子。如，在粘土中-1.000米处水平埋设采用了本发明技术方案的直径36mm、长60米的钢管，将获得低达1.22Ω的流散电阻。这样的电阻水平足以供一般要求≤4Ω或要求≤10Ω接地电阻的用户长期使用而无需再埋设人工接地体。
此流散电阻R的计算如下R=0.366·ρ/Llg(L2/d/t)----------------------------------(3式)=0.366·50/60lg(602/0.036)=1.22Ω式中ρ-土壤电阻率；L-管道长度d-管道直径；t-埋设深度。
当然，自然接地体的利用有一定的局限性，例如，计算机系统的接地不宜利用建筑结构自然接地体，以防干扰通过它串入。但多数场合都可以利用自然接地体。
实例1。
用1000mm×1000mm×2mm低碳钢热轧薄板一块，将95mm2铜电缆裸露端部焊牢在钢板上。将钢板经除油、除锈、用砂纸打磨。
粒度不大于0.17mm的石墨粉在盛夏烈日下暴晒2天，再用丙酮湿润。
防腐导电粘合物主料配方如下甲基丙烯酸改性环氧树脂在苯乙烯中的溶液(含固体量64％) 100份环烷酸钴 1份干燥石墨粉 90份按10分钟以内涂刷用量取主料，加入1份的过氧化甲乙酮或2份的过氧化环已酮，搅均，均匀涂覆于钢板的表面。
凝胶后胶接上一层干燥石墨粉，轻压使之致密。撒一层石墨粉覆盖在上面。
一天后清理整修表面，并用砂纸轻磨表面，去浮粉。
将上述成品平埋在深1000mm的潮湿粘土坑内(见附图1)，压土200mm厚，踩实，此时实测接地电阻5次，平均3.65Ω。
5次实测值为3.33；3.87；3.82；3.27；3.98(Ω)实例2。
直径25mm钢管长8m，按实例1的技术方案在其外表面涂覆防腐导电体0.5mm厚，平埋于离地表面0.8m的粘土中(见附图2)。实测得接地电阻值为12.62Ω。
5次实测值为13.24；9.77；11.48；13.78；14.81(Ω)
权利要求
1．一种抗腐蚀复合材料接地装置，包括金属体、防腐导电体、与金属体相连接的电缆，其特征在于金属体与防腐导电体胶接成整体；金属体可能与大地相接触的表面至少一部分粘覆着防腐导电体；防腐导电体可以由多个防腐导电体(子)层胶接复合而成，这些防腐导电体(子)层可以是不同的材质的；防腐导电体的电阻率不大于埋盖本装置的周围大地物质的电阻率。
2．根据权利要求1所述的抗腐蚀复合材料接地装置，其特征在于上述金属体的外形可以是柱状体、空心球缺体、由一个以上几何体组合成的复合几何体；上述金属体可以是兼有接地以外的其他用途金属物；上述金属体的部分或全体可以是上述电缆的芯线的一部分。
3．根据权利要求1所述的抗腐蚀复合材料接地装置，其特征在于上述防腐导电体的材料包括防腐导电粘合物、石墨及其他碳素材料在内；防腐导电粘合物内至少包括具有防腐性能的粘合剂和散状导电物；上述散状导电物为包括石墨粉、碳粉、铜粉、碳纤维段、铜丝段在内的呈粉状或细丝状的材料。
4．根据权利要求1所述的抗腐蚀复合材料接地装置，其特征在于，上述防腐导电体的一种结构是包括胶接于金属体表面的一层防腐导电粘合物及胶接在该粘合物外表面的一层石墨；该防腐导电粘合物的一种的配方(按真体积比计)包括甲基丙烯酸改性环氧树脂的苯乙烯溶液(含固体量55-70％)45-70份；散状导电物30-55份，该散状导电物包括粒度不大于0.17mm的石墨粉和铜粉，以及直径不大于0.15mm且长度＜1mm的铜丝段和碳纤维段四种物料中的任一种或几种，它与上一项的加入量之总和为100份；在环烷酸钴的苯乙烯溶液中的钴元素0-0.02份，在苯乙烯或邻苯二甲酸二甲脂溶液中的过氧化甲乙酮0.5-1.0份或在苯乙烯或邻苯二甲酸二丁脂溶液中的过氧化环己酮0.5-2.0份(此组份临涂敷时加入)；该层石墨是胶接于上述防腐导电的粘合物外表面的致密的石墨粉，它们可以利用受空气阻聚的防腐导电物表层胶接并起阻隔空气作用，促进防腐导电物表层固化；此防腐导电的粘合物厚度不小于0.3mm；此石墨层和防腐导电粘合物的总厚度不小于0.5mm。
全文摘要
一种接地装置,包括电缆(1),与电缆相连接的金属体(2),胶接于(2)的表面的防腐导电体(3与4)。防腐导电体的电阻率低于埋设环境大地物质的电阻率。防腐导电体为金属体提供防腐保护并传导接地电流。本装置接地电阻不低于金属接地体,接地电阻稳定,寿命长,机械强度高,容易制作,接地费用明显低于目前各种接地体。地下埋设金属物上实施本技术方案将获得防腐保护并能替代人工接地体供作安全接地等用。
文档编号H01B1/00GK1211834SQ9711652
公开日1999年3月24日 申请日期1997年9月12日 优先权日1997年9月12日
发明者殷新生 申请人:殷新生