淺述新型接地系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用

高亞梅

（昆明供電設(shè)計院有限責(zé)任公司，云南 昆明 650000）

1 地網(wǎng)類型及接地材料簡介

第一種類型是以扁鋼、角鋼和圓鋼為主要接地體,以普通電焊為主要聯(lián)結(jié)方法的接地網(wǎng)。材料費低施工費高;由于腐蝕快,地網(wǎng)壽命一般為4～10a;占地面積較大。

第二種類型是以銅條、銅帶、鍍銅鋼為主要接地體,以放熱焊接為主要聯(lián)結(jié)方法的接地網(wǎng)。造價較高;特別耐腐蝕,地網(wǎng)壽命一般為30～60a。

2 衡量地網(wǎng)可靠性的主要指標(biāo)

2.1 地網(wǎng)穩(wěn)定性

地網(wǎng)的穩(wěn)定性主要指地網(wǎng)性能,特別是接地電阻隨年代和季節(jié)的變化情況。由于地網(wǎng)材料的腐蝕,一般情況下鋼質(zhì)地網(wǎng)隨年代增長接地電阻會有顯著增大,而銅質(zhì)地網(wǎng)接地電阻增大較慢,地網(wǎng)性能較為穩(wěn)定。

2.2 地網(wǎng)壽命

地網(wǎng)的使用年限是一個非常值得關(guān)注的指標(biāo),一般來說地網(wǎng)的使用壽命應(yīng)與地面設(shè)施的設(shè)計使用年限相匹配。設(shè)施建成若干年后地網(wǎng)的更新要比初期投入更高的代價。

電力部門對地網(wǎng)腐蝕情況有較多調(diào)查。電網(wǎng)公司對110kV及以上變電站接地裝置基本情況從接地主網(wǎng)和電纜溝內(nèi)接地線腐蝕情況兩個方面進行了實際的調(diào)查,結(jié)果表明,以扁鋼和圓鋼為主的接地網(wǎng)在10a以上的腐蝕情況非常嚴(yán)重。

2.3 接地材料的連結(jié)

連接接點的最基本要求是低阻抗及耐腐蝕。

連接接點的電阻經(jīng)常成為整個接地網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié),不論主網(wǎng)質(zhì)量怎樣好,不良接點都使整個接地系統(tǒng)質(zhì)量下降;同時,接點又是最易受腐蝕的地方,接地系統(tǒng)的焊接點被腐蝕到一定的程度,就會造成接觸不良,接地系統(tǒng)的作用就會大大地降低。

3 接地材料的性能比較

分別從導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性等方面比較銅接地體與熱鍍鋅鋼接地體的差異。

3.1 導(dǎo)電性能

銅和鋼在20℃時的電阻率分別是 (17.24×10-6)Ω·mm 和(138×10-6)Ω·mm。若以銅的導(dǎo)電率為100%,標(biāo)準(zhǔn)1020鋼的導(dǎo)電率僅為10.8%,因此銅的導(dǎo)電率是鋼的10倍左右。而30%導(dǎo)電率鍍銅鋼線導(dǎo)電率為30%,40%導(dǎo)電率鍍銅鋼線導(dǎo)電率為40%,均遠(yuǎn)較鋼接地體好。尤其是在集膚效應(yīng)下,高頻時鍍銅鋼絞線導(dǎo)電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼材。即銅接地體導(dǎo)電性能較鋼接地體好。

3.2 熱穩(wěn)定性

銅的熔點為1083℃,短路時最高允許溫度為450℃;而鋼的熔點為1510℃,短路時最高允許溫度為400℃。因此,接地體截面相同時,銅材熱穩(wěn)定性較好。同等熱穩(wěn)定性能時,鋼接地體所需的截面積為銅材的3倍,是30%鍍銅鋼絞線的2.5倍,是40%鍍銅鋼絞線的2.8倍。

3.3 耐腐性

接地體的腐蝕主要有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種形式,在多數(shù)情況下,這兩種腐蝕同時存在。銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10～1/50,是鍍鋅鋼的耐腐蝕性的3倍以上,而且電氣性能穩(wěn)定。

銅的表面會產(chǎn)生附著性極強的氧化物 (銅綠),能夠?qū)?nèi)部的銅起很好的保護作用,阻斷腐蝕的形成。當(dāng)銅與其他金屬(鋼結(jié)構(gòu)、水管、氣管、電纜護套等)共存地下時,銅作為陰極不會受腐蝕,腐蝕的是后者。鋼材是逐層腐蝕,鍍鋅層具有一定的抗腐蝕性。

鋼接地體接頭部位經(jīng)過高溫電弧焊接加工后會出現(xiàn)點腐蝕情況,一般最多只能保證10a。而銅腐蝕不存在點蝕情況,壽命較長。

一般情況下,在測量接地電阻時,很難發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)腐蝕問題。一旦通過大的故障電流,由于截面太小,容易熔斷,從而導(dǎo)致故障電流不能通過接地網(wǎng)順利泄到大地,地電位升高,出現(xiàn)“反擊”現(xiàn)象,對直流、保護、通信、信號等二次設(shè)備和低壓系統(tǒng)故障和損壞,甚至損壞變壓器等重要設(shè)備。而鍍銅鋼棒則幾乎沒有任何腐蝕。可見,銅接地體的耐腐性顯著優(yōu)于鋼接地體。

目前,變電所接地系統(tǒng)均存在不同的腐蝕問題,特別是有些運行10a以上的變電所腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。盡管在設(shè)計時設(shè)計人員已通過增大接地極截面來考慮30a的防腐問題,在實際運行中也采用部分開挖和測量接地電阻等方法來檢測腐蝕問題,但由于實際腐蝕情況更嚴(yán)重,以及鋼與銅的腐蝕機理不同,實施效果不太理想。

3.4 接地體連接方式

變電所的接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體存在著大量的連接,只有可靠的、牢固的連接才能保證接地網(wǎng)的運行可靠性。

鋼接地體之間的連接均為傳統(tǒng)的電弧焊接方式,高溫電弧會破壞接地體接頭部位的鍍鋅層,有可能導(dǎo)致點腐蝕的出現(xiàn),嚴(yán)重影響接地體的壽命。此外,電弧焊接連接不是真正的分子性連接,焊接點對于接地體的導(dǎo)電性能也有影響。

對于鋼接地體,由于截面過大,不能采用放熱焊接。

銅接地體和銅鍍鋼接地體主要有4種連接方式,即銅銀焊連接法,壓接線夾連接法,螺栓連接法,放熱焊接連接法。

放熱焊接利用活性較強的鋁把氧化銅還原,整個過程需時僅數(shù)秒,反應(yīng)所放出的熱量足以使被焊接的導(dǎo)線端部融化形成永久性的分子合成。銅基放熱反應(yīng)的一般公式是:

放熱焊接有如下優(yōu)點。

a)焊接方法簡單,容易掌握。

b)無需外接電源或熱源。

c)供焊接用的材料、工具很輕、攜帶方便。

d)焊接點像銅一樣,耐腐蝕性能強。

e)焊接速度快捷,節(jié)省人工。

f)可用于焊接銅、銅合金、鍍銅鋼、各種合金鋼,包括不銹鋼及高阻加熱熱源材料。

放熱焊接是銅接地體的理想連接方式,其方便快捷的操作、優(yōu)秀的焊接質(zhì)量是其他連接方式不可實現(xiàn)的。正是因為具備這樣可靠、牢固的連接方式,銅接地體的性能比鋼接地體更勝一籌。

4 接地方案實例

2008年投產(chǎn)的某220kV變電站接地系統(tǒng)使用鍍銅鋼接地材料與傳統(tǒng)接地材料方案比較。接地電阻要求≤0.72Ω,接地系統(tǒng)使用壽命按30a設(shè)計。

4.1 鍍銅鋼絞線接地方案

水平接地體采用截面覫12mm鍍銅鋼絞線,垂直接地極采用截面覫17.2mm高度2.44m鍍銅鋼接地棒,連接方式采用放熱焊接,見表1方案一材料和工程造價估算。

表1 方案一材料和工程造價估算

4.2 鍍鋅扁鋼接地方案

用傳統(tǒng)的鍍鋅扁鋼做接地材料,當(dāng)使用到30a時至少要經(jīng)過3次改造,見表2方案二材料和工程造價估算。

表2 方案二材料和工程造價估算

5 結(jié)束語

綜上所述；經(jīng)調(diào)查表明,我國曾發(fā)生多起由于地網(wǎng)腐蝕,接地電阻未達到要求所導(dǎo)致的事故。這種事故不僅造成巨大的經(jīng)濟損失,而且對于社會造成更嚴(yán)重的間接經(jīng)濟損失。根據(jù)統(tǒng)計,我國發(fā)生的由于接地系統(tǒng)引起的事故損失每次都在數(shù)百萬到數(shù)千萬元,由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟損失則更大。因此,保證每一個變電站的接地網(wǎng)達到安全指標(biāo)要求尤為重要。