鍍銅鋼在換流站（變電站）接地網(wǎng)中的應(yīng)用

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 陳凱華

1 概述

1.1 良好接地的必要條件

變電站(換流站)良好的接地系統(tǒng)應(yīng)具備以下兩個主要條件：

（1）提供一個盡可能低的低電阻對地路徑(接地電阻)，接地電阻越低，雷電流、浪涌和故障電流就可越安全地消散到大地。

（2）接地導(dǎo)體應(yīng)具有良好的防腐能力并能重復(fù)通過大的故障電流，接地系統(tǒng)的壽命應(yīng)不小于地面主要設(shè)備的壽命。一般至少要求30年以上壽命。長期、可靠、穩(wěn)定的接地系統(tǒng)，是維持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、保證設(shè)備和人員安全的根本保障。

接地系統(tǒng)長期安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵在于正確選擇合適的接地材料和可靠的連接。

1.2 我國接地系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前我國傳統(tǒng)接地體大多采用鋼材質(zhì)，其主要原因是我國的早期電力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)多借鑒前蘇聯(lián)相關(guān)技術(shù)，另外我國自身銅儲探明量的不足，加上西方國家過去對我國的封鎖，中國不容易取得銅。為節(jié)約有色金屬，在20世紀(jì)50～60年代提出“以鋼代銅，以鋁代銅”，所以一度大量選用鋼材和鋁材。而國外(除前蘇聯(lián)國家，中國和印度以外)，以銅材以及鍍銅鋼材料作為主要接地材料已有超過100年的歷史，而且被相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)(如：IEEE和IEC)推薦為主要的接地材料。

目前，我國大部分地區(qū)仍然使用鍍鋅扁鋼作為接地材料，但幾十年的實踐證明鍍鋅鋼并不能完全解決接地裝置腐蝕問題。目前國內(nèi)已有工程開始選用熱穩(wěn)定性能好、導(dǎo)電性能強(qiáng)、耐腐性強(qiáng)的銅材及鍍銅鋼材料做接地，其連接采用先進(jìn)的放熱焊接技術(shù)。

2 接地材質(zhì)技術(shù)比較

2.1 性能比較

下面將分別從導(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。

2.1.1 導(dǎo)電性能

銅和鋼在20oC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)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。目前市場上有導(dǎo)電率為20%～30%甚至更高的鍍銅鋼材料，均較鋼接地體好。尤其是在集膚效應(yīng)下，高頻時鍍銅鋼導(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。

2.1.2 熱穩(wěn)定性

銅短路時最高允許溫度為450oC；而鋼短路時最高允許溫度為400oC。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，不考慮腐蝕因素時，鋼接地體所需的截面積為銅材的3倍，約是30%導(dǎo)電率鍍銅鋼材的2.3倍，約是20%導(dǎo)電率鍍銅鋼材的1.9倍。

2.1.3 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(qiáng)的氧化物(銅綠)，能夠?qū)?nèi)部的銅起很好的保護(hù)作用，阻斷腐蝕的形成。當(dāng)銅與其它金屬(鋼結(jié)構(gòu)、水管、氣管、電纜護(hù)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10年。而銅腐蝕不存在點蝕情況，壽命較長。可見，銅接地體的耐腐性顯著優(yōu)于鋼接地體。

目前我國變電所接地系統(tǒng)均存在不同程度的腐蝕問題，特別是運(yùn)行十年以上的個別變電站腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。盡管在設(shè)計時已通過增大接地極截面來考慮滿足30年的防腐問題，但在實際運(yùn)行中采用部分開挖和測量接地電阻等方法檢測的結(jié)果比預(yù)想的腐蝕情況更嚴(yán)重。

圖1是某變電站運(yùn)行八年后開挖的鋼接地的圖片，局部已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕斷裂。

圖1 嚴(yán)重腐蝕斷裂鋼接地

圖2 埋置兩年后的鍍鋅鋼試片

圖2是某變電站現(xiàn)場埋置兩年后的鍍鋅鋼試片，在接地網(wǎng)有泄流電流的電解腐蝕時，其耐蝕性能與普通碳鋼相比，提高極少，不能明顯改善接地網(wǎng)的防蝕性能。

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，由于局部腐蝕使截面變小，容易熔斷，故障電流不能通過接地網(wǎng)順利泄到大地，從而導(dǎo)致地電位升高，而出現(xiàn)“反擊”現(xiàn)象，對直流、保護(hù)、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。

經(jīng)調(diào)研咨詢相關(guān)廠家，對于土壤弱酸或弱堿性的環(huán)境來說，鍍銅鋼材料的耐腐蝕性能均優(yōu)于鍍鋅扁鋼。

綜上所述，銅接地體與熱鍍鋅鋼接地體相比，銅接地體在導(dǎo)電性能、熱穩(wěn)定性能、耐腐蝕性方面有顯著的優(yōu)越性。

2.2 接地體連接方式

變電站的接地網(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(yùn)行可靠性。

2.2.1 鋼接地體的連接方式

目前，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。

對于鋼接地體能否采用放熱焊接接法，設(shè)計也作過研究與嘗試，由于鋼接地體設(shè)計截面過大，未能被采用，主要有以下原因：

（1）大型、非標(biāo)模具制造困難，造價高；

（2）焊粉用量大；

（3）由于鋼接地體本身防腐性能差，焊接質(zhì)量的提高意義不大；

（4）焊接點較多，費(fèi)用太高。

2.2.2 銅及鍍銅鋼接地體的連接方式

目前銅接地體和鍍銅鋼接地體主要有以下四種連接方式：

（1）銅銀焊連接法

扁銅條與扁銅條之間、扁銅條與裸銅絞線之間、裸銅絞線與裸銅絞線之間的連接都可以使用銅銀焊連接法，常用的銅銀焊接有乙炔焊、電弧焊等，但焊接都只是表面搭接，內(nèi)部并沒有熔合，接頭不致密，性能只比壓接和螺栓連接略好，焊接接頭的性能還要取決于操作技術(shù)工的熟練程度，特別是銅焊，即使是持有特殊工種上崗證，也比較容易出現(xiàn)一些焊接缺陷，無法從表面觀察合格與否。并且，這種焊接是應(yīng)用于純銅接地體之間的連接，不適合于鍍銅接地體的連接。基于以上原因，銅銀焊連接法在電力工程接地系統(tǒng)實際施工中很少應(yīng)用。

（2）連接夾連接法

接地導(dǎo)體之間的連接過去大多使用連接夾連接法。但這種方法比較適用于一對一連接，如要十字交叉，則要求有特殊十字接線線夾。

（3）螺栓連接法

扁銅條與扁銅條之間、扁銅條與銅絞線之間、銅絞線與銅絞線之間的連接還可用螺栓連接，該方法與連接夾連接法互為補(bǔ)充。但螺栓連接處的接觸標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《電氣裝置工程母線裝置施工及驗收規(guī)范》的規(guī)定處理。目前，連接夾連接法和螺栓連接法在施工現(xiàn)場應(yīng)用最為廣泛，這和我國的電力施工技術(shù)工人的認(rèn)識和訓(xùn)練程度有著密切的關(guān)系。

（4）放熱焊接連接法

放熱焊接利用活性較強(qiáng)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)體端部融化形成永久性的分子合成。

放熱焊接接頭的特性：

表1 各種接地材料對比

1）外形美觀一致；

2）連接點為分子結(jié)合，沒有接觸面，更沒有機(jī)械壓力，因此，不會松弛和腐蝕；

3）具有較大的散熱面積，通電流能力與導(dǎo)體相同；

4）熔點與導(dǎo)體相同，能承受故障大電流沖擊，不至熔斷。

放熱焊接連接法可以完成各種導(dǎo)線間不同方式的連接，如直通型、丁字型、十字型等；還可以完成不同材質(zhì)導(dǎo)體的連接，如普通鋼鐵、銅、鍍鋅鋼、鍍銅鋼等之間的連接；甚至可以實現(xiàn)導(dǎo)體間不同形狀的連接，如匯流排（或銅絞線）與鍍銅鋼接地棒的連接、匯流排（或銅絞線）與銅板的連接、匯流排（或銅絞線）與接地鍍鋅鋼管的連接、匯流排（或銅絞線）與鋼筋的連接以及匯流排（或銅絞線）與槽鋼的連接。這種方法接頭有著廣泛的連接方式，而且耐腐蝕性好接觸電阻低，已逐步得到推廣應(yīng)用。

放熱焊接的優(yōu)點：

1）焊接方法簡單，容易掌握；

2）無需外接電源或熱源；

3）供焊接用的材料、工具很輕、攜帶方便；

4）焊接點的載流能力與導(dǎo)線的載流能力相等；

5）焊接是一種永久性的分子結(jié)合，不會松脫；

6）焊接點像銅一樣，耐腐蝕性能強(qiáng)。

7）焊接速度快捷，節(jié)省人工；

8）從焊口的外觀上便能鑒定焊接的質(zhì)量；

9）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。

在國外，放熱焊接已通過UL標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格論證，并被IEEE Std80等規(guī)程中指定為接地系統(tǒng)中埋地導(dǎo)體連接方式。在國內(nèi)，放熱焊接技術(shù)已在電力系統(tǒng)的重點工程中應(yīng)用。

綜上所述，放熱焊接是銅接地體的理想連接方式，其方便快捷的操作、良好的焊接質(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。

2.3 施工難易度

垂直地網(wǎng)采用鍍銅鋼接地棒，由于接地棒截面大大小于角鋼，在作垂直接地施工方面工作量減小，并能垂直深入土壤，使通過加大垂直接地深度來降低接地電阻成為一種可能。

2.4 接地效果

對接地系統(tǒng)基本要求是滿足接地電阻的指標(biāo)。接地電阻具體來說，實質(zhì)上包含三個部分：

1) 接地導(dǎo)體本身電阻

2) 導(dǎo)體和土壤的接觸電阻

3) 土壤的散流電阻

其中3)土壤的散流電阻最為重要，它是接地電阻的重要組部分，這由土壤的電阻率決定。所以通常采用增大垂直接地極深度以增長導(dǎo)體長度、增大導(dǎo)體和土壤的接觸面積以及觸及到土壤電阻率較低的土壤來減小土壤的散流電阻，從而有效降低接地電阻。

其中2）導(dǎo)體和土壤的接觸電阻也比較重要，增大導(dǎo)體與土壤的接觸面積可以在一定程度上減小接地電阻。

鍍銅接地網(wǎng)相對鋼接地網(wǎng)來說，能夠更好的泄放故障電流，保障線路安全。

通過表1比較,銅及鍍銅鋼材料接地系統(tǒng)雖然一次性投入比傳統(tǒng)接地系統(tǒng)多些,但它的壽命長,性能穩(wěn),免維護(hù)的獨(dú)特性能和優(yōu)勢是傳統(tǒng)接地方式無法比擬的。

同時，也應(yīng)注意換流站接地系統(tǒng)采用鍍銅材質(zhì)材料時，存在以下問題：

（1）鍍銅鋼材料在國內(nèi)工程中尚未成熟應(yīng)用，國內(nèi)相關(guān)規(guī)程規(guī)范也沒有明確其性能參數(shù)，屬于新材料、新工藝，選取截面的關(guān)鍵參數(shù)熱穩(wěn)定系數(shù)“C”值目前國內(nèi)沒有明確數(shù)據(jù)，產(chǎn)品制造工藝會影響“C”值，為材料選取造成一定的困難。

（2）鍍銅鋼材料電氣性能尚需提供國內(nèi)具有資質(zhì)機(jī)構(gòu)的相關(guān)認(rèn)證(廠家介紹有國外機(jī)構(gòu)認(rèn)證)。

（3）鍍銅鋼材料市場比較混亂，存在魚目混珠的現(xiàn)象，不同廠家報價差異不同，存在材料質(zhì)量難以控制的問題，建議慎重選擇鍍銅鋼材的制造商。

3 結(jié)論

對于本工程的接地材料，理論上來講，鍍鋅扁鋼、純銅材、鍍銅鋼材都是可以選擇的方案。由于接地系統(tǒng)屬于隱蔽工程，很難觀測到接地部件腐蝕與否，更換的代價也很高。熱鍍鋅鋼抗腐蝕能力差，使用壽命短；電焊接頭導(dǎo)流截面小、高溫破壞鍍鋅層，易腐蝕；接地電阻在一些高土壤電阻率的環(huán)境下，很難達(dá)標(biāo)。

銅材由于其良好的導(dǎo)電性能和防腐能力，從而成為國際上接地系統(tǒng)水平接地導(dǎo)體的最佳材料。但由于銅價較高，在很多地方的應(yīng)用受到一定限制。鍍銅鋼材具有與銅相當(dāng)?shù)牧己梅栏g能力，相近的熱穩(wěn)定性能和良好的導(dǎo)電性能，且與純銅材質(zhì)相比能節(jié)省費(fèi)用。同時，鍍銅材質(zhì)搭接處采用放熱焊接，保證了接地網(wǎng)的連接質(zhì)量。

鍍銅鋼材接地方案在經(jīng)濟(jì)上遠(yuǎn)高于鍍鋅扁鋼接地方案，但相對于整個換流站的投資來看，這部分的投入是可以接受的。并且中國南方地區(qū)溫度較高，鍍鋅扁鋼接地材料抗腐蝕能力差，使用壽命短，若在運(yùn)行期間接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重需要改造，由此導(dǎo)致運(yùn)行停電將可能帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。綜上所述，推薦采用鍍銅鋼材質(zhì)作為接地材料。

［1］解廣潤.電力系統(tǒng)接地技術(shù)［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［2］顏懷梁，陳先祿，李定中.接地計算方法及應(yīng)用不均勻網(wǎng)孔改善地網(wǎng)電位分布的計算研究［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，1985(4).