新型熱鑄銅覆鋼復合金屬材料在變電站接地系統(tǒng)中的應用研究*

李揚森 張成煒 柳 松 王鵬飛

(1.國網福建省電力有限公司 福州 350003；2.國網福建省電力有限公司經濟技術研究院 福州 350012；3.中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福州 350003)

1 引言

一個良好穩(wěn)定的防雷接地系統(tǒng)，是變電站安全運行的基本保證，是確保運維人員人身安全和設備可靠運行的重要措施[1]。隨著經濟建設的迅猛發(fā)展，我國電網的規(guī)模和容量不斷增加，電氣設備的短路電流水平亦不斷提高，人們對電網的安全穩(wěn)定運行要求也越來越高[2-5]。據不完全統(tǒng)計，我國電網因接地系統(tǒng)缺陷問題引起的安全事故屢屢發(fā)生，每次電力安全事故造成的直接經濟損失高達數十萬至數百萬元[6]，由此造成的用戶停電甚至會導致石油、化工等特殊行業(yè)的安全事故連鎖擴散，所帶來的間接經濟損失更大，難以用金錢來衡量。

變電站的防雷接地系統(tǒng)是結合防雷接地、工作接地和保護接地為一體的有機整體，其主要功能首先是保證電氣設備發(fā)生故障時運行人員的人身安全，其次是保證重要電氣設備本體的安全可靠運行，避免不必要的經濟損失。當變電站遭受雷擊或主要設備發(fā)生短路接地時，極大的雷電流或不平衡的短路電流經過接地系統(tǒng)進入大地，將會在接地系統(tǒng)上引起地電位升高和不均衡電位分布；雷電流和短路電流經常是kA 級別甚至更高，往往會短時間內將變電站接地網電位拉升至10 kV 以上[7-8]；如果變電站接地系統(tǒng)設計不合理或者因土壤腐蝕等原因產生缺陷，就會導致接地網局部電位差值超過安全閾值，變電站站內的接觸電勢和跨步電勢就會超過規(guī)范要求的最大允許值，嚴重威脅著運維人員的人身安全。變電站的電氣設備外殼均與地網緊密相連，因雷電流或不平衡短路電流引起的地電位拉升，瞬時加在電氣設備上，可能會發(fā)生反擊，設備的絕緣可能因此遭到破壞，嚴重威脅著設備的安全運行；如果瞬時的高電壓進入二次控制室，可能使變電站的控制設備甚至整個監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障或功能性紊亂，從而造成設備誤動或拒動等情況而擴大事故范圍，嚴重威脅著整個電網的安全穩(wěn)定運行[9-12]。

變電站的接地系統(tǒng)為電網提供有效的長久零點電位，不僅可以防治故障電流引起的危害，還可以有效地消除雷電流以及其他有害電流對人身和設備造成的傷害和干擾。因此，電力系統(tǒng)的安全有效接地是保障運維人員安全，維護電網安全可靠運行的重要措施[13-14]。

2 國內外接地材料研究現狀

國外針對于變電站的接地系統(tǒng)材料選擇等方面的研究較早，前蘇聯曾針對于變電站不銹鋼接地材料的應用及其防腐措施進行了相關的研究，并形成了接地材料的選擇及防腐措施等技術標準；美國、日本和一些歐洲發(fā)達國家常使用銅材作為變電站的接地材料，主要是考慮到銅材良好的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性，可以延長變電站接地系統(tǒng)使用壽命的目的[15]。近些年來，隨著國外廣大學者對接地材料研究的不斷深入，銅覆鋼接地材料應運而生，憑借其超高的性價比得到越來越廣泛的應用。歐美的一些發(fā)達國家普遍將銅覆鋼材料作為垂直接地體，應用在發(fā)電廠、變電站等接地系統(tǒng)中，并取得不錯的接地效果。

我國從20 世紀50 年代開始將鋼材作為接地材料，主要是由于市場上銅材短缺，且多數用于國防建設，而鋼材較為普遍，市場供應充足，一次性投入低。但多年的實踐證明，鋼材作為變電站的地網導體長埋地下，經過熱鍍鋅或其他防腐措施處理后，在土壤的長期腐蝕作用下，也會經常出現斷裂、電氣性能被破壞的情況，導致變電站后期的維護非常困難。隨著我國經濟的快速發(fā)展，越來越多的重大工程采用銅材作為接地網材料，但由于銅材的價格昂貴，且電力工程建設中更多考慮的是一次性投資，我國中小型的變電站工程還多數采用熱鍍鋅鋼作為接地材料[16]。2000 年以后，銅覆鋼作為接地材料慢慢被業(yè)界認可并得到不斷的嘗試和應用；但由于國內對此方面的研究不夠充足，且相關制約的規(guī)范及標準未形成，導致銅覆鋼材料質量參差不齊，銅層脫落、厚度不足、加速腐蝕等問題時常發(fā)生，嚴重威脅著變電站的安全可靠運行[17]。目前國內變電站接地網材料主要還是熱鍍鋅鋼和純銅材料兩種，同時銅覆鋼等新材料的研究還在繼續(xù)。

3 熱鑄銅覆鋼復合金屬在接地系統(tǒng)中的應用

3.1 接地系統(tǒng)基本要求

通過翻閱國內外大量相關文獻，結合多個實際項目的設計經驗，對我國系統(tǒng)內的變電站接地材料進行分析研究，發(fā)現國內變電站接地材料主要采用熱鍍鋅鋼材和純銅兩種，選擇的主要依據是根據變電站的布置形式及所在地的土壤PH 值來確定。熱鍍鋅扁鋼主要用于PH＜7 的偏酸性土壤環(huán)境或戶外布置的變電站，主要考慮鍍鋅層在偏酸性土壤中對鋼材的保護作用，一次性投入小，后期更換方便等特點；純銅主要用于PH 值≥7 的偏堿性土壤環(huán)境或戶內布置的變電站，主要是考慮銅材在偏堿性環(huán)境中的耐腐蝕性，后期免維護等特點，但相對投資大。

根據國家電網公司基建部關于輸變電工程使用壽命等相關會議和文件要求，變電站主要建(構)筑物的使用壽命須達到60 年以上，主要電氣一次設備的使用壽命須達到40 年以上[18]。對于電力系統(tǒng)的接地裝置，使用壽命宜在50 年以上。這就要求對接地導體材料的選擇需要考慮腐蝕情況來判斷和計算使用壽命。針對于有接地裝置的電力系統(tǒng)，其主接地網的使用壽命宜大于等于電力系統(tǒng)本身的使用壽命[19]。

綜上所述，接地系統(tǒng)應具備以下三個基本條件：①良好的過流能力；② 長久的使用壽命；③較高的經濟特性。一個良好的變電站接地系統(tǒng)，只有在這三個基本條件中相互取舍，達到一個有機的平衡，才能保證變電站的長期、可靠、穩(wěn)定運行。

3.2 普通銅覆鋼材料的局限性

前文提到2000 年以后，業(yè)界曾嘗試采用銅覆鋼作為變電站接地材料，但由于當時的時代背景及技術水平，銅覆鋼并未得到廣泛應用。經過大量的調查及研究，通過與相關技術廠家及石油、化工等其他行業(yè)專家溝通調查發(fā)現，早期普通銅覆鋼大多是冷鍍銅覆鋼，受加工工藝的限制，鍍銅層厚度難以控制且不均勻，局部鍍銅層被破壞后加劇腐蝕[20]。

冷鍍工藝是早期銅覆鋼材料未得到廣泛使用的一個重要原因。

硫酸銅溶液經過電解將銅還原為銅單質附著在鋼芯表面，工藝在溶液里實現。鋼芯在硫酸銅溶液里被完全浸泡，在表層吸附溶液里的固態(tài)物質。在冷鍍過程中，會形成固態(tài)的硫酸銅(CuSO4)和硫酸銅晶體(CuSO45H2O)以及其他相關雜質比如水分子(H2O)等，在銅和鋼之間附著。H2O 的沸點為100 ℃，CuSO4的沸點 650 ℃，CuSO45H2O 的熔點為110 ℃，沸點為330 ℃，分解點為45～252 ℃(分解出氣態(tài)水分子)。

當冷鍍銅導體溫度達到330 ℃時，內部大部分雜質會氣化，在銅鋼結合處造成氣泡，嚴重時會在表面銅層產生裂紋而直接暴露鋼芯。

當變電站發(fā)生故障或遭到雷擊時，冷鍍銅覆鋼接地材料通過非常大的故障電流或雷電流，導體本身發(fā)熱而產生大量的氣泡，通過故障電流的電鍍銅覆鋼表層往往會產生裂紋等缺陷。國家關于銅覆鋼鍍銅層厚度要求較低，銅層厚度≥0.254 mm 即可，各個生產廠家的鍍銅工藝參差不齊等多種原因導致了銅覆鋼材料在電力系統(tǒng)未得到廣泛應用。

3.3 新型熱鑄銅覆鋼復合金屬新材料

在接地材料的發(fā)展過程中，國內已有部分公司對熱鑄銅覆鋼接地導體材料進行了相關的研究，由于前文所述的加工工藝等原因，一些技術性問題未得到根本解決，暫未得到廣泛應用。本文提出一種新型的熱鑄銅覆鋼復合金屬材料，具有非常好的耐腐蝕性能，可以應用于各類環(huán)境的接地系統(tǒng)中，具體的制作工藝流程如圖1 所示。原材料鋼絲經過除銹、校直、車削、精磨拋光等工藝處理，在高于1 150 ℃的高溫無氧環(huán)境下，將液態(tài)銅通過獨特熱熔連鑄技術鑄在鋼芯上，形成表層為銅、內芯為鋼的無氧銅覆鋼導體；無氧銅覆鋼自然冷卻后，再通過獨特的冷軋/拉拔工藝，形成銅層厚度均勻可控的熱鑄銅覆鋼復合金屬材料。銅覆鋼經過獨特的高溫熱鑄工藝，銅與鋼接觸面已形成兼具銅和鋼良好性能的合金，具有良好的耐腐蝕性能和導電性能。根據銅層的腐蝕速率計算，覆銅層厚度為0.8 mm 的銅覆鋼接地材料，使用壽命可以達到50 年以上[21-22]。

圖1 熱鑄銅覆鋼接地材料工藝流程圖

銅覆鋼接地材料為國標規(guī)范推薦使用接地材料，而新型熱鑄銅覆鋼接地導體更是將銅覆鋼接地材料性能提高至極優(yōu)，杜絕了早期銅覆鋼由于生產工藝原因造成的使用壽命和使用場合的限制，將接地系統(tǒng)使用壽命和一次投資做到了非常好的有機平衡，實現了極佳的性價比。新型熱鑄銅覆鋼接地材料，生產過程中經歷過1 150 ℃以上高溫，生產溫度超過純銅接地材料Tm值規(guī)定的900 ℃，不會在以后應用中由于大故障電流造成地網高溫而產生氣泡及裂紋損害。新型熱鑄銅覆鋼經過高溫退火，其鋼芯的柔軟度增加明顯，大大降低了敷設難度，焊接工藝采用放熱熔接，技術成熟，極大地提高了施工效率。

銅層厚度可達0.8 mm 或更高，遠超國標標準,滿足國網基建部對于銅覆鋼接地材料銅層厚度不小于0.8 mm 的要求。熱鑄工藝，銅層和鋼芯完美結合。本文提出的新型熱鑄銅覆鋼復合金屬材料的銅層厚度遠高于其他銅覆鋼材料，導電率遠超過其他產品，使用性能在接地工藝中接近于純銅產品，而價格卻遠低于純銅，成品圖如圖2 所示。試驗和實踐證明，使用熱鑄銅覆鋼接地材料作為接地系統(tǒng)的主材，使用壽命和使用性能均能滿足接地系統(tǒng)要求。

圖2 熱鑄銅覆鋼接地材料成品圖

4 全壽命分析

以福建漳州地區(qū)已投入運行的一座沿海220 kV 變電站接地系統(tǒng)水平接地網為例，在變電站全壽命周期50 年內，分別對純銅、熱鑄銅覆鋼以及熱鍍鋅鋼材進行對比分析。

4.1 設計輸入

根據GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》對接地導體熱穩(wěn)定校驗計算[23-24]

式中Sg——接地體的最小截面，mm2；

Ig——流過接地體的短路電流穩(wěn)定值，A；

te——短路的等效持續(xù)時間，s；

c——接地材料的熱穩(wěn)定系數。

其中，Ig=40 kA，te=0.42 s，c：銅(c)=210，熱鑄銅覆鋼(c)=179，熱鍍鋅鋼(c)=70，地網面積為110 m×70 m，網格間距為10 m，即12 m×8 m 網格。

根據以上數據，計算出220 kV 接地引下線的最小截面Sg(220)，主接地網水平接地極最小截面取Sg=0.75Sg(220),即Sg(銅)=93 mm2，Sg(熱鑄銅覆鋼)=108 mm2，Sg(熱鍍鋅鋼)=278 mm2，考慮50 年腐蝕影響，故本變電站的主接地網水平接地極可以選取120 mm2銅絞線、直徑14 mm，銅層厚度為0.8 mm 的熱鑄銅覆鋼和50×8 熱鍍鋅扁鋼。

4.2 經濟性能分析

根據設計輸入數據，分別以三種接地材料作為變電站主接地網水平接地極，垂直接地極采用相同材料，以《電力建設工程建設概算定額》(2018 年版)中材料價格為依據，變電站的接地引下線、垂直接地極、施工等費用不記列，形成接地材料經濟性能比較表，如表1 所示。

表1 接地材料經濟性能比較表

4.3 全壽命分析

以變電站全壽命50 年為期，對純銅、熱鑄銅覆鋼以及熱鍍鋅鋼材三種接地材料在變電站全壽命周期內進行綜合經濟性能分析。熱鑄銅覆鋼和純銅材料具有較好的耐腐蝕性能，使用壽命滿足變電站全壽命周期要求，使用期間無需更換，純銅材料價格為銅覆鋼材料的1.5 倍左右，綜合比較熱鑄銅覆鋼材料經濟性能最高，純銅材料次之；熱鍍鋅扁鋼一次性投資最低，但其耐腐蝕性能最差，每10 年左右時間就會因腐蝕等問題需要更換一次，僅考慮材料費用，熱鍍鋅鋼材在變電站全壽命周期內的投入就為熱鑄銅覆鋼材料的2.1 倍左右，如果考慮接地網改造期間的地面及道路開挖及恢復，材料的焊接及施工費用，熱鍍鋅鋼材與熱鑄銅覆鋼材料的經濟性能差距還會進一步加大，故相對于其他兩種接地材料，熱鍍鋅扁鋼的綜合經濟性能最差。

通過查閱純銅、熱鑄銅覆鋼和熱鍍鋅的性能參數，從柔軟度、熱穩(wěn)定、過流能力、耐腐蝕性、施工便利性和耐腐蝕性能等幾個重要方面對三種接地材料的使用性能進行分析，如表2 所示。

表2 接地材料使用性能對比

通過對三種材料的使用性能對比分析，熱鑄銅覆鋼材料充分發(fā)揮了合金的優(yōu)越性，不僅具有純銅材料相似的熱穩(wěn)定性能、過流能力和耐腐蝕性能，還具有良好的硬度和柔軟度，更有利于施工，相信在以后的接地系統(tǒng)中會得到更加廣泛的應用。

5 結論

本文研究了變電站接地系統(tǒng)的原理及其重要性，針對國內外接地系統(tǒng)材料選擇進行分析，提出一種新型熱鑄銅覆鋼復合金屬材料；在高于1 150 ℃的高溫狀態(tài)下，將液態(tài)銅通過獨特的熱鑄工藝鑄在鋼芯上，形成表層為銅內芯為鋼材的銅覆鋼接地導體；經過特殊的熱鑄工藝處理，新型銅覆鋼復合金屬材料作為接地材料具有以下優(yōu)勢：①優(yōu)越的熱穩(wěn)定性能；② 良好的過流能力；③優(yōu)秀的耐腐蝕性能；④ 超高的經濟性能；⑤ 極好的硬度和柔軟度平衡。

以福建漳州地區(qū)220 kV 變電站接地工程為載體，從使用性能、全壽命周期及施工難易程度的角度論證了熱鑄銅覆鋼復合金屬材料的優(yōu)越性；隨著新技術的發(fā)展及加工工藝水平的提高，0.8 mm 及以上銅層厚度的熱鑄銅覆鋼復合金屬材料憑借其超高的經濟性能和優(yōu)質的使用性能，必將廣泛地應用于輸變電工程及其他領域接地系統(tǒng)工程中。