新型材料在變電站接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊小光,王洪峰,王 剛

(1.國(guó)家電網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京 100052;2.山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山西太原 030001)

新型材料在變電站接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊小光1,王洪峰1,王 剛2

(1.國(guó)家電網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京 100052;2.山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山西太原 030001)

分析了變電站接地網(wǎng)系統(tǒng)的幾種類型和接地材料,分別從導(dǎo)電性能、熱穩(wěn)定性、耐腐性和接地體連接方式等方面對(duì)比了接地材料的優(yōu)缺點(diǎn),并以2008年投產(chǎn)的陽(yáng)曲220 kV變電站為例對(duì)比了不同的接地方案,得出鍍銅鋼為主地網(wǎng)的接地系統(tǒng)即符合全壽命周期的理念,也符合兩型一化的要求,與銅地網(wǎng)相比,降低了工程造價(jià),應(yīng)用前景廣泛。

變電站;接地;焊接

0 引言

2000年之后由于山西省電力系統(tǒng)容量的迅速擴(kuò)大,入地短路電流大幅升高,為了保證電力系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行,就要求對(duì)變電站接地網(wǎng)的安全性提出更高、更嚴(yán)格的要求。由于山西省大部分地區(qū)地下存在大量礦產(chǎn)資源,加之為保護(hù)基本農(nóng)田,并隨著變電站進(jìn)入市區(qū),大量氣體絕緣組合設(shè)備GIS(Gas Insulated Sw itchger)的應(yīng)用[1],使得變電站的布置緊湊、占地面積更小,地網(wǎng)的二次改造更為復(fù)雜。

調(diào)查表明,我國(guó)曾發(fā)生多起由于地網(wǎng)腐蝕,接地電阻未達(dá)到要求所導(dǎo)致的事故。這種事故不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且對(duì)于社會(huì)造成更嚴(yán)重的間接經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)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(wàn)到數(shù)千萬(wàn)元,由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失則更大。因此,保證每一個(gè)變電站的接地網(wǎng)達(dá)到安全指標(biāo)要求尤為重要。

1 地網(wǎng)類型及接地材料簡(jiǎn)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(fèi)低施工費(fèi)高;由于腐蝕快,地網(wǎng)壽命一般為4～10 a;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(jià)較高;特別耐腐蝕,地網(wǎng)壽命一般為30～60 a。

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(zhǎng)接地電阻會(huì)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(gè)非常值得關(guān)注的指標(biāo),一般來(lái)說(shuō)地網(wǎng)的使用壽命應(yīng)與地面設(shè)施的設(shè)計(jì)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(jià)。

電力部門對(duì)地網(wǎng)腐蝕情況有較多調(diào)查。山西省電力公司對(duì)110 kV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(gè)方面進(jìn)行了實(shí)際的調(diào)查,結(jié)果表明,以扁鋼和圓鋼為主的接地網(wǎng)在10 a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(diǎn)的最基本要求是低阻抗及耐腐蝕。

連接接點(diǎn)的電阻經(jīng)常成為整個(gè)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(diǎn)都使整個(gè)接地系統(tǒng)質(zhì)量下降;同時(shí),接點(diǎn)又是最易受腐蝕的地方,接地系統(tǒng)的焊接點(diǎn)被腐蝕到一定的程度,就會(huì)造成接觸不良,接地系統(tǒng)的作用就會(huì)大大地降低[2]。

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(shí)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%[3],均遠(yuǎn)較鋼接地體好。尤其是在集膚效應(yīng)下,高頻時(shí)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(diǎn)為1 083℃,短路時(shí)最高允許溫度為450℃;而鋼的熔點(diǎn)為1 510℃,短路時(shí)最高允許溫度為400℃[4]。因此,接地體截面相同時(shí),銅材熱穩(wěn)定性較好。同等熱穩(wěn)定性能時(shí),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(shí)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[5]。

銅的表面會(huì)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)銅與其他金屬 (鋼結(jié)構(gòu)、水管、氣管、電纜護(hù)套等)共存地下時(shí),銅作為陰極不會(huì)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(guò)高溫電弧焊接加工后會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕情況,一般最多只能保證10 a。而銅腐蝕不存在點(diǎn)蝕情況,壽命較長(zhǎng)。

一般情況下,在測(cè)量接地電阻時(shí),很難發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)腐蝕問(wèn)題。一旦通過(guò)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(guò)接地網(wǎng)順利泄到大地,地電位升高,出現(xiàn) “反擊”現(xiàn)象,對(duì)直流、保護(hù)、通信、信號(hào)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(méi)有任何腐蝕?？梢?銅接地體的耐腐性顯著優(yōu)于鋼接地體。

目前,山西省變電所接地系統(tǒng)均存在不同的腐蝕問(wèn)題,特別是有些運(yùn)行10 a以上的變電所腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。盡管在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員已通過(guò)增大接地極截面來(lái)考慮30 a的防腐問(wèn)題,在實(shí)際運(yùn)行中也采用部分開挖和測(cè)量接地電阻等方法來(lái)檢測(cè)腐蝕問(wèn)題,但由于實(shí)際腐蝕情況更嚴(yán)重,以及鋼與銅的腐蝕機(jī)理不同,實(shí)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(yùn)行可靠性[6]。

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(huì)破壞接地體接頭部位的鍍鋅層,有可能導(dǎo)致點(diǎn)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(diǎn)對(duì)于接地體的導(dǎo)電性能也有影響。

對(duì)于鋼接地體,由于截面過(guò)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(qiáng)的鋁把氧化銅還原,整個(gè)過(guò)程需時(shí)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(diǎn)。

a)焊接方法簡(jiǎn)單,容易掌握。

b)無(wú)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(diǎn)像銅一樣,耐腐蝕性能強(qiáng)。

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(shí)現(xiàn)的。正是因?yàn)榫邆溥@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(shí)例

2008年投產(chǎn)的陽(yáng)曲220 kV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30 a設(shè)計(jì)[7]。

4.1 鍍銅鋼絞線接地方案

水平接地體采用截面φ12 mm鍍銅鋼絞線,垂直接地極采用截面φ17.2 mm高度2.44 m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(jià)估算。

表1 方案一材料和工程造價(jià)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30 a時(shí)至少要經(jīng)過(guò)3次改造,見表2方案二材料和工程造價(jià)估算。

表2 方案二材料和工程造價(jià)估算

4.3 銅排接地方案

水平接地體采用銅排,垂直接地極采用截面φ17.2 mm高度2.5m銅棒,連接方式采用放熱焊接,見表3方案三材料和工程造價(jià)估算。

表3 方案三材料和工程造價(jià)估算

通過(guò)表1、表2、表3的數(shù)據(jù)比較,能夠得出直接的經(jīng)濟(jì)造價(jià);而對(duì)一些隱性的經(jīng)濟(jì)造價(jià)如施工難度、施工周期、系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性等,鋼材與鍍銅鋼就相差的更大了。施工時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)一個(gè)工程非常重要,在科技高速發(fā)展的今天,時(shí)間就是效益。如以上的變電站,采用鍍銅鋼接地材料,連接使用放熱焊接,連接一個(gè)接頭僅須2～3min,整體做下來(lái)用時(shí)1 d左右。如果采用鋼材,連接一個(gè)接頭至少需15 min,整體做下來(lái)至少要花10 d。10 d的時(shí)間對(duì)于任何一個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō)所創(chuàng)造的價(jià)值是無(wú)法估量的。鍍鋅扁鋼由于重量大,且不易彎曲,施工工程量大,特別是二次地網(wǎng)改造時(shí),對(duì)現(xiàn)有建筑物的破壞和影響,給正常生產(chǎn)帶來(lái)更大的損失,尤其是對(duì)于GIS站來(lái)說(shuō)地網(wǎng)二次改造幾乎不可實(shí)施。

在設(shè)計(jì)和施工時(shí),既要合理地選擇接地材料、尺寸和連接方法,以降低工程造價(jià),同時(shí)還要考慮到提高接地系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和最重要的安全性。選用鍍銅鋼做接地材料比傳統(tǒng)接地材料初期投入要稍高些,但從長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看鍍銅鋼接地材料性價(jià)比更優(yōu)越。

5 結(jié)束語(yǔ)

以2008年投產(chǎn)的陽(yáng)曲220 kV變電站為實(shí)例對(duì)比了三種接地方案的優(yōu)缺點(diǎn),可以明顯看到與銅接地網(wǎng)相比,降低了工程造價(jià);與原先的鋼接地網(wǎng)相比節(jié)省了人力、物力和總的成本。采用鍍銅鋼接地方案既符合國(guó)網(wǎng)公司倡導(dǎo)的全壽命周期理念,也符合兩型一化的要求,可以看到新型接地系統(tǒng)在山西應(yīng)用的廣泛前景。

[1] 電力工業(yè)部.GB50057-1994 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)電力出版社,1994:9-10.

[2] 電力工業(yè)部.GB50169 電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社,2008:24.

[3] 電力工業(yè)部.DL/T 621 交流電氣裝置的接地 [S].北京:中國(guó)電力出版社,1998:45-46.

[4] 電力工業(yè)部.DL/T 620 交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合 [S].北京:中國(guó)電力出版社,1997:9.

[5] 電力工業(yè)部.SDJ63—1982 電力建設(shè)安全工作規(guī)程 [S].北京:中國(guó)電力出版社,2007:7-8.

[6] 電力工業(yè)部.DL/T617—1997 電業(yè)安全工作規(guī)程 [S].北京:中國(guó)電力出版社,1997:11.

[7] 電力工業(yè)部.DL/475—1992 接地裝置工頻特性參數(shù)的測(cè)量導(dǎo)則 [S].北京:中國(guó)電力出版社,1992:16.

Discussion on App lication of New Materials in Substation Grounding System

YANG Xiao-guang1,WANG Hong-feng1,WANGGang2
(1.State Power Economic Research Institute,Beijing 100761,China;2.ShanxiElectric Power Exploration and Design Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

The various types and the groundingmaterials of the substation grounding system are introduced.Theadvantages and disadvantages of grounding materials are analyzed on conductivity,thermal stability,anti-corrosion resistance and grounding connectionmethod.Differentgrounding schemes are compared as an examp le is taken of Yang Qu 220 kV substation which is put into operation in 2008.It is concluded in this paper that the utilization of copper-steel-based grounding system is consistent with the life-cycle concep t andmeets‘typeautomation'in stead of copper-based system;the construction cost is decreased and the system is app lied w idely in the future.

substation;grounding;welding

TM 63

B

1671-0320(2010)01-0028-03

2009-08-18,

2009-12-16

楊小光 (1978-),男,河北豐潤(rùn)人,2001年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程自動(dòng)化專業(yè),工程師,從事變電站一次設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究;

王洪峰 (1967-),男,山西運(yùn)城人,1990年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程自動(dòng)化專業(yè),高級(jí)工程師,從事變電站一次設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究;

王 剛 (1983-),男,山西長(zhǎng)治人,2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè),從事變電站一次設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究。