對電力免維護接地裝置的探討

孫小玲，張鳳霞

（1.神華集團電力管理部，北京 100011；2.中國三峽新能源公司，北京 100053）

電氣設(shè)備的某個部分與大地之間作良好的電氣聯(lián)接稱為接地。與大地土壤直接接觸的金屬導體或金屬導體組稱為接地體；聯(lián)接電氣設(shè)備接地部分與接地體的金屬導體稱為接地線；接地體和接地線統(tǒng)稱為接地裝置[1]。接地主要類型包括安全接地、防雷接地、工作接地、保護接地、重復接地、防靜電接地、屏蔽接地等[2]。

1 免維護接地裝置的重要作用

水電站等重大工程是百年大計的建設(shè)項目，而埋在地下的隱蔽接地裝置對人身安全與設(shè)備安全又至關(guān)重要。雖然地下接地裝置僅占總投資的極少部分，但它直接關(guān)系到運行人員的生命安全，也關(guān)系到系統(tǒng)、甚至是整個接入電網(wǎng)的安全，其重要性不言而喻。早期的地下接地網(wǎng)主要是用鍍鋅扁鐵、碳鋼等材料構(gòu)成，雖然節(jié)約了資金，降低了造價，但隨著時間的推移，也帶來了一些問題，一些戶內(nèi)（地上）的接地扁鐵雖然完好無損，但是地下接地網(wǎng)部分，由于長期處于地下或者陰暗、潮濕的環(huán)境中就容易發(fā)生腐蝕，尤其是地下接地網(wǎng)及引上接地線腐蝕得特別嚴重，以至于發(fā)生局部斷裂，造成接地電阻大大增加，甚至發(fā)生接地線與接地網(wǎng)斷開的嚴重后果。關(guān)于地下接地網(wǎng)腐蝕斷裂的事故，在工程實際中已屢見不鮮。

《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十項重點要求》（能源部〔1992〕726號）中的第十四條為“防止接地網(wǎng)事故”，提出了四點要求。當時全國各地均對接地網(wǎng)進行接地電阻搖測與開挖檢查工作，以防止接地事故的發(fā)生。如上海1958年建造的某35kV變電站，經(jīng)過30年左右運行，在檢查中就發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)引上線僅存一處未開斷，且亦腐蝕得非常嚴重，其它各處均已斷裂，同時地下接地網(wǎng)扁鐵腐蝕嚴重，且有多處已斷裂。為此不得不再進行開挖、并進行接地網(wǎng)的加設(shè)改進工作。在沿海地區(qū)的鹽堿地環(huán)境中，接地網(wǎng)腐蝕更為嚴重，如福建某變電站的接地裝置僅運行了8年，就已經(jīng)嚴重腐蝕[3]。天津220kV變電站接地網(wǎng)的使用壽命僅為5-7年[4]。歐美和日本等國為防止接地體腐蝕，一般采用銅材。我國解放前建造的部分變電站，其地下接地網(wǎng)均為極粗的銅線，在檢查過程中始終沒有發(fā)現(xiàn)問題。由此可見銅具有較好的抗腐蝕能力。地下隱蔽接地裝置的設(shè)置應從長遠考慮，至少在地下腐蝕較強的地區(qū)對接地網(wǎng)引上線及埋設(shè)地下的接地網(wǎng)應采用抗腐蝕性較強的免維護接地裝置。

2 免維護接地裝置的防腐機理

接地裝置的腐蝕機理主要有化學腐蝕和電化學腐蝕兩種。腐蝕環(huán)境主要有大氣腐蝕、土壤腐蝕和海水腐蝕三種。腐蝕原因主要包括大氣中的氧化腐蝕、接地材料的電偶腐蝕、土壤中的電化學腐蝕、化學阻垢劑造成或加速了電化學腐蝕、施工不達標造成或加速的腐蝕等[3]。當沒有外加電流流經(jīng)接地電極時，接地電極的腐蝕屬于電化學腐蝕，并稱為自然腐蝕，是由接地金屬和土壤中的水份形成的電解液的化學反應引起的。金屬與電解液之間產(chǎn)生的化學電動勢稱為電極電位。

鐵的電級電位為－0.44V，是負電性金屬，銅的電極電位為+0.337V，是正電性金屬。金屬的電極電位愈負則該金屬愈活潑，愈易受腐蝕；電級電位愈正則該金屬愈穩(wěn)定，愈不易受腐蝕。當把銅與鐵埋入地下用導線連接時，有0.777V的電位差。以鐵（生鐵、鑄鐵、低碳鋼）為接地網(wǎng)材料時，雖然接地網(wǎng)材料為同一種金屬，但因金屬所處各部位土壤不同或電解液的濃度有差別，金屬不同部位也出現(xiàn)電位差。上述電位差形成的腐蝕金屬變成正離子溶解于電解液中，使陰極失重（受腐蝕）。通過多種土壤的試驗證明，銅材埋入地下12年的平均失重每年不超過0.2%，而鐵的年均失重可達2.2%。若按接地電極失重40%為該電極的使用壽命極限，按上述試驗數(shù)據(jù)，鐵電極的使用壽命為40/2.2＝18年，銅電極為40/0.2=200年。由此可見，用鐵材的接地裝置耐腐蝕能力差，使用壽命短，而銅具有良好的抗自然腐蝕能力。但銅是有色金屬，資源有限，國家政策不鼓勵大量地使用銅來做接地裝置[4]。因此，可考慮用銅包鋼做成的接地體和接地線，外包銅與鋼無氣隙緊密接觸，來限制鋼材腐蝕。斷接卡以上接地線、斷接卡至接地體的引下線、接地電極與接地連線，除斷線卡處用螺栓連接外，其余連接采用熱焊熔接或焊接，使接地裝置的全部組成元件都具有銅材的良好抗自然腐蝕能力，從而成為免維護的接地裝置。

3 免維護接地裝置的制造工藝

3.1 工藝特點

由于銅與鋼無氣隙緊密接觸的附著力和粘合質(zhì)量極好，極大地減緩主體金屬的腐蝕速度，檢減輕修工作量。另外，銅與鋼的柔韌度較好，彎曲時，不會出現(xiàn)裂紋和剝落。自身電阻值低于常規(guī)材料，導電性好。在潮濕、鹽堿、酸性土壤及接地阻值較大的礫質(zhì)土壤的等環(huán)境下更宜使用。

3.2 熱焊熔接法焊接

要使銅與鋼牢固地焊接在一起，熱焊熔接法是最好的方法。在特制的石墨模子裝入專門的粉末，套入對接好的兩條銅包鋼，用打火機點火后即可產(chǎn)生熔化反應，熔化的粉末先形成液體，在冷卻后形成持久性的連接，銅與鋼熔化在一起，粉末中的銅粉熔化后覆蓋于全部焊縫。點火后熱焊接熔接過程所需時間不足20秒。

3.3 斷接卡法測試接地電阻

為了測量接地裝置的接地電阻或排除引起測量誤差的外來因素時，需要設(shè)置斷接卡。斷接卡是避雷引下線與接地極之間的一個小裝置，用一塊銅板與對接的兩條銅包鋼及銅螺栓壓接，全部接觸面均為銅。需測量地網(wǎng)接地電阻時，卸開銅螺栓，拆開連接器和壓接銅板，即可將接地線與接地體分開，測量接地阻值非常方便。

4 免維護接地裝置的設(shè)計要求

免維護接地裝置的設(shè)計除應符合 《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057）的規(guī)定外，還需重點考慮下列設(shè)計要求：

（1）免維護接地裝置，不能與自然接地體直接相連。若將送電線路桿塔的金屬體埋入地中形成自然接地，再增設(shè)銅包鋼接地體，銅包鋼與自然接地體形成了腐蝕原電池，幾年后，將導致塔腳嚴重腐蝕。因此，為避免銅與鐵構(gòu)成的腐蝕原電池而加速鋼鐵的腐蝕，銅包鋼接地棒、接地線及接地棒的地下連線均必須采用銅鐵過度板相連。

（2）直流接地網(wǎng)中，銅包鋼宜作為陰極。作為陽極運行的接地電極，雖然銅包鋼有良好的抗腐蝕能力，但它的電解腐蝕速度與鐵相近。因此，銅包鋼作陽極時，應在電極周圍填焦炭粉。干燥的焦炭是電子導電，電子由焦炭直接進入電極，焦炭和金屬電極的交界處不會出現(xiàn)由電化學反應形成的金屬電解。焦炭是非離子晶體，不能被電解成離子，故不存在電解腐蝕。用焦炭保護銅包鋼陽極的免維護年限，由焦炭的干燥程度決定。

（3）電流和雷電流通過接地體時，若接地裝置金屬導體的截面過小而過度發(fā)熱，將導致土壤中的水份蒸發(fā)，土壤電阻率上升，形成進一步加劇水份蒸發(fā)的惡性循環(huán)，嚴重時可導致土壤燒結(jié)，接地極不能正常工作，甚至造成接地裝置不能成為免維護裝置。因此，應依據(jù)熱穩(wěn)定條件，設(shè)計接地線的最小截面：

式中：Smin為接地線的最小截面 （mm2）；Ijd為流過接地線的短路電流穩(wěn)定值（A），根據(jù)電力系統(tǒng)5～10年發(fā)展規(guī)劃，按系統(tǒng)最大運行方式確定；td為短路的等效持續(xù)時間（s）。

Ijd、td可按表1的規(guī)定取用：

一般而言，建筑物防雷設(shè)計用銅包扁鋼的引下線最小截面為48 mm2，裝設(shè)引下線的最小截面由設(shè)計人員根據(jù)相關(guān)標準和現(xiàn)場情況確定。允許地下接地體的銅包圓鋼和銅包扁鋼的最小截面小于接地線（引下線）截面，但不得小于該截面的70%，銅包圓鋼接地棒最小截面，還需考慮結(jié)構(gòu)安全，打入土中不會打彎。

表1 免維護接地裝置的參數(shù)確定

5 免維護型接地裝置應用前景分析

如用圓鋼、扁鋼等低炭鋼材制作的防雷裝置，在運行中避雷針的針桿部分因腐蝕易被風吹彎。接閃器（避雷針、線、帶、網(wǎng)）和引下線因風刮雨淋而易腐蝕。此外，防雷裝置的組成元件一般不是工廠預制的標準件，安裝方法也極不規(guī)范，腐蝕有可能導致防雷裝置失效，需要及時進行更換。一方面，目前我國許多部門對防雷裝置缺乏規(guī)范化的維護制度，防雷裝置在得不到及時維護后形成腐蝕而存在安全隱患甚至造成事故；另一方面，即便有維護制度，定期開挖檢查和維護仍存在很多不便。因此，免維護型防雷裝置的應用前景廣闊，利用年均腐蝕率約0.2%的銅覆蓋于圓鋼、扁鋼，保護年均腐蝕率約2.2%的低炭鋼,除斷接卡以外的其它接頭，用熱焊熔接法連接成為可視之無接頭的金屬導體，消除了導體回路的接觸面，故可實行免維護。

近年來，程控通信、微波通信、數(shù)字通信、數(shù)字控制與傳輸?shù)雀哽`敏和高運算速度的微電子數(shù)字設(shè)備在電力系統(tǒng)中得到了大量應用，這些微電子數(shù)字設(shè)備在抗電磁干擾訊源方面，對接地裝置的安全可靠性有了更高的要求。由于微電子數(shù)字設(shè)備具有低電壓、微電流、高頻率的特性，故電源發(fā)生故障時，為快速將故障電流在接地網(wǎng)中消散，要求有低接地電阻、高穩(wěn)定性的接地網(wǎng)，即要求埋地接地體的自然腐蝕速度非常緩慢。為避免干擾訊源經(jīng)接地網(wǎng)傳給數(shù)字設(shè)備而產(chǎn)生故障，必須有專用的、獨立的接地網(wǎng)；為避免高頻脈沖波經(jīng)雜散電感耦合到信號傳輸系統(tǒng)而受干擾訊源的影響，還要求在高架地板的下方設(shè)置機房信號基準網(wǎng)。此時，采用免維護接地裝置，運用熱焊熔接器連接，可做成無接觸電阻，基本不受土壤中電解液腐蝕影響，長期保持接地電阻的穩(wěn)定，從而更好地保證這些數(shù)字設(shè)備之間的數(shù)字傳輸和正常運行。

6 主要結(jié)論

接地裝置的腐蝕問題關(guān)系到接地裝置的正常運行，因而必須受到足夠的重視。早期用鐵、鋼等材料制造的地下接地網(wǎng)，防腐性能一般，使用后易因腐蝕而形成安全隱患，造成安全事故；與此同時，微電子數(shù)字設(shè)備的廣泛應用對接地裝置的安全可靠性提出了更高要求，因此需要研究推廣應用新型材料、耐腐蝕性能強、低接地電阻的接地裝置。

用銅包鋼做成免維護接地裝置的接地體和接地線不會因季節(jié)變化、水分蒸發(fā)、土壤干燥、冰凍而影響接地電阻的變化；接地電阻值能大幅度降低且穩(wěn)定可靠性高，泄流能力強；免維護接地裝置能更好地保障人身安全、設(shè)備安全和系統(tǒng)安全，應用前景廣闊。

[1]徐鵬.如何維護好電氣設(shè)備接地裝置[J].科技廣場，2009（9）：214-215.

[2]呂亞妮，姜德友.淺談接地裝置及其維護[J].黑龍江科技信息，2009（34）：29.

[3]萬欣，李景祿.接地裝置的腐蝕及防腐蝕措施的研究[J].電磁避雷器，2006（4）：37-38.

[4]張惠珍，陳浩，劉寶成，等.接地裝置防腐蝕技術(shù)的探討[J].天津電力技術(shù)，2004（2）：24.