放熱焊技術(shù)在菲律賓電網(wǎng)接地施工中的應(yīng)用

龔 寧

（上海送變電工程公司，上海 200235）

0 引言

菲律賓位于亞洲的東南部，是一個(gè)群島國(guó)家，屬季風(fēng)型熱帶雨林氣候，具有溫度高、降雨多、濕度大、多臺(tái)風(fēng)的氣候特點(diǎn)。鑒于菲律賓的氣候條件、地網(wǎng)內(nèi)的電流密度分布、以及土壤電阻率等因素影響，菲律賓國(guó)家電網(wǎng)規(guī)程要求，所有變電站的接地網(wǎng)使用在耐腐蝕性、安全性、電氣性能、施工便利等方面，較鋼接地有明顯優(yōu)勢(shì)的銅金屬接地。

接地系統(tǒng)長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，在于品質(zhì)好的接地材料和可靠的連接，放熱焊接連接與其他常規(guī)連接方式相比，可確保連接面為分子結(jié)合，無(wú)腐蝕，無(wú)松弛，并且放熱焊接操作簡(jiǎn)單、焊接速度快，焊點(diǎn)外型美觀，接頭的耐腐蝕性好、電阻低、連接牢固可靠。因此，放熱焊接技術(shù)在電站接地網(wǎng)工程中得到廣泛應(yīng)用。

1 兩種接地體連接方式比較

1）導(dǎo)電性 銅接地體的導(dǎo)電性能要比鋼接地體好，當(dāng)接地體截面相同時(shí)，銅材的熱穩(wěn)定性更好，這是因?yàn)殂~綠保護(hù)銅材的緣故。而鋼材被逐層腐蝕，雖然鍍鋅層具有抗蝕性，但作用非常有限。銅材在土壤中的腐蝕速度，大約是鋼材的0.1～0.02。由于鋼接地網(wǎng)耐蝕性差、維護(hù)成本高、容易發(fā)生接地網(wǎng)蝕穿事故，所以采用鍍銅材料制作接地體已經(jīng)成為首選。

2）耐蝕性 銅材的耐蝕性是鋼材的10倍以上，是鍍鋅鋼的3倍以上。銅的表面會(huì)產(chǎn)生附著性很強(qiáng)的銅綠，阻斷外界對(duì)銅材腐蝕，起到保護(hù)作用。鋼材含有較多雜質(zhì)，除了鐵元素以外，還含有碳、硫和磷等化學(xué)元素。所以，在“微電池”和“宏電池”效應(yīng)下，鋼材由外向內(nèi)逐層侵蝕。鍍鋅鋼雖有防腐作用，但是降低了導(dǎo)電性能和泄流速度，這對(duì)高頻過(guò)電流尤為明顯。鋼接地網(wǎng)的壽命，一般在10年左右。由于鍍鋅鋼材的鍍層也會(huì)被侵蝕，為了確保接地網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，相關(guān)技術(shù)規(guī)程對(duì)檢查和測(cè)試項(xiàng)目做了嚴(yán)格規(guī)定。

3）安全性 銅接地的接觸電勢(shì)和跨步電壓相對(duì)較小，人身比較安全。這是因?yàn)殂~材相對(duì)磁導(dǎo)率為1，鋼材為636，接地系統(tǒng)的電位差隨著相對(duì)磁導(dǎo)率的增大而增大。銅材抗蝕能力強(qiáng)，鋼材容易被腐蝕，一旦發(fā)生接地系統(tǒng)事故，就會(huì)造成地電位升高，過(guò)電壓擊毀電網(wǎng)中的保護(hù)、通信、低壓線(xiàn)路和低壓系統(tǒng)的設(shè)備，引發(fā)重大電力事故。銅接地網(wǎng)相對(duì)比較均衡，泄流速度快，能減少過(guò)電壓沖擊，引發(fā)事故的概率小。

4）電氣性 考慮接地網(wǎng)的電阻、腐蝕和連接等因素影響，為了避免接地線(xiàn)、接地體熔化，按照熱穩(wěn)定要求，銅材與鋼材截面積之比為3∶1。按照導(dǎo)電阻值要求一致，銅材與鋼材截面積之比為8∶1。根據(jù)集膚效應(yīng)，銅材泄流能力是鋼材的4倍。綜合分析各種因素后，銅材與鋼材接地材料的等效截面積之比，定在1∶6以下。

5）施工便利 在銅接地體施工中，由于鍍銅鋼絞線(xiàn)具有柔軟性、彎度半徑小等特點(diǎn)，在施工中拐彎方便、穿管容易，加上機(jī)械強(qiáng)度高可以成卷供貨，搭接處采用放熱焊接，操作起來(lái)十分便捷。

綜上所述，銅接地體與鋼接地體相比，具有耐蝕力強(qiáng)、導(dǎo)電性強(qiáng)、熱穩(wěn)定好、施工方便、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。雖然銅質(zhì)接地網(wǎng)的初期投資比鋼質(zhì)接地網(wǎng)高，但是投運(yùn)后可以減少檢驗(yàn)維護(hù)工作量，并對(duì)土壤無(wú)污染。在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)，銅質(zhì)接地網(wǎng)的年費(fèi)用大大低于鋼質(zhì)接地網(wǎng)，并且隨著銅質(zhì)接地網(wǎng)的使用壽命的增加，優(yōu)勢(shì)將更加顯現(xiàn)。

2 接地網(wǎng)采用放熱焊接工藝

2.1 放熱焊接的連接方式

目前，變電站主網(wǎng)銅接地體主要采用4種連接方法，即銅銀焊連接法、壓接線(xiàn)夾連接法、螺栓連接法和放熱焊接連接法。其中，放熱焊接法可以完成各種導(dǎo)線(xiàn)間不同方式的連接，如直通型、水平丁字型、十字型垂直丁字型等；還可以完成不同材質(zhì)導(dǎo)線(xiàn)的連接。

2.2 放熱焊接的工作原理

放熱焊接的工作原理是利用活性較強(qiáng)的鋁將氧化銅還原，其放熱反應(yīng)表達(dá)式為3Cu2O＋2Al→Al2O3＋3Cu＋2735℃熱量，整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程僅花數(shù)秒，燃燒時(shí)釋放的超高熱量，高效、快速地傳導(dǎo)至熔接部位，使被焊接的導(dǎo)線(xiàn)端部熔化成永久性的分子合成，將導(dǎo)體連接起來(lái)。

2.3 放熱焊接的工藝特點(diǎn)

放熱焊接無(wú)需外加熱能，是目前用于熔焊金屬導(dǎo)線(xiàn)的一種最佳手段，其主要工藝特點(diǎn)如下。

1）熔焊點(diǎn)的載流能力（熔點(diǎn)）與導(dǎo)線(xiàn)的載流能力相等。

2）熔焊點(diǎn)通過(guò)超高溫熔焊后不會(huì)松脫、不會(huì)老化、不受腐蝕，是永久性的分子結(jié)合。

3）熔焊點(diǎn)能夠承受反復(fù)多次的大浪涌電流（故障電流）而不退化。

4）熔焊藥劑罐裝，分量輕、攜帶方便。

5）熔焊操作簡(jiǎn)單，無(wú)需外接電源或熱源，從外觀便能檢驗(yàn)熔焊質(zhì)量。

6）熔焊適用于銅、銅合金、鍍銅鋼、各種金屬導(dǎo)線(xiàn)的焊接。

2.4 放熱焊接的工藝流程

1）做好焊接前的準(zhǔn)備工作。操作時(shí)選用合適的夾具，將導(dǎo)線(xiàn)牢固夾在熔模入口處或者將熔模本身固定住。這是因?yàn)榻饘賹?dǎo)線(xiàn)在熔化瞬間會(huì)產(chǎn)生熔脹力，有可能被拉出模外，尤其是硬銅線(xiàn)在熔化時(shí)更要提防導(dǎo)線(xiàn)彈開(kāi)熔模的風(fēng)險(xiǎn)。另外，接地棒十分堅(jiān)硬，在熔模入口處安放難度較大，熔接位置的變動(dòng)也較大，可以采取在導(dǎo)線(xiàn)安置完畢后，在熔模外緣作記號(hào)（如安插深度），并在點(diǎn)火之前再次檢查熔接位置是否發(fā)生偏移。

2）將導(dǎo)線(xiàn)插入熔模。

3）鎖緊模夾。

4）在平穩(wěn)、水平的鉗堝中放入鐵片。

5）緩慢倒入熔粉劑，先用鐵片類(lèi)工具抹平熔粉面，略朝點(diǎn)火口方向的熔粉面向上傾斜些，然后打開(kāi)熔粉罐（也有用小塑料袋單獨(dú)封裝的），將起火粉均勻撒布于熔粉面上，并留少量置于熔模出火口頂緣（模唇），便于點(diǎn)火。

6）做好安全防火工作。點(diǎn)火之前清理或者搬離一切可燃物遠(yuǎn)離火口，以防發(fā)生火災(zāi)。

7）蓋上頂蓋使用專(zhuān)用打火機(jī)小心點(diǎn)火。

8）熔粉劑燃完后稍待一會(huì)（10 s以上），等熔融金屬固化后開(kāi)始脫模。

9）清除熔模內(nèi)的礦渣，保持鉗堝、注入孔、模穴干凈完好。

2.5 放熱焊接的安全防范

1）焊接時(shí)化學(xué)反應(yīng)將產(chǎn)生超高溫，必須等模具、銅絞線(xiàn)冷卻后再拆模。嚴(yán)禁焊接完成后用手接觸焊接接頭或者模具，以防燙傷。

2）點(diǎn)火時(shí)必須戴好防護(hù)手套從側(cè)面點(diǎn)火，嚴(yán)禁近距離點(diǎn)火和觀看，以防熔模內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的火焰光刺傷眼睛或者被燒傷。

3）用噴槍烘干模具和導(dǎo)線(xiàn)驅(qū)濕時(shí)，必須保證燃?xì)馄亢蛧姌尩氖褂冒踩?/p>

4）專(zhuān)人保管銅基粉罐（放熱藥劑），隨用隨領(lǐng)，做好管理工作。

5）放熱焊接時(shí)現(xiàn)場(chǎng)放置滅火器材，在模具周?chē)鷩?yán)禁存放易燃易爆物品。

6）嚴(yán)格執(zhí)行部頒《電力建設(shè)安全施工管理規(guī)定》、《電業(yè)安全工作規(guī)程》、《反習(xí)慣性違章工作要點(diǎn)》、《關(guān)于查處生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)違章行為的規(guī)定》以及市局有關(guān)安全生產(chǎn)補(bǔ)充規(guī)定進(jìn)行施工。

2.6 放熱焊接的質(zhì)量評(píng)判

放熱焊接后的接頭必須符合技術(shù)規(guī)范要求，熔接質(zhì)量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)有4條。一是被熔接的導(dǎo)線(xiàn)必須完全包裹在接頭里；二是熔接部位的金屬完全熔化而且連接牢固；三是放熱焊接后的接頭表面呈現(xiàn)平滑光亮；四是放熱焊接的接頭無(wú)貫穿性氣孔。在國(guó)外，放熱焊接技術(shù)已經(jīng)通過(guò)UL標(biāo)準(zhǔn)論證，并被IEEE Std80大綱等規(guī)程指定為接地系統(tǒng)中埋地導(dǎo)體地連接方式。隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的大力發(fā)展和電力設(shè)備對(duì)接地性能要求的逐步提高，放熱焊接技術(shù)已在變電站接地網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。

3 放熱焊接在電力工程中的應(yīng)用

3.1 在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)工程中，放熱焊接技術(shù)主要用于變電站（換流站）和線(xiàn)路基礎(chǔ)接地中。變電站接地網(wǎng)目前大多采用以銅絞線(xiàn)為主的水平接地體，輔以垂直接地體，要求工頻接地電阻在0.2～0.5Ω。由于環(huán)境惡化，潮濕土壤對(duì)接地網(wǎng)持續(xù)腐蝕，一般3～5年侵蝕相當(dāng)嚴(yán)重，其腐蝕部位主要是接地網(wǎng)的接頭部位，例如：南橋變電站接地網(wǎng)。而采用放熱焊接可以有效防止此類(lèi)接頭腐蝕的發(fā)生，使接地網(wǎng)能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

放熱焊接技術(shù)也適用于變電站部分接地系統(tǒng)。為了節(jié)省占地面積，變電站大多采用GIS設(shè)備。GIS設(shè)備廠家為了設(shè)備接地牢固，要求不能將接地銅絞線(xiàn)直接引上地面接至設(shè)備，而必須采用接地牢固的過(guò)渡紫銅端子板。紫銅端子板采用放熱焊接后，在安裝過(guò)程中，未出現(xiàn)過(guò)銅絞線(xiàn)散股斷股、紫銅端子板受力變形、接觸面不緊密等問(wèn)題，提高了裝置的接地性能。

3.2 在菲律賓電網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)用

上海送變電工程公司承建的菲律賓230 k V TAYTAY變電站和230 k V BINAN變電站升級(jí)改造工程中，由于菲律賓地區(qū)溫度高、降雨多、濕度大、多臺(tái)風(fēng)的氣候，以及嚴(yán)重的土壤侵蝕等因素，根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用接地放熱焊接技術(shù)，用以確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

在施工過(guò)程中，針對(duì)銅絞線(xiàn)內(nèi)容易積存水分，在熔焊時(shí)由于溫度突然升高，水分迅速汽化，體積膨脹時(shí)上浮和吸收熱量，使銅液流入熔模腔速度降低，凝固加快，在坩堝內(nèi)留有多余銅液，冷卻后把模具卡住，并且容易在焊接點(diǎn)內(nèi)形成氣孔。雖然按照國(guó)內(nèi)施工工藝要求，施工前對(duì)導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行了烘干處理，但是由于該地區(qū)雨季空氣濕度太大，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部不一定干燥透。

為了保證熔焊點(diǎn)的質(zhì)量，采取加大挖坑范圍，增大與土中銅絞線(xiàn)的距離；加長(zhǎng)烘干導(dǎo)線(xiàn)的尺寸，由原來(lái)只烘干施工部分的20 cm，加大到50 cm；增加烘干導(dǎo)線(xiàn)的時(shí)間，要求每次烘干導(dǎo)線(xiàn)超過(guò)10 min；將施工部分導(dǎo)線(xiàn)人為抬高，使焊接處高于埋在土中兩側(cè)導(dǎo)線(xiàn)10 cm等措施，有效解決了銅絞線(xiàn)含水的問(wèn)題。對(duì)完成焊接點(diǎn)進(jìn)行抽樣剖開(kāi)檢查，剖面徹底熔化，沒(méi)有氣孔。另外，菲律賓土壤含水量高，容易造成接地極的接頭腐蝕，因此，在接地棒的焊接過(guò)程中，要特別注意施工質(zhì)量，必須清除接地棒表面氧化層、油污、垃圾，在待焊處兩側(cè)20～30 cm內(nèi)用磨光機(jī)及砂布清除，直至露出金屬光澤為止。清理后及時(shí)進(jìn)行焊接，以免表面重新氧化；在每個(gè)連接處都要仔細(xì)涂上“特種密封導(dǎo)電膠”，防止地下水汽對(duì)連接處的腐蝕；放熱焊前要對(duì)模具烘干處理；每打1根接地棒都要測(cè)試電阻值。

通過(guò)上述兩個(gè)變電工程的實(shí)施，上海送變電工程公司的工程質(zhì)量受到業(yè)主一致好評(píng)，工藝在當(dāng)?shù)氐玫綇V泛推廣。