輸變電接地材料及其連接技術

孔曉峰，陳新，張一軍，江應滬，王斌，聶京凱

(1.金華電業(yè)局，浙江省金華市321001;2.中國電力科學研究院，北京市100192)

0 引言

接地網是由垂直和水平接地極組成兼有泄流和均壓作用的網狀接地裝置［1］。用于電氣設備、桿塔的接地端子與接地體或零線連接的金屬導體，稱為接地線。接地體和接地線共同組成接地裝置［2］。作為接地裝置的可選材料種類繁多，包括黑色金屬、有色金屬、合金、非金屬等。接地體裝置的連接一般采用焊接或機械連接方式，其中接地線與設備或建筑體普遍采用螺栓和壓接線夾進行連接;而接地極與接地線的連接則采用焊接，包括熔化焊和非熔化焊等。

1 常用金屬接地材料

1.1 接地材料的種類

目前國內常用的接地材料包括鍍鋅鋼、純銅、銅覆鋼、不銹鋼等，上述材料中應用范圍最為廣泛的是鍍鋅鋼材料。這主要是由于我國早期的電力系統(tǒng)設計多為借鑒前蘇聯(lián)的相關技術，并且銅資源相對緊張，但在其他國家或地區(qū)(除前蘇聯(lián)、中國和印度以外)，應用銅材以及銅鍍鋼材料作為主要接地材料已有100多年的歷史［3］。

在實際應用中，接地材料需滿足導電率、熔點溫度、耐蝕性和經濟性的要求。其中，導電率決定材料的散流能力，熔點溫度決定其最高服役溫度，而導電率與熔點溫度共同決定了材料的熱穩(wěn)定系數，具體過程可參考文獻［4］，材料的耐蝕性則決定了材料應用環(huán)境。常用接地材料熱穩(wěn)定系數及相對價格如表1所示。

表1中主要列舉了熱鍍鋅鋼、導電率為20%～40%的銅覆鋼、軟銅?？梢婋S著銅占導體比例的增加，導電率增大，熱穩(wěn)定系數上升，價格也隨之上升。

表1 常用接地材料熱穩(wěn)定系數與價格Tab.1 Thermal stability factors and prices of common grounding materials

1.2 鍍鋅鋼

熱鍍鋅鋼是將除銹后的碳鋼件浸入熔融態(tài)的鋅液中，使鋼構件表面附著鋅層，從而達到防腐目的的常用材料。熱鍍鋅鋼通過熱鍍鋅層對鋼鐵基體起到物理屏障的保護作用，把鋼件與腐蝕環(huán)境介質隔離開來，達到防腐的目的［5］。其熱鍍鋅層微觀形貌如圖1所示，鍍覆質量(熱浸鍍工藝的控制)、鍍鋅層厚度都能影響熱鍍鋅鋼的耐蝕性能。

圖1 鍍鋅鋼鍍鋅層微觀形貌Fig.1 Microcosmic appearance galvanized steel zinc coatings

鍍鋅鋼的主要應用形式包括鍍鋅扁鋼、鍍鋅圓鋼、鍍鋅角鋼、鍍鋅管等。

鍍鋅鋼接地體特點為:價格低廉，易于購買，在干燥地區(qū)具有較好的耐蝕性;但鍍鋅層的熔點低(僅為419℃)，在高溫和電流作用下極易腐蝕失效，不適宜重腐蝕地區(qū)使用。

1.3 不銹鋼

不銹鋼作為接地體是通過添加合金元素，如鎳、鉬、鈦、鈮、銅等制造的耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕的鋼。不銹鋼種類繁多，用于接地的不銹鋼種類主要為1Cr18Ni9Ti鋼、304不銹鋼、316不銹鋼等。由于304不銹鋼的價格低廉，應用最為廣泛。上述幾種不銹鋼主要通過材料中含有的大量鉻元素(不低于12.5%)，使鋼的電極電位發(fā)生突變，由負電位上升到正電位，從而阻止電化學腐蝕。304不銹鋼其腐蝕行為宏觀主要表現為點蝕［6］，微觀則主要為晶間腐蝕［7］。不銹鋼作為接地體的應用形式多為不銹鋼管和不銹鋼包鋼，既可作為水平接地極也可作為垂直接地極使用。

不銹鋼接地體特點為:在所有土壤中(酸性、中性、堿性)具有較好的耐蝕性，服役可靠性高;但其導電率較低、價格較鍍鋅鋼高。

1.4 純銅和銅覆鋼

純銅由于其腐蝕電位高，因此相對于鍍鋅鋼在堿性土壤和中性土壤地區(qū)具有更好的耐蝕性。此外，由于純銅的熔點比金屬鋅高660℃左右，且導電率高，因此將銅作為接地體具有更高的熱穩(wěn)定系數。目前，純銅作為接地體的形式主要包括銅排、銅棒、銅絞線等，既可以作為水平接地體也可以作為垂直接地體。但其采購價格較高，且為重金屬，對環(huán)境有一定影響，酸性土壤中，其耐蝕性與鍍鋅鋼相比無明顯優(yōu)勢［8］。

銅覆鋼是以純銅的替代品為目標發(fā)展起來的，以碳鋼為芯，在鋼芯表面包覆銅層。利用電流的趨膚效應，在保證導體表層導流的同時大幅降低了純銅用量，降低了成本。目前國內常用的銅覆鋼生產工藝包括:冷拉銅覆鋼、電鍍銅覆鋼、連鑄銅覆鋼。銅覆鋼接地體的特點為:耐蝕性與純銅接地體相當，熱穩(wěn)定系數介于純銅與鍍鋅鋼之間，價格與純銅相比有一定優(yōu)勢，但仍比鍍鋅鋼價格高。

1.5 其他接地材料

除上述常用的交流接地金屬材料外，目前還出現了以碳鋼為基礎的錫包鋼、鋅包鋼、鉛包鋼、耐酸性土壤腐蝕鋼等，但都處于研發(fā)或試點應用狀態(tài)，并未廣泛采用。

幾種常用金屬接地材料的具體參數價格見表2［4］。

表2 常用接地材料參數Tab.2 Parameters of general grounding materials

上述用于接地極的材料，同樣可用于設備與接地極的連接線，接地線一般應用形式包括:絞線、圓線、帶、排等。由表1可知，不銹鋼的熔點最高、腐蝕電流最小，但其導電率過低;軟銅的熔點較高、導電率高，因此其熱穩(wěn)定系數最高;而銅覆鋼的導電率和熱穩(wěn)定系數介于軟銅和鍍鋅鋼之間，熱鍍鋅鋼的導電率高于不銹鋼，但其使用溫度最低，僅為400℃，因此熱穩(wěn)定系數最低。

在應用環(huán)境中，鍍鋅鋼是短期投資最小的接地材料，在酸性土壤中耐腐蝕性能與紫銅或銅覆鋼相近，但在中性及堿性土壤地區(qū)其耐蝕性不及紫銅或銅覆鋼接地材料;不銹鋼的價格介于鍍鋅鋼與銅覆鋼之間，但由于其導電率低，因此截面積較大，實際投入成本較大。不銹鋼的腐蝕電流小，適用范圍較廣，作為接地材料可適用于全部土壤;其他新型接地材料如鋁包鋼、鋅包鋼、錫包鋼、耐酸性土壤腐蝕鋼等還未廣泛應用，因此不具示范性。

2 連接方法

2.1 機械連接

機械連接主要指通過螺栓或壓接線夾(夾具)進行連接，多用于接地線與接地體或者接地線與建筑體、設備之間的連接。通常壓接線夾(夾具)與螺栓配合使用。機械連接的特點為:(1)結構及施工簡單;(2)壓接線夾形式多樣，有一字連接、十字連接等多種形式，線夾上一般有螺栓孔，便于線夾與設備或建筑體通過螺栓、墊圈進行連接;(3)應用廣泛，幾乎可應用于所有種類接地體與接地線的連接。

機械連接用材主要包括:各類設備線夾、夾具和螺栓。

2.2 電弧焊

由于國內大量應用鍍鋅鋼作為接地材料，而電弧焊是連接鍍鋅鋼最為適宜的方法，因此其應用較為廣泛［9］。

電弧焊的特點為:(1)設備簡單，維護方便，焊接時不需要復雜的輔助設備，只需配備簡單的輔助工具;(2)操作靈活，適用性強。電弧焊適用于焊接少量或批量的接頭，在狹小、不規(guī)則、任意的位置處焊接，可達性好，便于野外作業(yè)。

但是在接地網的連接上，電弧焊也有以下缺點: (1)接頭可靠性差，所有焊縫均為線連接，母材附近熱影響區(qū)組織粗大，在腐蝕介質與電流的共同作用下極易發(fā)生腐蝕失效，因此國家電網公司在18項電網重大反事故措施中要求接地網開挖期限不超過5年［10］;(2)勞動條件差，對焊工操作技術要求高，隨機性較大;(3)生產效率低;(4)接頭需做焊后防腐處理，如采用防腐涂料、瀝青等進行涂覆。

2.3 氣體保護焊

氣體保護焊的種類較多，包括熔化極氣體保護焊和非熔化極氣體保護焊，保護氣體包括氬氣(Ar)、氦氣(He2)、二氧化碳(CO2)等。在接地連接領域中，氣體保護焊主要用于不銹鋼(1Cr18Ni9Ti鋼、304不銹鋼、316不銹鋼)接地材料的連接，焊接設備主要采用鎢極氬弧焊。

鎢極氬弧焊的特點為:(1)作為保護氣體不發(fā)生任何化學反應，焊接過程中的冶金反應容易控制，焊接中不需要使用焊劑，焊后不需要去除焊渣;(2)焊接工藝性能好，焊接過程無飛濺物，焊縫成形美觀; (3)電弧具有陰極清理作用;(4)熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調整。

用于不銹鋼接地極的鎢極氬弧焊，也具有缺點及局限性:(1)焊接速度較慢，焊接生產率較低;(2)對工件表面狀態(tài)要求較高;(3)需采取防風措施;(4)采用的氬氣較貴，且氬弧焊機復雜，生產成本較高。

鎢極氬弧焊針對常用的3種不銹鋼接地材料，可選焊材分別為:H1Cr18Ni9Ti鋼、ER308/H/L鋼、ER316/H/L鋼。

2.4 釬焊

釬焊主要應用于早期純銅接地極和銅覆鋼接地極的連接，由于使用較為昂貴的銅銀釬料，且附件較多，目前已經很少使用。在野外焊接中，往往采用火焰釬焊作為焊接熱源。

由于加熱溫度較低，因此釬焊對工件材料的性能影響較小，焊件的應力變形也較小。但釬焊接頭的強度一般比較低，耐熱性能較差?；鹧驸F焊的缺點是:純手工操作，焊接時依賴工人操作技術和經驗，此外火焰釬焊為局部加熱，可能在母材中引起應力或變形。

依據接地材料的熔點和成分，可以選擇Cu-Zn釬料、Cu-P釬料、銀基釬料進行焊接。由于銀基釬料的潤濕性最好，所以往往采用銀基釬料進行焊接，但其價格相對較高，這限制了其在接地領域的推廣應用。

2.5 放熱焊

放熱焊是伴隨純銅接地材料的應用而發(fā)展起來的一種焊接方法，最早出現在19世紀德國，由于還原劑為鋁，所以也稱為鋁熱焊。放熱焊是指利用金屬氧化物和鋁之間的氧化還原反應所產生的熱量，進行熔融金屬母材、填充接頭而完成焊接的一種方法［5，11］。

放熱焊的特點為:(1)接頭具有冶金結合的整體熔合;(2)接頭熔點高(1 083℃);(3)耐蝕性良好。銅自身具有較高的電極電位，接頭銅含量為90%左右，耐蝕性優(yōu)良;(4)焊接工藝、配套工具簡單，可適合野外作業(yè)，無需電源、熱源等輔助措施，可單人操作;(5)接頭質量穩(wěn)定，通過固定規(guī)格模具、鋁熱劑進行焊接，接頭質量重復性好，不受人為技術因素干擾。

放熱焊具有以下缺點:焊縫金屬為較粗大的鑄造組織，韌性、塑性較差;在實際焊接過程中常發(fā)生母材與接頭端口交匯處開裂現象。

根據母材不同，需要有針對性地選擇焊接工藝，各種焊接方式及其具體參數見表3。

表3 各焊接工藝特點對比Tab.3 Performance comparison of welding process

3 接地材料及連接方法的選擇

接地材料的種類、特性各不相同，連接方法、工藝迥異，因此需要綜合考慮投資成本、服役環(huán)境、服役設計壽命等因素。根據材料和連接方式特點進行應用方案選擇。目前較為適宜的選擇、匹配方式見表4。

表4 不同環(huán)境下的焊材及工藝匹配Tab.4 Welding material and process match in different service condition.

4 結論

在酸性土壤腐蝕地區(qū)，出于經濟性考慮，可采用鍍鋅鋼作為接地材料，其連接方式可采用電弧焊;對于可靠性要求較高的工程，可采用不銹鋼或耐酸性土壤腐蝕鋼作為接地材料，其連接方式可采用氣保護焊或放熱焊;在中性或堿性土壤地區(qū)，3類接地材料均可選擇，但對可靠性和散流要求較高的工程，可采用純銅或銅覆鋼接地材料，其連接方式可采用放熱焊或釬焊;而對可靠性要求較高但散流要求不高的工程，可采用不銹鋼作為接地材料，其連接方式可采用氣體保護焊。

［1］DL/T 621—1997交流電氣裝置的接地［S］.

［2］GB 50169—2006電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范［S］.

［3］楊小光.變電站接地系統(tǒng)降阻方案及接地材料選擇［D］.北京:華北電力大學，2011.

［4］GB 50065—2011交流電氣裝置的接地設計規(guī)范［S］.

［5］孔綱，盧錦堂，許喬瑜.熱鍍鋅鋼的研究進展［J］.電鍍與涂飾，2005，24(9):49-52.

［6］董彩常，楊朝暉，張波，等.304不銹鋼在鹽湖鹵水中的腐蝕行為［J］.材料保護，2011，34(9):32-34.

［7］張勝寒，賈偉，郭彥磊，等.304不銹鋼晶間腐蝕的研究［J］.汽輪機技術，2011，53(3):236-238.

［8］方靜，陳海焱.變電站接地的現狀及相關設計技術的探討［J］.華東電力，2009，37(12):2010-2014.

［9］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊第1卷:焊接方法及設備［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［10］國家電網公司.國家電網公司十八項電網重大反事故措施:修訂版［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［11］李志尊，辛文彤，胡仁喜，等.焊條成形工藝對手工自蔓延焊接的影響［J］.焊接學報，2010，12(31):81-84.