余朝勝，鄭智光

(福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003)

1 概述

由于線路的雷擊閃絡(luò)率與鐵塔塔形、接地電阻及線路沿線地形等諸多因素有關(guān)，它們影響著直流線路的繞擊閃絡(luò)率和反擊閃絡(luò)率，進(jìn)而決定線路的防雷性能。接地系統(tǒng)是維護(hù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，保障人身和設(shè)備安全，防止雷電和靜電危害等必不可少的措施。輸電線路桿塔良好的接地是確保故障電流順利泄放，且不產(chǎn)生高電位差危及設(shè)備和人身安全的重要保障。在輸電線路鐵塔保護(hù)角已經(jīng)確定的情況下，提高接地裝置使用壽命；在雷擊輸電線路桿塔時(shí)，為了導(dǎo)泄雷電流入地以減小塔頂電位，需對(duì)桿塔接地電阻進(jìn)行限制等措施。

2 工程概況

寧東(靈州)—浙江(紹興)特高壓直流輸電線路(以下簡(jiǎn)稱寧浙線)長(zhǎng)約1720 km，途經(jīng)寧夏、陜西、山西、河南、安徽、浙江6省(自治區(qū))，桿塔所處的位置不同，土壤及地下水的腐蝕程度也存在差異。本工程在寧夏地區(qū)的約7 km位于鹽中腐蝕地段，安徽及浙江省界附近土壤電阻率較大。因此對(duì)不同地區(qū)不同土壤的腐蝕情況的桿塔需采用不同的接地措施。

3 常用接地裝置方案

對(duì)于本工程的腐蝕地段、安徽與浙江省界線路部分桿塔的接地電阻高于2000Ω·mm，該段為全線反擊閃絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)，宜盡可能減小桿塔的接地電阻。目前對(duì)于善接地電阻的措施，常用的接地裝置有鍍鋅圓鋼＋接地模塊(以下簡(jiǎn)稱接地模塊)、鍍鋅圓鋼＋離子接地極(以下簡(jiǎn)稱離子接地極)。

接地模塊的優(yōu)點(diǎn)是近年來(lái)已應(yīng)用于多條500 kV及220 kV線路，對(duì)于部分少雨、地質(zhì)較差地區(qū)，能有效降低接地電阻。缺點(diǎn)是部分地形狹窄，敷設(shè)場(chǎng)地受限的塔位，采用模塊數(shù)量過(guò)多，使用很不方便且降阻不明顯；接地模塊與金屬導(dǎo)體的連接部分較容易發(fā)生腐蝕。

離子接地極的優(yōu)點(diǎn)是安裝方便；電極單元水平安裝，開(kāi)挖量少。缺點(diǎn)是巖石地基開(kāi)挖困難，其電介質(zhì)及離子緩釋材料，對(duì)自身金屬部分有腐蝕作用，對(duì)土壤及周邊環(huán)境造成破壞。

對(duì)于易腐蝕地段及特殊地段目前采用的新型接地裝置是銅覆鋼接地裝置。

4 銅覆鋼接地裝置

4.1 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)局NBS銅覆鋼的腐蝕性研究，從1910年到1955年，實(shí)施一個(gè)大規(guī)模的地下腐蝕的研究。這個(gè)研究中包括了在全美國(guó)的128個(gè)測(cè)試地點(diǎn)采集的36500個(gè)樣本，代表了333種不同的鐵的，有色金屬的和具有保護(hù)鍍層的材料。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)室的專家認(rèn)為，只有電鍍銅厚度為0.25 mm的鋼棒以及不銹鋼棒的抗腐蝕速度可以被接受。另外，從8～13年在43種不同土壤中銅試品的測(cè)試結(jié)果中的41 種計(jì)算，得到30年的平均點(diǎn)蝕深度為0.17 mm，因此一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都將銅覆鋼棒的銅鍍層的要求確定為至少0.25 mm，包括英國(guó)BS7430和美國(guó)的UL467。目前國(guó)網(wǎng)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件》Q/GDW466—2010，已于2011年6月2日開(kāi)始實(shí)施。銅覆鋼材料連接應(yīng)采用放熱焊接型式，放熱焊劑應(yīng)滿足《接地裝置放熱焊接技術(shù)導(dǎo)則》(Q/GDW 467—2010)技術(shù)要求。

目前國(guó)內(nèi)輸電線路接地裝置大多采用經(jīng)熱鍍鋅防腐的Φ12圓鋼，在土壤腐蝕較嚴(yán)重的區(qū)域則采用抗腐蝕性強(qiáng)的銅覆鋼。銅覆鋼具有導(dǎo)電性能好、抗腐蝕性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高以及電阻率小的特性，僅在土壤中含有高量的有機(jī)硫化物和高酸性時(shí)，銅才會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕，當(dāng)銅層達(dá)到一定厚度時(shí)使用壽命超過(guò)30年。銅覆鋼作為替代銅材料的一種新型接地材料為腐蝕嚴(yán)重地區(qū)線路、不易更換接地裝置地區(qū)的接地型式設(shè)計(jì)提供了新的選擇。

4.2 材料特點(diǎn)

鍍銅鋼接地裝置是在圓鋼的鋼芯外表面先鍍鎳，以增強(qiáng)銅分子的電鍍緊密性；然后采用先進(jìn)的電鍍工藝鍍上銅層，以確保鋼芯表面銅層厚度均勻(需達(dá)到國(guó)際UL467 規(guī)定)。電鍍后的銅與鋼要求為分子滲透，達(dá)到結(jié)合緊密，隨意彎折刮擦銅層不剝落的效果。銅和鋼在20?C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)電率銅覆鋼圓線導(dǎo)電率為30%，40%導(dǎo)電率銅覆鋼圓線導(dǎo)電率為40%，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。銅的熔點(diǎn)為1083?C，短路時(shí)最高允許溫度為450?C；而鋼的熔點(diǎn)為1510?C，短路時(shí)最高允許溫度為400?C。因此，接地體截面相同時(shí)，銅覆鋼接地材料熱穩(wěn)定性更好。

根據(jù)《電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件》附錄D，銅包覆鋼在不同土壤中的腐蝕速度按見(jiàn)表1的參考值計(jì)算。

表1 腐蝕速度 單位 ( mm/a)

按使用壽命在30年，鍍銅厚度0.254 mm滿足在Ⅲ極強(qiáng)腐蝕腐蝕等級(jí)要求。

銅覆鋼的優(yōu)點(diǎn)：銅層與鋼棒達(dá)到分子型結(jié)合，接地棒深入土壤時(shí)，不會(huì)彎曲、破裂；銅層均勻，含銅純度高，鋼芯強(qiáng)度高；耐腐蝕性強(qiáng)，不會(huì)脫節(jié)、翹皮、開(kāi)裂；④導(dǎo)電性能好，電氣性能穩(wěn)定；采用銅覆鋼接地體可以減少土石方的開(kāi)挖及青苗賠償，同時(shí)由于接地網(wǎng)的接地體銹蝕情況減少，提高了設(shè)備整體的運(yùn)行安全性；運(yùn)用新型接地材料，其設(shè)計(jì)降阻效率高，對(duì)于高電阻地段設(shè)計(jì)中減少了1/3水平接地體的長(zhǎng)度，使土方的開(kāi)挖量大為減少；設(shè)計(jì)使用放熱焊接工藝，非常適合野外施工的需求，大大提高了工作效率，有效縮短了施工工期。銅覆鋼的缺點(diǎn)是工藝要求高，生產(chǎn)成本高，尤其是設(shè)備投資大；山地輸運(yùn)及施工過(guò)程摩擦損壞銅層。

4.3 接地裝置圖

對(duì)于接地電阻高于2000Ω·mm的地段，目前一般在鍍鋅圓鋼水平射線的基礎(chǔ)上增加接地模塊與離子接地極的方案，而銅覆鋼接地裝置采用的是銅覆鋼水平射線+銅覆鋼垂直接地棒+煅燒石油焦炭(以下簡(jiǎn)稱銅覆鋼)，以電阻6000Ω·mm接地裝置為例，三者的接地裝置見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 接地模塊裝置圖

圖2 銅覆鋼接地裝置圖

圖3 離子接地極裝置圖

4.4 施工工藝

銅覆鋼接地裝置的水平敷設(shè)與普通鍍鋅圓鋼的施工方案是一樣的。對(duì)于河網(wǎng)泥沼、水田、開(kāi)發(fā)區(qū)等接地體更換比較困難的地段，一般考慮直接用銅覆鋼圓鋼替換鍍鋅圓鋼，其接地方案與鍍鋅圓鋼方案及施工方案基本類似，主要區(qū)別是銅覆鋼水平接地體之間的連接采用放熱焊焊接。

銅覆鋼接地裝置的針對(duì)山地巖石較多的地方，在水平接地體每隔10 m增加1處垂直接地棒(總長(zhǎng)5 m，一般由兩根組裝而成)。按不同的地質(zhì)情況可采用氣動(dòng)鑿巖機(jī)、內(nèi)燃式鑿巖機(jī)或液壓潛孔鉆機(jī)等小型便攜鉆孔設(shè)備進(jìn)行打孔，垂直接地棒施工流程主要是：① 首先，開(kāi)挖一直徑為Φ50.5 mm，深度為5 m的孔，通常采用氣動(dòng)鑿巖機(jī)或內(nèi)燃鑿巖機(jī)進(jìn)行施工。具體尺寸嚴(yán)格依據(jù)方案設(shè)計(jì)；② 將少量的混水?dāng)嚢杈鶆虻撵褵徒固款惤底璨牧瞎嗳肟椎?，條件允許可采用壓力灌漿設(shè)備進(jìn)行壓力灌漿；③ 將垂直接地棒插入孔內(nèi)，且保持垂直狀態(tài)，繼續(xù)灌入攪拌均勻的降阻材料，直至將深孔完全灌滿、密實(shí)，且不再下沉為止。

考慮到銅覆鋼材料易被偷盜，建議露出地面的接地引下線采用鍍錫防盜

5 全壽命周期分析

全壽命周期成本( Life Cycle Costs，LCC )管理，是指從設(shè)備、項(xiàng)目的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，全面考慮設(shè)備、項(xiàng)目或系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、購(gòu)置、安裝、運(yùn)行、維修、改造、更新，直至報(bào)廢的全過(guò)程，即從整個(gè)項(xiàng)目生命周期出發(fā)進(jìn)行思考，側(cè)重于從項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)等各階段全部造價(jià)的確定與控制，使LCC最小的一種管理理念和方法。

5.1 一次投資費(fèi)用分析

本工程主要在土壤電阻率高電阻地段，射線加垂直接地極的接地裝置型式對(duì)設(shè)備故障時(shí)工頻泄流有作用，以下分別采用接地模塊、離子接地極和銅覆鋼＋煅燒石油焦炭(以下簡(jiǎn)稱銅覆鋼)進(jìn)行比較，其中銅覆鋼接地圓鋼單價(jià)按40元/m，銅覆鋼垂直接地棒單價(jià)按90元/m，接地模塊按400元/塊，離子接地極按1800元/套，土石方單價(jià)按70元/m3，鍍鋅圓鋼綜合價(jià)按5800元/t考慮，接地模塊接地裝置和離子接地極接地裝置使用壽命按20年，銅覆鋼接地裝置按使用壽命按30年，資金折現(xiàn)率取8%，施工安裝等費(fèi)用按設(shè)計(jì)定額取費(fèi)，暫不考慮因減少占用土地而減少的青苗賠償或林木砍伐費(fèi)用。經(jīng)計(jì)算各方案一次投資費(fèi)用見(jiàn)表2和圖4。

表2 一次投資費(fèi)用比較 (單位：萬(wàn)元/基)

圖4 不同土壤電阻率時(shí)一次投資費(fèi)用比較

從圖4及表2的一次投資費(fèi)用可以看出，銅覆鋼接地裝置的費(fèi)用最高，離子接地極次之，接地模塊最低。

5.2 全壽命周期費(fèi)用分析

寧浙線對(duì)采用接地模塊與離子接地極的考慮全壽命周期的投資費(fèi)用分析，對(duì)于高電阻地段一般情況下不考慮中、強(qiáng)腐蝕情況，由于接地模塊、離子接地極的水平接地射線均采鍍鋅圓鋼，在大于2000Ω·mm的地區(qū)一般為山地或高山大部分為微弱或弱腐蝕，本次經(jīng)濟(jì)比較時(shí)根據(jù)沿線電力公司的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其使用壽命按20年，銅覆鋼使用壽命按30年進(jìn)行年費(fèi)用分析比較。經(jīng)計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 年費(fèi)用比較 (單位：萬(wàn)元/基)

圖5 不同土壤電阻率時(shí)年費(fèi)用比較

由表3及圖5可知，銅覆鋼接地裝置的經(jīng)濟(jì)性由于接地模塊及離子接地極。

同時(shí)根據(jù)圖5可知，當(dāng)土壤電阻率大于2000Ω·mm時(shí)，離子接地極＜接地模塊＜銅覆鋼，即采用銅覆鋼接地裝置最經(jīng)濟(jì)。從比較數(shù)據(jù)也可以看出土壤電阻越高，銅覆鋼接地優(yōu)勢(shì)越明顯。另外表3未考慮林木砍伐費(fèi)用，由于采用鍍鋅鋼接地采用水平接地方式，接地溝槽開(kāi)挖面積大，而銅覆鋼采用水平加垂直接地方式，開(kāi)挖范圍較小，考慮政策處理費(fèi)用增加因素，銅覆鋼與接地模塊、離子接地極接地的初次投資的費(fèi)用差將更小。

6 結(jié)論及建議

銅覆鋼接地裝置在于防腐蝕增加使用年限及減少運(yùn)行維護(hù)和青苗賠償、林木砍伐等方面具有的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于上述對(duì)±800 kV寧浙線通過(guò)年費(fèi)用分析表明銅覆鋼接地裝置在全壽命周期內(nèi)較優(yōu)具有經(jīng)濟(jì)性，可滿足國(guó)網(wǎng)公司資源節(jié)約型和環(huán)境友好型電網(wǎng)的要求。

由于銅覆鋼接地裝置在特高壓輸電線路未有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議如下：①對(duì)于接地裝置露出地面的接地引下線部分表面應(yīng)鍍錫防盜；②根據(jù)線路在土壤腐蝕程度，若選用銅覆鋼材料，應(yīng)根據(jù)電化學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果加大銅層厚度或加大截面積；③適用范圍建議對(duì)局部高電阻、中強(qiáng)腐蝕或接地裝置更換困難等地段進(jìn)行試用，以進(jìn)一步積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后推廣。

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