江蘇電網(wǎng)接地問題探討

楊慶剛

(江蘇省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇南京210008)

隨著電力建設(shè)的發(fā)展，對變電所接地設(shè)計的要求越來越高。長期、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的接地系統(tǒng)，是維持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、保證設(shè)備和人員安全的根本保障，符合國家所提出的可持續(xù)發(fā)展、變電站全壽命管理的宗旨，我國傳統(tǒng)接地體均采用鋼材質(zhì)。在建國初期，國外的封鎖以及本身銅儲量不足，為節(jié)約有色金屬，并參照前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，在20世紀(jì)50～60年代提出“以鋼代銅，以鋁代銅”，至此開始選用鋼材作為主要的接地材料，并沿用至今，其鋼材的應(yīng)用，有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗，積累大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)。隨著時間的推移，鋼接地網(wǎng)使用量越來越多，鋼接地網(wǎng)顯現(xiàn)一定的缺點(diǎn)，于是出現(xiàn)采用純銅、鍍銅材料作為接地體的意見。但是目前用銅材接地網(wǎng)未經(jīng)嚴(yán)格論證,對使用銅材缺乏全面正確地了解和論證，近期反對采用銅材接地網(wǎng)的意見也存在。

1 江蘇電網(wǎng)接地材料的現(xiàn)狀

1.1 鋼材接地網(wǎng)的應(yīng)用情況

目前江蘇電網(wǎng)接地材料大部分均采用鋼材質(zhì)。20世紀(jì)80年代前，江蘇電網(wǎng)接地材料就采用沒有防腐處理的鋼材質(zhì)。90年代后，反措要求采用熱鍍鋅防腐處理的鋼接地網(wǎng)[1]。江蘇省電力公司[2003]1097號文，對采用熱鍍鋅防腐處理的鋼接地網(wǎng)，水平接地體、接地引下線的鋼材截面有詳細(xì)的規(guī)定。由于鋼比銅便宜很多，在與銅相同截面時，鋼比銅超過2倍的機(jī)械強(qiáng)度；可以采用熱鍍鋅防腐處理，減慢腐蝕速度；有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗，積累大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)。因此鋼接地網(wǎng)在江蘇電網(wǎng)得到最廣泛的應(yīng)用。

1.2 銅材接地網(wǎng)的應(yīng)用情況

純銅接地網(wǎng)，由于造價昂貴，僅在極少數(shù)變電站采用，如500 kV武南（晉陵）變電站。為了克服純銅接地網(wǎng)造價昂貴問題，近來江蘇有一些地區(qū)開始采用鍍銅材料作為接地體。

1.3 “陰極保護(hù)防腐蝕”接地網(wǎng)的應(yīng)用情況

防腐技術(shù)中一項重大技術(shù)措施是 “陰極保護(hù)防腐蝕”，也稱“犧牲陽極保護(hù)”[2]。任何金屬材料都有其固有的電極電勢，一般用電極電勢Eq低的全屬做犧牲陽極,保護(hù)陰極上電極電勢高的金屬，形成腐蝕電池，腐蝕陽極上金屬，保護(hù)陰極上金屬。鋅的電極電勢Eq=-0.761 8 V，鐵的電極電勢Eq=-0.447 V，銅的電極電勢Eq=-0.341 9 V，鋅Eq比鐵Eq低，比銅Eq更低，因而鋅可作犧牲陽極保護(hù)鐵和鋼。江蘇電網(wǎng)“陰極保護(hù)防腐蝕”接地網(wǎng)應(yīng)用不多，僅在沿海如南通少數(shù)變電站堿性土壤中試驗性采用。

1.4 復(fù)合型防腐接地網(wǎng)的應(yīng)用情況

在鋼接地網(wǎng)、銅接地網(wǎng)以外，復(fù)合型防腐接地網(wǎng)是新生的一種金屬接地網(wǎng)的替代產(chǎn)品[2]。復(fù)合型防腐接地網(wǎng)有良好的導(dǎo)電性能，界于銅、鋼之間；具有較好的熱穩(wěn)定性，也界于銅、鋼之間；具有較好的附著力，對折180°涂層無脫落；特別是極強(qiáng)的防腐性能，是復(fù)合型防腐接地網(wǎng)的最大優(yōu)點(diǎn)。由于沒有運(yùn)行經(jīng)驗，目前僅在個別變電站試用。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

鋼接地網(wǎng)、銅接地網(wǎng)的技術(shù)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，經(jīng)濟(jì)比較從一次投資和年費(fèi)用方面比較。

2.1 導(dǎo)電性能

銅和鋼在20℃時的電阻率分別是 17.24×10-6Ω·mm和138×10-6Ω·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%，均遠(yuǎn)較鋼接地體好。尤其是在集膚效應(yīng)下，高頻時鍍銅鋼絞線導(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]。

2.2 熱穩(wěn)定性

鋼在與銅相同截面時，鋼比銅超過2倍機(jī)械強(qiáng)度；在相同體積時，鋼吸熱量是銅的1.36倍，并能承受更高的熔化溫度，銅熔點(diǎn)為1083℃，而鋼熔點(diǎn)為1510℃。因此接地體截面相同時，鋼材熱穩(wěn)定性更好[3]。

2.3 耐腐性

接地體的腐蝕是非常復(fù)雜的問題，不能簡單地說銅材比鋼材好[4-6]。

（1）銅接地體在堿性土壤中的耐腐性優(yōu)于鋼接地體。接地體的腐蝕主要有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕2種形式，在多數(shù)情況下，這2種腐蝕同時存在。銅在堿性土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10，而且電氣性能和物理性能穩(wěn)定。銅的表面會產(chǎn)生附著性極強(qiáng)的氧化物（銅綠），對內(nèi)部的銅有很好的保護(hù)作用，阻斷腐蝕的形成。鋼材是逐層腐蝕，鍍鋅層具有一定的抗腐蝕性，但是作用非常的有限。鋼接地體接頭和鋼接地體本身在腐蝕的過程中會出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕情況，鋼材點(diǎn)腐蝕的速度是均勻腐蝕速度的4至60倍，正是由于點(diǎn)腐蝕的存在，所以無法通過增加鋼接地截面積的方式來增加其使用年限；銅不存在點(diǎn)蝕情況，壽命較長。

目前我國變電所接地系統(tǒng)均存在不同程度的腐蝕問題，特別是有些運(yùn)行十年以上的變電所，腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。盡管在設(shè)計時，設(shè)計人員已通過增大接地體截面的方法來考慮30年的防腐問題，在實際運(yùn)行中也采用部分開挖和測量接地電阻等方法來檢測腐蝕問題。但由于實際腐蝕情況非常復(fù)雜，以及鋼與銅的腐蝕機(jī)理不同，實施效果不太理想?？梢?，銅接地體在堿性土壤中的耐腐性顯著優(yōu)于鋼接地體。

（2）銅材接地網(wǎng)對鄰近構(gòu)架鋼材造成嚴(yán)重腐蝕。如果用銅作接地網(wǎng)材料,而接地網(wǎng)附近有很多混凝土和鋼構(gòu)件及地下電纜管道等，這些鋼材電極電勢比銅低很多，結(jié)果形成鐵為陽極,銅為陰極的腐蝕電池，再加上構(gòu)架上母線泄漏電流，經(jīng)鋼材流入地下銅接地網(wǎng)，又形成電解腐蝕。這時鋼構(gòu)架成為犧牲陽極，銅接地網(wǎng)成為被保護(hù)陰極，因而加速構(gòu)架鋼材和混凝土內(nèi)鋼筋及地下管道電纜的腐蝕，這就成為變電站的事故隱患。 有人認(rèn)為，在混凝土構(gòu)架中,混凝土對鋼筋有保護(hù)作用，事實上鋼筋混凝土仍有部份導(dǎo)電性，有導(dǎo)電性就存在腐蝕，為了防止混凝土中鋼筋腐蝕，國外有很多資料及專利。更嚴(yán)重的是混凝土中鋼筋腐蝕后很難檢測，將形成重大事故隱患。

（3）銅材在酸性土壤中防腐性比鐵差。任何金屬對不同介質(zhì)都有不同的腐蝕性能，銅對堿性介質(zhì)有較好的防腐性能，但對酸性介質(zhì)防腐性能較差。銅在硫酸中就腐蝕非?？?。地面土壤成份是復(fù)雜的，有堿性的也有酸性的，由于大氣中的酸雨及土壤中植物腐爛，都形成酸性土壤。不能將銅在堿性土壤中比鐵耐腐蝕強(qiáng)3倍，就推論到酸性土壤中也比鐵強(qiáng)3倍。

2.4 經(jīng)濟(jì)比較

華東電力設(shè)計院對江蘇電網(wǎng)的一個220 kV變電所的鍍銅鋼接地方案、鋼接地方案和純銅接地方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，取鋼接地網(wǎng)的實際使用壽命為15年，銅接地網(wǎng)與鍍銅接地網(wǎng)的使用壽命為40年，按照近期市場上現(xiàn)貨鍍鋅鋼、純銅和鍍銅鋼的價格，現(xiàn)貨銅絞線的價格為63 768元/t，鍍鋅鋼（Q235材質(zhì)，采用熱鍍鋅工藝）的價格為7250元/t。最終結(jié)果[7]如表1所示。

表1 220 kV變電所銅接地與鋼接地經(jīng)濟(jì)評價

（1）鋼接地方案總靜態(tài)投資70.8萬元，純銅接地方案總靜態(tài)投資142.3萬元，鍍銅接地方案總靜態(tài)投資126.1萬元。鋼接地方案的總靜態(tài)比鍍銅鋼接地方案的總靜態(tài)投資只降低了43.8%；但是銅接地方案的總靜態(tài)投資比鋼接地方案的總靜態(tài)投資提高了100%，接地網(wǎng)的壽命由原來的15年提高到了40年。

（2）從年費(fèi)用的角度來考慮，鋼接地方案的年費(fèi)用為14.04萬元，銅接地方案的年費(fèi)用為12.67萬元，鍍銅接地方案的年費(fèi)用為11.23萬元。所以，從年費(fèi)用的角度來考慮，鍍銅接地網(wǎng)的年費(fèi)用是最低的，而鋼接地網(wǎng)的年費(fèi)用是最高的。

由上可見，鍍銅鋼接地方案的年費(fèi)用較鋼接地方案和銅接地方案低。因此，采用鍍銅接地方案，其經(jīng)濟(jì)性更好。

3 覆鋼接地網(wǎng)的特性要求

銅覆鋼材料，目前主要有3種工藝生產(chǎn)：（1）連鑄，將處理干凈并加熱到一定溫度的鋼材快速通過加熱融化的電解銅液，銅液在鋼材表面結(jié)晶的加工工藝。一般銅層厚度可達(dá)到0.25mm。（2）套管冷拉，將處理干凈的鋼材插入紫銅管內(nèi)，利用直拉機(jī)拉絲模的束緊力將銅管束緊在鋼材外表面的加工工藝。一般銅層厚度可達(dá)到0.8mm，但是銅層覆于鋼材上的牢固性較差，特別是在彎曲時易分離。（3）電鍍，利用電解原理在處理干凈的鋼材表面上鍍上銅層的加工工藝。一般銅層厚度小于0.25mm，鍍層較薄。

4 相關(guān)規(guī)程

（1）國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》[8]規(guī)定，要求各類銅覆鋼材的銅層厚度不應(yīng)小于0.25mm。

（2）國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q／GDW 466—2010《電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件》[9]規(guī)范，電氣工程接地用銅覆鋼，銅必須完全、均勻、牢固地覆于鋼材上。

（3）《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》（修訂版）要求：在強(qiáng)堿性土壤、地下水會引起鋼材嚴(yán)重腐蝕的中性土壤地區(qū)，宜采用銅質(zhì)、銅覆鋼(銅層厚度不應(yīng)小于0.8mm)或者其他具有防腐性能材質(zhì)的接地網(wǎng)。對于室內(nèi)變電站及地下變電站應(yīng)采用銅質(zhì)材料的接地網(wǎng)。

（4）國家電網(wǎng)公司部門文件 《關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范輸變電工程接地設(shè)計有關(guān)要求的通知》要求，用于接地工程的銅覆鋼材的銅層厚度不應(yīng)小于0.8mm。

綜上所述，銅覆鋼接地網(wǎng)宜采用連鑄加工工藝、銅層厚度為0.25mm以上的銅覆鋼材料。

5 結(jié)束語

銅材接地網(wǎng)存在較多問題,關(guān)鍵是對附近構(gòu)架中的鋼材產(chǎn)生腐蝕,對變電站帶來隱患；銅接地網(wǎng)僅在堿性土壤中防腐蝕性能比鐵好,銅在酸性土中防腐蝕性能比鐵差；銅材價格比鐵高五倍,銅是戰(zhàn)略物資,我國是缺銅國家；江蘇電網(wǎng)使用鋼接地網(wǎng)巳有六十多年經(jīng)驗,銅材接地網(wǎng)使用只有十年歷史。接地網(wǎng)材質(zhì)選擇是復(fù)雜的問題，不能只看一次性投資，也不能只看年費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，還要看在不同土壤中的抗腐蝕性、運(yùn)行經(jīng)驗等指標(biāo)。江蘇土壤復(fù)雜，有山區(qū)丘陵、沿海、沿江、平原等，因此江蘇電網(wǎng)不能盲目推廣銅或銅覆鋼接地網(wǎng)。在江蘇沿海堿性土壤地區(qū)，如連云港、鹽城、南通地區(qū)的室內(nèi)變電站，可以采用銅質(zhì)材料的接地網(wǎng)。江蘇其他地區(qū)的變電站，宜采用熱鍍鋅鋼接地網(wǎng)。如采用銅覆鋼接地網(wǎng)，宜采用連鑄加工工藝、銅層厚度為0.25mm以上的銅覆鋼材料。

[1]國家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部.國家電網(wǎng)十八項電網(wǎng)重大反事故措施[S].北京：中國電力出版社，2012.

[2]閻 東，寇曉適，張 科，等.變電站地網(wǎng)防腐新材料及陰極保護(hù)實施關(guān)鍵技術(shù)[J].水電能源科學(xué)，2011，28(11)：152-154.

[3]陳健生.銅材接地網(wǎng)的危害[R].2012.

[4]楊 明，程 好.鹽堿環(huán)境中變電站接地體材料的腐蝕行為研究[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32(6)：69-72.

[5]鄭敏聰，陳自年，李建華.大型變電站姐弟裝置腐蝕規(guī)律及防腐[J].華東電力，2009，37(9)：1463-1467.

[6]徐 華，文習(xí)山，李中建，等.大型變電站鋼材和銅材接地網(wǎng)的性能比較[J].高電壓技術(shù)，2004，30(7)：18-19，63.

[7]中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計院.220 kV滄浪變電所接地專題[R].2011.

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

[9]Q／GDW 466—2010，電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件[S].