銅材料在輸電線路防雷接地中的應用

康淑豐，楊 陽，張明旭，耿三平，劉 遠，王震洲

（1.國網河北省電力公司檢修分公司，河北石家莊 051000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050051；3.河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018）

當前，電網規(guī)模不斷擴大，輸電線路運行維護里程長，范圍廣，輸電容量日益增加，線路走廊環(huán)境復雜，地質條件多樣，氣候差異較大，許多沿海和山區(qū)線路處于腐蝕嚴重的地質區(qū)域，導致接地網連接部分腐蝕加速，這些地區(qū)遇有雷電活動時，防雷接地對于輸電線路的安全穩(wěn)定運行至關重要［1－4］。隨著國家對智能電網要求的提出，電網發(fā)展向著小型智能網絡化發(fā)展。在接地網設計中接地網向著小面積發(fā)展，故接地電阻要達到運行要求，對接地材料導電要求越來越高［5－10］。如不對接地網材料進行升級，由雷擊造成的事故會不斷增多，影響電網安全穩(wěn)定運行。

1 接地系統(tǒng)概述

良好的接地網電阻應盡量小，接地電阻越小，雷擊電流、故障電流就越能安全地通過接地網流入大地。DL／T 621－1997和GB 50169－2006對接地電阻均有相應的要求；同時接地網應具備較好的防腐能力［11－15］。目前各供電公司運行的接地網為鍍鋅鋼地網較之以鍍銅為接地網材料的新型材料缺點比較明顯，兩者的技術參數比較如表1所示。

表1 接地極參數表Tab.1 Parameters of grounding electrodes

2 傳統(tǒng)鍍鋅接地網存在的問題

經過對國家電網各個地市公司所運行維護的接地網進行大量試驗可知，接地網普遍存在腐蝕問題，接地網的電阻隨著運行時間變久，接地電阻不斷增大，不能滿足運行要求。本次試驗抽取某省檢修公司500kV 輸電線路5 基鐵塔對電網中運行的鍍鋅接地棒進行接地網電阻的抽樣測量。利用ZC－8 型接地電阻測量儀測量其接地電阻。測量原理如圖1所示。鍍鋅接地網電阻抽樣測量數據如表2所示。

圖1 ZC－8型接地電阻測量儀測量接地電阻原理Fig.1 ZC－8grounding resistances tester

表2 鍍鋅接地網電阻抽樣測量數據Tab.2 Galvanization grounding resistances sampling results

因為傳統(tǒng)的熱鍍鋅鋼接地棒導電率只有8.6%，當輸電線路或桿塔受到雷電沖擊，有高頻電流通過接地棒時，傳統(tǒng)鍍鋅接地棒往往因為電阻過高不能滿足要求而造成線路跳閘故障。雷擊短路發(fā)生的同時，由于沖擊電流的電弧熱效應引起導地線溫升，其溫升由于電弧作用點很小溫升很高，能達到400 ℃以上，已經超過鍍鋅鋼接地棒允許通過的短路最高溫度。鍍鋅接地網的施工過程中，采用的電焊工藝為表面搭接，不僅焊接工序繁瑣且接頭中間有空隙，故接頭電阻高。鍍鋅接地網在土壤中同時受到電化學和化學腐蝕，影響其電氣性能，大幅升高了接地網的電阻值，嚴重影響輸電線路的防雷能力。

通過以上分析和試驗數據可以看出，采用鍍鋅接地棒的接地網存在電阻普遍升高，大于運行電阻要求的問題，不對接地網材料進行升級，由雷擊造成的事故將會不斷增多。

3 新型鍍銅接地棒的提出

3.1 鍍銅接地棒的性能分析

銅是優(yōu)秀的導電體，銅材料的導電率能達到100%，經試驗得出采用鋼鍍銅的材料導電率為20%，而鍍鋅鋼只能達到8.6%，其導電性能遠好于鍍鋅鋼。當遇有雷電高頻電流時，采用鍍銅接地棒沖擊接地電阻性能比采用鍍鋅鋼好很多。

通過耐腐蝕性試驗可知銅在土壤中耐腐蝕性能是鋼材的10～50倍，且電氣性能穩(wěn)定。由于銅會在其表面生成附著性極強的氧化銅，對其本體產生保護作用，能阻斷對銅本體的腐蝕。同時，銅與其他金屬共存時，作為陰極不會受到腐蝕，所以鍍銅鋼的耐腐蝕性能較之鍍鋅鋼接地棒在耐腐蝕性方面優(yōu)勢明顯。

新型水平網導體材料采用鍍銅圓鋼或呈卷裝的鍍銅扁鋼，引下線采用鍍錫銅圓鋼或鍍錫銅扁鋼。鍍銅圓鋼具有一定的柔度，其允許的彎度半徑小，拐彎方便，穿管容易，使用焊粉量較??；鍍銅圓鋼具有高機械強度，使其能夠成卷供貨，長度一般為30m／卷，質量約30kg，長度也可以根據設計需要任意裁剪，接點少，電氣性能優(yōu)異，同時有利于防腐。

3.2 鍍銅接地棒連接方式優(yōu)化設計

針對鍍鋅鋼接地棒在焊接過程中易發(fā)生虛焊的情況，鍍銅接地棒采用放熱焊接工藝。熱焊接工藝利用銅材料分子結合方式，使焊點內部無雜質和空氣，保證焊點為純銅，所以接頭電阻與導體電阻一致。

新型垂直接地體采用鍍銅鋼接地棒，垂直接地體長度可以通過連接器無限加長，依據國家電力標準DL／T 621—1997，單點垂直接地棒電阻計算公式為

由此可知，通過加大垂直接地深度使降低接地電阻成為一種可能。

在實際應用中，新型鍍銅鋼接地棒前端配有尖頭，用以擊碎風化巖層，因其截面大大小于角鋼，故垂直沖擊壓強極大，無需開挖地表，屬于微創(chuàng)式安裝。在施工中通過增加垂直接地長度就可達到降阻目的。放熱焊接工藝如圖2、圖3所示。焊接成功后效果如圖4所示。

圖2 放熱焊接工藝Fig.2 Exothermic welding process

圖4 焊接成功后鍍銅鋼接地棒Fig.4 Copper－surfaced grounding steel rod

4 應用效果

4.1 鍍銅接地棒接地效果分析

某電力公司運行維護的500kV 的Ⅰ，Ⅱ線處于沿海地區(qū)，接地體受鹽堿等腐蝕嚴重，接地體鋼筋直徑減小、甚至腐蝕斷開現象嚴重。該區(qū)段桿塔接地在原設計中采用甲1 接地形式，工頻電阻為15 Ω，經過近8年的運行，接地網腐蝕嚴重，接地狀況急需改善。故項目組選擇在N64—N121區(qū)段應用新材料鍍銅鋼接地棒進行接地改造。

2013－10－16—2013－10－18，項目組完成對N64—N121區(qū)段桿塔接地改造、驗收，經現場對接地網的檢查、測試，接地安裝工藝符合要求。2014－01—2014－04，對該區(qū)段接地電阻進行雷雨季節(jié)前的幾次測試，測試結果均小于4Ω。由于是同一地段土壤性質相同，且同樣在良好天氣下測量，所以土壤電阻率影響可以忽略。測量結果如表3所示。

表3 鍍銅接地網接地電阻數值Tab.3 Copper－surfaced grounding resistances sampling results

經過近9個月的運行表明，該線路接地改造區(qū)段運行狀況良好，接地性能穩(wěn)定可靠。項目組完成的新材料在輸電線路防雷接地中的應用效果明顯。

4.2 鍍銅接地棒使用效益比較

根據目前市場價格情況，鍍鋅扁鋼初次投入成本比較低，但整個設備設計年限材料費用加上施工費用，成本卻是最高的。純銅耐腐蝕性能較高，但價格昂貴，幾乎是鍍鋅扁鋼的2倍。對于500kV 輸電線路接地系統(tǒng)，新型鍍銅材料接地材料施工費用比傳統(tǒng)的鍍鋅鋼接地增加費用不到1／5，以單基塔為單位，鍍鋅鋼接地材料施工費用為4 000 元／基，每10年更換一次，費用為400元／（基·年）。而鍍銅材料30年只需更換一次，費用為4 800元／基，為普通鍍鋅材料的1／3，則費用為160元／（基·年），可以大大降低運行成本。目前某檢修公司共運行500 kV 線路的7 012基鐵塔，如能全部改造成新型鍍銅材料為接地材料，則年節(jié)約費用為7 012×400－7 012×160元≈168.29萬元。

新型鍍銅接地系統(tǒng)在30年內可以提供安全可靠的運行狀態(tài)，給輸電線路在雷雨季節(jié)安全運行提供保障，避免了每10年進行地網改造的工作，為輸電線路的可靠運行提供了安全保障。采用鍍銅接地棒不僅解決了因接地系統(tǒng)不合格給安全運行帶來的隱患，減少因雷電造成的線路故障，而且為電網維修提供重要的先進技術手段，為電網安全穩(wěn)定運行提供有力的技術支持。運行維護單位通過對新型接地系統(tǒng)的各種數據進行匯總，并與傳統(tǒng)接地系統(tǒng)進行對比分析，可為輸電線路運行分析及隱患的判斷提供參考依據，為科學制定狀態(tài)檢修測量方案提供準確的指導。線路實際安裝效果如圖5所示。

圖5 實際應用效果Fig.5 Picture of application

5 結 語

使用鍍銅材料對傳統(tǒng)的鍍鋅接地棒組成的接地網進行改造和更換，將其應用在500kV 輸電線路的防雷接地實際中，運行后的試驗結果表明，由鋼芯和覆蓋鋼芯外側的電解鍍銅層組成的接地棒，耐腐蝕性好，接地電阻適合其采用的放熱焊接工藝，能滿足接頭電阻與導體電阻的一致要求，銅質焊點具有耐腐蝕性。同時接地體采用的鍍銅接地棒，其垂直接地體長度可通過連接器無限延長，相鄰兩個接地棒的對接處套置密封加固環(huán)，可以避免安裝過程旋轉變形，使得降阻效果更為突出。

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