鍍銅鋼材料在電力工程接地中應(yīng)用研究

尤國(guó)偉

（國(guó)網(wǎng)南京供電公司，江蘇南京210009）

鍍銅鋼材料在電力工程接地中應(yīng)用研究

尤國(guó)偉

（國(guó)網(wǎng)南京供電公司，江蘇南京210009）

近年來，鍍銅鋼材料在電力輸變電接地工程中逐漸得以普及應(yīng)用。文中分析了鍍銅鋼材料在防腐、焊接等方面的優(yōu)越性能，提出了其在輸電桿塔工程、電纜溝及電纜隧道工程、變電站工程設(shè)計(jì)參數(shù)，并以實(shí)際工程為例闡述鍍銅鋼接地裝置的應(yīng)用。

鍍銅鋼；接地；焊接；防腐

接地裝置在輸變電工程投資中所占的比例雖然很小，但它所引發(fā)的事故卻極其驚人，能很快摧毀電網(wǎng)中的二次設(shè)備，像直流、保護(hù)、通信等設(shè)備，甚至發(fā)展成嚴(yán)重的系統(tǒng)事故。我國(guó)傳統(tǒng)接地體均采用鋼材質(zhì)。在建國(guó)初期，由于國(guó)外的封鎖以及本身銅儲(chǔ)量的不足，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)五六十年代提出“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。隨著時(shí)間的推移，鋼接地網(wǎng)的缺點(diǎn)也日益顯現(xiàn)，鋼接地網(wǎng)耐腐蝕性能差、維護(hù)成本高、易導(dǎo)致接地網(wǎng)事故。所以越來越多的地區(qū)開始采用鍍銅材料作為接地體的首選。鍍銅材作為接地材料已有超過100年的歷史。

本文在分析鍍銅鋼接地材料作為電力工程接地裝置主要材料優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了鍍銅鋼接地材料在輸電桿塔接地工程、電纜溝及電纜隧道工程、變電站工程設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及相應(yīng)參數(shù)，并以寧溧高科220 kV殷溧線、科溧線桿線遷移工程為例闡述鍍銅圓鋼接地裝置的應(yīng)用。

1　銅接地體與熱鍍鋅鋼接地體技術(shù)比較

1.1性能比較

1.1.1導(dǎo)電性能

銅和鋼在20℃時(shí)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；而鍍銅圓鋼導(dǎo)電率為25%，較鋼接地體好。

1.1.2熱穩(wěn)定性

銅短路時(shí)最高允許溫度為450℃，而鋼短路時(shí)最高允許溫度為400℃。因此接地體截面相同時(shí)，銅材熱穩(wěn)定性較好。同等熱穩(wěn)定校驗(yàn)條件下，鋼接地體所需的截面積為銅材的3倍，是鍍銅圓鋼的2倍。

1.1.3耐腐性

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(shí)存在。銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10～1/50，而且電氣性能和物理性能穩(wěn)定。

銅的表面會(huì)產(chǎn)生附著性極強(qiáng)的氧化物 （銅綠），對(duì)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，但是作用非常有限。

鋼接地體接頭和鋼接地體本身在腐蝕的過程中會(huì)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4～60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(zhǎng)。

目前我國(guó)輸電線路接地系統(tǒng)均存在不同程度的腐蝕問題，特別是有些運(yùn)行10年以上的輸電線路，腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。盡管在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)際運(yùn)行中也采用部分開挖和測(cè)量接地電阻等方法來檢測(cè)腐蝕問題。但由于實(shí)際腐蝕情況非常復(fù)雜，以及鋼與銅的腐蝕機(jī)理不同，實(shí)施效果不太理想。

由上可見，鍍銅接地體的耐腐性且顯著優(yōu)于鋼接地體。

1.1.4施工便利性

輸電線路接地網(wǎng)采用鍍銅圓鋼，鍍銅圓鋼柔性好、允許的彎度半徑小，所以拐彎方便、穿管容易。鍍銅圓鋼的高機(jī)械強(qiáng)度，使其能夠成卷供貨，便于機(jī)械化施工。搭接處采用放熱焊接，操作方便、加快施工進(jìn)度、節(jié)省人工費(fèi)用、簡(jiǎn)化施工工藝，更重要的是保證了鍍銅鋼接地網(wǎng)的連接質(zhì)量。

綜上所述，鍍銅鋼接地體與熱鍍鋅鋼接地體相比，鍍銅鋼接地體在導(dǎo)電性能、熱穩(wěn)定性能、耐腐蝕性、接點(diǎn)焊接質(zhì)量和施工便利方面有顯著的優(yōu)越性。

1.2截面選擇

根據(jù)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》［3］以及Q/GDW 466—2010《電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件》［4］，鋼接地體的熱穩(wěn)定系數(shù)為70，鍍銅圓鋼的熱穩(wěn)定系數(shù)為136。根據(jù)電流和短路時(shí)間的長(zhǎng)短，就可以計(jì)算出在同等的條件下，不同材料所需的截面積。

1.3接地體連接方式

輸電線路接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體成放射狀分布，只有可靠的、牢固的連接才能保證接地網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。

1.3.1鋼接地體的連接方式

目前，鋼接地體之間的連接均為傳統(tǒng)的電弧焊接方式，高溫電弧會(huì)破壞接地體接頭部位的鍍鋅層，有可能導(dǎo)致點(diǎn)腐蝕的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響接地體的壽命。此外，電弧焊接連接不是真正的分子性連接，焊接點(diǎn)對(duì)于接地體的導(dǎo)電性能也有影響。

1.3.2鍍銅接地體的連接方式

鍍銅接地材料的連接均采用放熱焊接法連接，放熱焊接是利用金屬氧化物與鋁之間的氧化還原反應(yīng)，釋放出大量的熱量，產(chǎn)生液態(tài)高溫銅液來熔接同（異）種金屬的一種焊接工藝，以達(dá)到高性能電氣連接的現(xiàn)代焊接法。放熱焊接屬于金屬材料熔融連接，可以說是最適于接地工程的焊接方式［1，2］。放熱焊接法工作原理如圖1所示。

圖1　放熱焊接法工作原理圖

當(dāng)激光光束點(diǎn)燃模唇上的引火粉，引火粉引燃放熱焊粉，在模具的坩堝中產(chǎn)生轉(zhuǎn)換還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)換出高溫銅液流入熔接腔，從而熔焊工件。放熱焊接具有焊接一致性好，施工便利，無需額外的電力或熱力能源。

放熱焊接可以完成各種導(dǎo)線間不同方式的連接，如直通型、丁字型、十字型等；還可以完成不同材質(zhì)導(dǎo)線的連接。這種焊接方式操作簡(jiǎn)單、焊接速度快，而且接頭的耐腐蝕性好、電阻低、連接可靠，在國(guó)際上獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。

綜上所述，放熱焊接是銅接地體的理想連接方式，方便快捷的操作、優(yōu)秀的焊接質(zhì)量是其他連接方式不可實(shí)現(xiàn)的。正是因?yàn)榫邆溥@樣可靠、牢固的連接方式，銅接地體的性能比鋼接地體更勝一籌。

1.4接地點(diǎn)布置

采用鍍鋅扁鋼設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)，考慮到扁鋼會(huì)銹蝕，為了保障可靠的接地，輸電線路大多采用了雙接地引下線［4，5］。

采用鍍銅接地網(wǎng)后，由于可以忽略接地引下線的腐蝕、增強(qiáng)了引下線的熱穩(wěn)定性，因此對(duì)于除必須采用雙接地引下線的地方外建議選用單接地引下線，不僅能夠滿足接地可靠性要求，還能夠降低投資。

2　鍍銅接地材料類型

近幾年，國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司在輸電線路工程含地下管廊及線路桿塔改造工程中部分110 kV及220 kV變電站工程中使用了鍍銅鋼接地材料及放熱焊接工藝。

應(yīng)用項(xiàng)目有南京寧溧高科220 kV殷溧線、科溧線遷移工程、南京220 kV牧龍（陳塘）輸變電工程、220 kV淳東—古柏輸電線路工程、中電總降變—西渡變220 kV電纜隧道工程、220 kV鐵北變—堯化門—經(jīng)港變電纜隧道工程、110 kV南京吉沖變電站工程等多個(gè)工程項(xiàng)目。

在上述項(xiàng)目中接地主材分別有鍍銅圓鋼、鍍銅扁鋼、高導(dǎo)鍍銅絞線等接地主材，具體的材料規(guī)格如表1—3所示。

表1　鍍銅圓鋼材料規(guī)格表

表2　鍍銅扁鋼材料規(guī)格表

以上材料的規(guī)格涵蓋了電力工程中大部分能用到的材料規(guī)格及類型，以下就各種電力工程中的應(yīng)用展開說明。

3　鍍銅接地材料設(shè)計(jì)

3.1輸電桿塔接地工程

輸電桿塔有角鋼塔和鋼管塔，其中角鋼塔有4根引上線，銅管塔有2根引上線。水平接地體采用D10mm至D12 mm鍍銅圓鋼，接地極采用D14.2 mm，長(zhǎng)度2.5 m，依據(jù)土壤電阻率不等，接地極數(shù)量2組至4組不等。引上線考慮到防盜問題，在鍍銅圓鋼的表面再鍍錫，焊接扁鋼線鼻子與桿塔接地端子連接。南京地區(qū)的桿塔接地示意圖如圖2、圖3所示。

表3　高導(dǎo)鍍銅鋼絞線材料規(guī)格表

圖2　南京地區(qū)角鋼塔接地示意圖

圖3　南京地區(qū)鋼管塔接地示意圖

接地材料的鍍銅厚度依據(jù)如表4所示的土壤腐蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)體系確定。

表4　土壤腐蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)體系　mm

像南京地區(qū)處于長(zhǎng)江沖擊平原，土層比較厚，土壤腐蝕強(qiáng)度為輕微腐蝕，鍍銅層厚度選擇0.254 mm即可；例如連云港和南通沿海地區(qū)，土壤腐蝕強(qiáng)度為中度腐蝕或強(qiáng)度腐蝕，則鍍銅層厚度選擇0.5 mm或0.8 mm。

3.2電纜溝及電纜隧道工程

電纜溝和電纜隧道接地裝置有接地體和電纜支架通長(zhǎng)接地線2個(gè)部分構(gòu)成。埋在地下的接地極采用D14.2 mm，長(zhǎng)度2.5 m的規(guī)格，水平接地體和引上線、電纜支架通長(zhǎng)接地線采用40×4或50×5的鍍銅扁鋼，鍍銅扁鋼的鍍銅層厚度在0.254 mm以上。

3.3變電站工程

變電站接地裝置由接地極、接地網(wǎng)、集中接地裝置構(gòu)成，主要水平接地體采用D14 mm至D16 mm鍍銅圓鋼，或者導(dǎo)電率30%～40%、截面積150～185 mm2高導(dǎo)鍍銅鋼絞線。水平接地體的截面和直徑選擇依據(jù)是根據(jù)故障入地電流的大小，確定接地導(dǎo)體的熱穩(wěn)定系數(shù)。鍍銅圓鋼的鍍銅厚度和熱穩(wěn)定系數(shù)C值對(duì)照如表5所示。

表5　鍍銅圓鋼的鍍銅厚度和熱穩(wěn)定系數(shù)

鍍銅鋼絞線的熱穩(wěn)定系數(shù)C值如表6所示。

表6　鍍銅鋼絞線的熱穩(wěn)定系數(shù)

4　應(yīng)用案例

本文以寧溧高科220 kV殷溧線、科溧線桿線遷移工程為例闡述鍍銅圓鋼接地裝置的應(yīng)用。因南京寧溧高科技產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃用地建設(shè)的需要，將原220 kV殷溧線83～97號(hào)、科溧線59～75號(hào)塔間架空線路桿線遷移出規(guī)劃用地，新建220 kV科溧線雙回（本期掛單回）架空線路長(zhǎng)度6.317 km，新建220 kV殷溧線雙回（本期掛單回）架空線路長(zhǎng)度6.304 km。

4.1地質(zhì)情況

4.1.1地形地貌

沿線經(jīng)過地區(qū)為溧水柘塘附近，所處地形地貌單元為崗地，沿線地形大部分為平地、局部為坡地，可能存在暗溝、暗塘等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

4.1.2地基土

沿線經(jīng)過地區(qū)土質(zhì)較好，大部為可塑粉質(zhì)黏土，局部為碎石土和巖石土。本工程全線基坑分布為可塑粉質(zhì)粘土40%，碎石土30%，巖石土30%。

4.1.3地下水

沿線經(jīng)過地區(qū)地下水類型屬上層滯水，其水位變化主要受地表水及大氣降水影響，呈季節(jié)性變化，地下水的初見水位埋深在1.0 m左右，地下水對(duì)各類砼均無侵蝕性。

4.2接地裝置

接地裝置采用淺埋的方框狀放射型水平接地體，材料選用D14鍍銅圓鋼，接地電阻應(yīng)滿足SDJ8—79《電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》［6］的要求。桿塔接地裝置按照GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］設(shè)計(jì)。

對(duì)于全高超過40 m的桿塔，其接地電阻值不應(yīng)超過上述規(guī)定值的一半［8］。

5　結(jié)束語

（1）鍍銅鋼接地材料作為電力工程接地裝置的主要材料，在耐腐蝕性、免維護(hù)性、施工便利性和可靠性方面相對(duì)傳統(tǒng)熱鍍鋅鋼接地體具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（2）分析了鍍銅鋼接地材料在輸電桿塔接地工程、電纜溝及電纜隧道工程、變電站工程設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，提出相應(yīng)的參數(shù)。

（3）本文以寧溧高科220 kV殷溧線、科溧線桿線遷移工程為例闡述鍍銅圓鋼接地裝置的應(yīng)用。經(jīng)設(shè)計(jì)，接地裝置采用淺埋的方框狀放射型水平接地體、材料選用D14鍍銅圓鋼即可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］周志軍.離子接地極及熱熔焊接技術(shù)在變電站接地網(wǎng)改造中的應(yīng)用［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2014（2）：505-507.

［2］魏 巍，吳欣強(qiáng)，柯 偉，等.接地網(wǎng)材料腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2015（3）：273-277.

［3］DL/T 621—1997交流電氣裝置的接地［S］.

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

［5］GB 50064—2014交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］SDJ8—79電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］GB50065—2011交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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

尤國(guó)偉（1965），男，江蘇常州人，工程師，從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。

The Application of Coppered Steel in Electrical Grounding

YOU Guowei
（State Grid Nanjing Power Supply Company，Nanjing 210009，China）

In recent years，coppered steel has been widely using in electrical grounding.The superior performance of coppered steel in corrosion prevention and welding are analyzed firstly.Then，the designing parameters for transmission tower，cable channel and substation engineering are proposed.Last，an actual engineering project is used to interpret the application of coppered steel.

coppered steel；grounding；welding；corrosion prevention

TM862

B

1009-0665（2016）04-0067-04

2016-04-11；修回日期：2016-05-20