某變電站接地網(wǎng)銅覆鋼絞線防腐性能測試研究

辛玲玲，李延偉，姜炯挺，錢洲亥，何毅帆

（1.浙江天潔環(huán)境科技股份有限公司杭州分公司，杭州 310005；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014；3.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315016；4.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

某變電站接地網(wǎng)銅覆鋼絞線防腐性能測試研究

辛玲玲1，李延偉2，姜炯挺3，錢洲亥2，何毅帆4

（1.浙江天潔環(huán)境科技股份有限公司杭州分公司，杭州 310005；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014；3.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315016；4.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

銅覆鋼品質(zhì)優(yōu)劣直接決定著接地網(wǎng)系統(tǒng)的使用壽命及運行安全，加強銅覆鋼材質(zhì)的入網(wǎng)品質(zhì)測試意義重大。對某變電站送檢銅覆鋼絞線樣品目視檢查、SEM掃描外觀形貌，發(fā)現(xiàn)其表面存在大量腐蝕點。EDS分析發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物主要為Fe和Cu氧化物的混合物，表明腐蝕已局部深至基體鋼材。對銅鍍層厚度進行多點EDS元素mapping分析，發(fā)現(xiàn)鍍銅層厚度僅為0.025 mm左右，遠低于電力行業(yè)標準中關(guān)于銅鍍層不小于0.25 mm的規(guī)定。采用四電極法測試其電阻，計算出電阻率及相對導電率，該銅覆鋼絞線樣品僅能符合行業(yè)標準中最低等級銅覆鋼電阻率及相對導電率的要求，即相對導電率不小于15%（20℃）。綜合評估，該銅覆鋼樣品防腐性能不合格，難以滿足銅覆鋼接地網(wǎng)免維護要求，甚至將發(fā)生嚴重電偶腐蝕，不應采用。

接地網(wǎng)；銅覆鋼；防腐性能；銅鍍層；電阻率

0 引言

接地系統(tǒng)是確保電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備安全運行以及人身安全的重要措施。由于接地裝置的主要部分埋在地下，土壤腐蝕是其最主要的腐蝕形式，具有很強的隱蔽性。目前，國內(nèi)外采用的接地材料主要有碳鋼、鍍鋅鋼、銅、銅覆鋼、鋼外涂防腐導電涂料等。碳鋼和鍍鋅鋼這2種接地電極材料易發(fā)生土壤腐蝕，存在腐蝕速率快、開挖檢查周期短、可靠性差、難以達到設(shè)計使用壽命等問題，正逐步被其他材料所替代。純銅的耐土壤腐蝕性能優(yōu)良，但其成本較高，且質(zhì)地柔軟不易施工。銅覆鋼材料由于具有良好的導電性能、較高的機械強度，尤其是外部包覆的銅層具有良好的抗腐蝕性能，運行壽命可達60年[1]，在部分發(fā)達國家已被廣泛地應用于接地裝置中。在我國，接地裝置的防腐蝕性和可靠性已日益受到重視，但對于銅覆鋼接地電極材料性能尚缺乏認識，缺乏規(guī)范的入網(wǎng)性能檢測，這使得銅覆鋼在我國的普及應用缺乏相關(guān)的參考依據(jù)。

以下通過對某變電站送檢的銅覆鋼絞線樣品進行外觀形貌、鍍層厚度及相對導電率等指標測試，檢驗了該銅覆鋼接地絞線的綜合性能，評價樣品防腐性能要求，并評估投運后腐蝕發(fā)展的可能性，可為變電站銅覆鋼絞線的實踐應用提供檢驗依據(jù)[2-6]。

1 檢測及評價內(nèi)容

1.1 檢測對象及范圍

檢測對象為某供電公司送檢的變電站接地網(wǎng)銅覆鋼絞線樣品，樣品長2.21 m，直徑1.8 cm，由37根細銅覆鋼絲絞合而成。

檢測主要評估該送檢銅覆鋼絞線樣品的鍍銅層性能、基體金屬現(xiàn)狀以及絞線的電氣性能等。

1.2 主要儀器及檢測內(nèi)容

檢測所用主要儀器及具體內(nèi)容如下：

（1）NiKon數(shù)碼相機，用于記錄絞線表觀狀態(tài)。

（2）鋼卷尺，用于測量絞線長度（精度為1 mm）。

（3）游標卡尺，用以測定絞線直徑（精度為0.01 mm）。

（4）SEM（掃描電鏡儀），用以檢測鍍層厚度及表觀形貌。

（5）EDS（能譜儀），用于分析銹樣元素及銹下元素。

（6）FLUKE 1625型電阻測試儀（測量范圍為0.001～3 000 Ω）， 用于測量絞線電阻。

2 檢測方法及結(jié)果

2.1 表觀形貌及銹樣分析

圖1 銅覆鋼絞線表觀形貌及銹樣分析

觀察銅覆鋼表面銅層的原始形貌及腐蝕點橫截面形貌（見圖1），對銹樣及銹下金屬進行EDS元素分析，分析結(jié)果如下：

銅覆鋼樣品的表層絞線附著一層均勻的灰色氧化膜，為銅鍍層正常氧化所致。外層鋼絞線局部位置、內(nèi)部絞線的銅鍍層表面存在大量腐蝕點（見圖1（a）黑點處），腐蝕面積約占銅鍍層表面積的10%以上。推測認為可能是由于絞線表層銅鍍層厚度較薄或不均勻、所處環(huán)境比較潮濕，導致腐蝕破壞的發(fā)生。

圖1（a）中腐蝕點微觀形貌如圖1（b）所示。進一步對圖1（b）所示的局部銹蝕區(qū)域進行EDS分析，發(fā)現(xiàn)銹樣主要為Fe和Cu氧化物的混合物（見圖2），銹下金屬為Fe基材（見圖3）。說明絞線表面銅鍍層破壞嚴重，存在較多腐蝕點，部分區(qū)域已腐蝕至內(nèi)鋼芯。表明該絞線鍍層已局部失效，無法有效保護內(nèi)鋼芯。當外界條件（如截面暴露、環(huán)境潮濕）滿足發(fā)生電偶腐蝕時，由于銅鍍層和內(nèi)鋼芯的電位差及尺寸差異，將誘發(fā)銅覆鋼絞線形成“大陰極-小陽極”的電偶腐蝕形態(tài)，導致銅覆鋼絞線局部快速腐蝕斷裂。

2.2 銅鍍層厚度測試

圖2 銹樣EDS元素分析結(jié)果

圖3 銹下金屬EDS元素分析結(jié)果

從銅覆鋼樣品中隨機取出3根單根細銅覆鋼絲，對其進行EDS元素mapping分析，以精確檢測各鋼絲表面銅鍍層厚度。結(jié)果如圖4所示，鍍層厚度介于0.019—0.029 mm之間（見表1）。

根據(jù)現(xiàn)行國標GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》、行標DL/T 1342-2014《電氣接地工程用材料及連接件》以及國家電網(wǎng)公司企標Q/GDW 466-2010《電氣工程接地用銅敷鋼技術(shù)條件》，規(guī)定應用于接地網(wǎng)的各類銅覆鋼銅厚度不應低于0.25 mm。而《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》（國家電網(wǎng)生技[2012]352）以及《關(guān)于進一步規(guī)范輸變電工程接地設(shè)計有關(guān)要求的通知》（國家電網(wǎng)基建設(shè)計[2011]222號）更是要求銅覆鋼接地材料的鍍銅層厚度不低于0.8 mm。

該送檢銅覆鋼絞線樣品的銅鍍層厚度遠小于標準規(guī)定值，僅為行業(yè)標準值的1/10左右，不足國網(wǎng)公司要求值的5%，因此判定該銅覆鋼絞線的鍍層厚度不合格。

表1 絞線樣品銅鍍層厚度

2.3 電阻率測試結(jié)果

在送檢銅覆鋼絞線樣品中，隨機抽取3根單根細絞線樣品，采用四電極法測試其電阻，并按照DL/T 1342-2014的要求計算電阻率及相對導電率。

在測量電阻的同時記錄環(huán)境溫度，按式（1）校正到20℃時的電阻值R20，并按式（2）計算出相應的電阻率ρ20。

式中：Rm為測量電阻值；α20為20℃電阻溫度系數(shù)；對于電鍍銅覆鋼，α20取0.003 78；Am為環(huán)境溫度。式中：S為截面積；L為測試長度。

將式（2）代入式（3），計算出相應的相對導電率C。

根據(jù)上述方法得到銅覆鋼絞線的計算結(jié)果見表2。

表2 絞線樣品電阻率測試結(jié)果

由表2可知，該銅覆鋼絞線樣品僅滿足DL/T 1342-2014中關(guān)于CCS××15規(guī)格銅覆鋼電阻率及相對導電率（20℃）的規(guī)定，即相對導電率不小于15%，但不滿足其他更高規(guī)格銅覆鋼電阻率及相對導電率的規(guī)定。

3 銅覆鋼絞線性能綜合評估

根據(jù)檢測結(jié)果，對該銅覆鋼絞線進行防腐性能綜合評估，評估結(jié)果見表3。

表3 銅覆鋼絞線綜合評估結(jié)果

符合標準要求的銅覆鋼材料具有諸多優(yōu)點：抗拉強度大、耐腐蝕強；既有銅的優(yōu)良導電性能，又能節(jié)省成本[7]。但品質(zhì)不合格的銅覆鋼材料存在重大安全隱患，若鍍層厚度過薄，在運輸或者安裝過程中難免會因為磕碰引起鍍層的損傷乃至缺失，導致鍍銅層與基體碳鋼直接暴露于腐蝕介質(zhì)，從而誘發(fā)電偶腐蝕。在有破損的銅覆鋼材料處，銅片腐蝕產(chǎn)物Cu2+將加劇碳鋼基體的腐蝕，腐蝕反應為Cu2++Fe→Fe2++Cu；并且由于銅層表面積遠大于破損裸露的碳鋼基體表面積，將形成“大陰極-小陽極”腐蝕電池，腐蝕將集中于碳鋼裸露處，其腐蝕速率將會極大加速[8]。在此情況下，銅覆鋼材料有在極短時間內(nèi)發(fā)生銹蝕斷裂的可能，進而導致材料的壽命大幅降低。

4 結(jié)論及建議

通過對銅覆鋼絞線樣品目視檢查、SEM掃描外觀形貌以及EDS元素分析，發(fā)現(xiàn)銅覆鋼內(nèi)部絞線的銅鍍層表面存在大量腐蝕點，局部腐蝕點已深至基體鋼材。對銅鍍層厚度進行EDS元素mapping分析，發(fā)現(xiàn)鍍層厚度約0.025 mm，遠低于標準中關(guān)于銅鍍層不小于0.25 mm的規(guī)定，因此導致鍍層較易出現(xiàn)破損，進而發(fā)生腐蝕。另外，銅鍍層厚度不合格也降低了絞線的相對導電率。因此，該銅覆鋼樣品性能不合格，不應采用。

根據(jù)檢測結(jié)果，建議尚未安裝的樣品返廠處理；已安裝的銅覆鋼需定期檢測接地電阻，必要時進行開挖檢查，加強防腐處理；應加強入場樣品的監(jiān)督管理，嚴格按照相關(guān)標準進行驗收。

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[3]GB/T 3048.2-2007電線電纜電性能試驗方法 第2部分 金屬導體材料電阻率試驗[S]．北京：中國標準出版社，2007.

[4]GB/T 3048.4-2007電線電纜電性能試驗方法 第4部分：導體直流電阻試驗[S]．北京：中國標準出版社，2007.[5]Q/GDW 466-2010電氣工程接地用銅敷鋼技術(shù)條件[S]．北京：中國電力出版社，2010.

[6]GB/T 50065-2011交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范[S]．北京：中國計劃出版社，2011.

[7]何莉，孫雙魁．淺議銅覆鋼接地材料在變電站的應用[J]．青海電力，2014，33（2）∶35-38．

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Research on Corrosion Resistance Performance of Copper Coated Steel Strand for Substation Earth Mat

XIN Lingling1， LI Yanwei2， JIANG Jiongting3， QIAN Zhouhai2， HE Yifan4

（1.Zhejiang Tengy Environmental Technology Co.， Ltd.Hangzhou Branch， Hangzhou 310005， China；2.E.Energy Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310014， China；3.State Grid Ningbo Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315016， China；4.Zhejiang Electric Power Company Power Research Institute， Hangzhou 310014， China）

The service life and operation safety of earth mat depend on corrosion resistance performance of copper coated steel.Thus it is important to test the material quality of copper coated steel before it is used.It was found that there were a lot of corrosion sites on the surface of copper coated steel samples from a substation via visual inspection and SEM scanning.By EDS analysis，it was found that the corrosion products were Fe and Cu oxides，indicating that the corrosion is locally deep into the base steel.The thickness of the copper coating was analyzed using multi-point EDS element mapping analysis，and the coating was found merely 0.025 mm thick，far lower than the power industry standard requirement that the copper coating should not be thinner than 0.25 mm.The resistivity and relative conductivity were measured by a four-electrode resistance measurement.The copper-coated steel strand sample can only meet the requirements of the lowest-class resistivity and relative conductivity， namely the relative conductivity is not smaller than 15%（20℃）.The comprehensive assessment shows that the copper coated steel samples were not qualified in corrosion resistance performance and can not meet maintenance free requirement of copper-coated steel earth mat or even lead to severe galvanic corrosion，and it should not be used in substations.

earth mat； copper coated steel； corrosion resistance performance； copper coating； resistivity

10.19585/j.zjdl.201709009

1007-1881（2017）09-0044-04

TM862+.3

B

杭州意能電力技術(shù)有限公司科技項目（EPRD2017-07）

2017-06-15

辛玲玲（1975），女，工程師，從事電力化學、工業(yè)大氣污染治理工作。

李延偉（1985），男，工程師，從事電力設(shè)備的腐蝕與防護研究。（通訊作者）

（本文編輯：方明霞）