銅覆鋼技術(shù)在輸電線路接地裝置中的應(yīng)用探討

摘 要：對(duì)比了常用接地材料的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了銅覆鋼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并提供了工頻接地電阻的簡(jiǎn)易計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：銅覆鋼；腐蝕；接地電阻

接地系統(tǒng)是電氣系統(tǒng)不可或缺的基礎(chǔ)，目前輸電線路在電網(wǎng)中的作用越來越重要，若無完善的防雷與接地的保護(hù)，就有可能在時(shí)雷擊發(fā)生跳閘事故。其中，因接地材料腐蝕而引起的跳閘是導(dǎo)致電網(wǎng)事故發(fā)生的重要因素，因此急需開發(fā)和應(yīng)用新型接地防腐新材料。

1 接地體受腐蝕破壞的原因

接地體腐蝕是發(fā)生在金屬表面與周圍介質(zhì)之間，按其腐蝕機(jī)理講，腐蝕可分為化學(xué)腐蝕、物理腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

接地體在土壤環(huán)境中腐蝕，主要是電化學(xué)腐蝕。

電化學(xué)腐蝕是因金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而引起的，即腐蝕原電池作用，其特點(diǎn)是在腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。

埋設(shè)在土壤中的金屬接地體發(fā)生腐蝕，受以下因素的影響：

①土壤孔隙度

土壤的孔隙空間包含著空氣和水，較大的孔隙度有利于氧和水分的保持，這是腐蝕發(fā)生促進(jìn)因素。

②土壤濕度

土壤的水分對(duì)腐蝕影響很大，當(dāng)土壤含水量大于85%時(shí)，氧的擴(kuò)散滲透受到了阻礙，腐蝕減弱。當(dāng)土壤含水量小于10%以下時(shí)，由于水分的缺乏，陽極極性和土壤電阻比加大，腐蝕速度又急速降低。

③土壤溫度

土壤溫度受晝夜溫差的形響。溫差大很容易在金屬上凝結(jié)水分微粒，且因溫差電池的形成，加快腐蝕。

④土壤的酸度（PH值）

大部分土壤的酸度PH值處于6～7.5范圍之內(nèi)屬于中性。也有PH值為3～6的酸性土，如沼澤土、腐植土。還有PH值為7.5～9.5的堿性土，如鹽堿土。隨著土壤PH值的減少和增大，土壤腐蝕的速度都增加。

⑤土壤含鹽量

通常土壤中含鹽量約為80～150OPPm ，一般情況下，土壤的可溶鹽增加導(dǎo)電性也增加，從而增大了土壤的腐蝕速度。

⑥ 土壤電阻率

土壤電阻率直接受土壤孔隙度、濕度、溫度、酸度、含鹽量和有機(jī)質(zhì)的影響，因此土壤電阻率是反應(yīng)某些土壤理化性質(zhì)的一個(gè)綜合指標(biāo)。

一般土壤腐蝕性與電阻性是反相關(guān)，與電導(dǎo)率是正相關(guān)。但電阻率并不是影響腐蝕的唯一因素，多數(shù)情況下土壤腐蝕性可用土壤電阻率來衡量。（參見下表）

2 當(dāng)前常用的兩種接地材料對(duì)比

當(dāng)前常用的接地體材料有熱鍍鋅鋼、銅兩種。熱鍍鋅鋼鍍層太薄，耐腐蝕性能差，導(dǎo)致熱鍍鋅鋼接地網(wǎng)壽命低下，部分腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域在運(yùn)行3-5年就需要開挖檢修，十年后都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕而不得不更換，見下表。

除去防腐能力差的缺點(diǎn)外，鍍鋅鋼接地體還存在著施工工藝質(zhì)量難以保證、維護(hù)管理工作量大缺點(diǎn)。接地體是隱蔽工程，施工空間狹小，地網(wǎng)布線、焊接作業(yè)等受到諸多限制，因此地網(wǎng)的施工工藝問題也長(zhǎng)期困擾建設(shè)單位.主要存在搭接面不夠.焊接質(zhì)量良莠不齊等問題。

從可靠性和經(jīng)濟(jì)效益來看，銅是首選的接地網(wǎng)防腐材料，銅質(zhì)接地網(wǎng)已在發(fā)達(dá)國家的輸變電工程中得到廣泛應(yīng)用。在我國新建500kV及以上變電站中也部分采用了銅接地網(wǎng)。但銅接地體具有價(jià)格昂貴缺點(diǎn)，且屬戰(zhàn)略性資源，剛性不足等。

綜上所述開發(fā)接地網(wǎng)防腐新材料和新技術(shù)，提高接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)壽命和可靠性，以保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。

3 銅覆鋼防腐技術(shù)

銅覆鋼是一種雙金屬復(fù)合材料，芯棒材料是鋼，外層材料為電解銅。它是利用工頻電爐將電解銅熔化，同時(shí)將處理干凈的鋼棒（或鋼絞線）在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱到較高溫度后，快速通過銅液并在出口處結(jié)晶成為連鑄銅覆鋼棒，再拉制成不同規(guī)格的銅覆鋼導(dǎo)體。其特點(diǎn)如下。

（1）導(dǎo)電性能好：銅覆鋼材料的電導(dǎo)率約為鍍鋅鋼材的2倍。在疏導(dǎo)同樣大小電流的情況下，銅覆鋼的截面積理論上可比鍍鋅鋼材減小。

（2） 抗 腐 蝕性強(qiáng)：傳統(tǒng)鍍鋅鋼材的鋅層厚度只有0.00 6 mm，因腐蝕引起的年失重率高達(dá)2.0%，在常規(guī)環(huán)境下只能保持10年左右的使用壽命。因此，鍍鋅鋼導(dǎo)體地下的使用壽命在短期的接地工程中是可行的，但作為永久性接地體，還不太合適。

銅覆鋼導(dǎo)體的銅層厚度>0.8mm（國網(wǎng)公司最新下發(fā)了關(guān)于銅覆鋼接地材料銅層厚度的文件要求，以往有銅層厚度0.23mm的產(chǎn)品），且銅在大氣中易產(chǎn)生起保護(hù)作用的氧化銅膜。此氧化銅膜致密性較好，穩(wěn)定性較強(qiáng)，腐蝕較緩慢，年失重率不超過0.2%，使用壽命為50年以上。這種壽命年限，幾乎可稱為是"免維護(hù)"的。因此，就腐蝕或壽命而言，尤其在惡劣的地質(zhì)條件下銅覆鋼是最優(yōu)的接地材料之一。

（3）機(jī)械強(qiáng)度高：傳統(tǒng)鍍鋅鋼導(dǎo)體在打人地下時(shí)，由于與土壤摩擦，鍍鋅層很容易脫落，使接地極抗腐蝕性降低，最終導(dǎo)致接地裝置過早失效，危及人身和設(shè)備的安全。銅覆鋼導(dǎo)體由于銅層厚度大，銅層結(jié)合度高，抗拉強(qiáng)度3 600 MPa，因此在與土壤的摩擦中不會(huì)影響其防腐性能。

（4） 電阻率及壓降?。簭臏y(cè)試得知，接地導(dǎo)體的長(zhǎng)度小于2.5 m時(shí)，流散電阻增加很多；反之，流散電阻則減少得并不顯著。換句話說，接地電流經(jīng)2.5 m長(zhǎng)的接地導(dǎo)體后，基本能流散完。接地電阻是接地導(dǎo)體金屬表面與土壤的接觸電阻，加上接地導(dǎo)體自身的內(nèi)阻之和。當(dāng)接地電流、接地導(dǎo)體與土壤接觸電阻不變時(shí)，接地體和接地引下線的金屬內(nèi)阻不同所造成的結(jié)果就不同了。根據(jù)計(jì)算和實(shí)測(cè)，銅覆鋼導(dǎo)體的電阻率及壓降，均小于鍍鋅鋼導(dǎo)體。

由上可見，銅覆鋼導(dǎo)體性能優(yōu)異，因此從工程長(zhǎng)遠(yuǎn)利益來看，作為接地導(dǎo)體是有很大優(yōu)勢(shì)的，尤其在永久性的接地工程中，其發(fā)展趨勢(shì)將逐步取代傳統(tǒng)的接地材料。

4接地電阻簡(jiǎn)易計(jì)算公式：

單組接地極接地電阻： R垂=ρ（ln8L/D -1）/ 2πL：

多組接地極并聯(lián)接地電阻：Rn = R （1+ ρ（1/2+1/3+…+1/n）/πRS）/n

5 工程實(shí)例

220kV港城變～如東環(huán)港風(fēng)電線路位于江蘇如東沿海圍墾灘涂，根據(jù)沿線環(huán)境及水質(zhì)、土壤取樣檢測(cè)分析報(bào)告，發(fā)現(xiàn)由于線路所經(jīng)地區(qū)氣候變化范圍大，氣溫變化范圍-10℃～43℃，相對(duì)濕度變化范圍15%～100%，地形復(fù)雜，沿海灘涂面積大，既包含曬鹽池、海水養(yǎng)殖場(chǎng)等高鹽堿水域，又包含農(nóng)田、淡水養(yǎng)殖場(chǎng)等低鹽堿土地和水域，根據(jù)所取地下水水質(zhì)分析結(jié)果，水質(zhì)類型為C1·HCO3-Na·Mg型，PH值為7.63，[SO42-]含量為54.56mg/L，[HCO3]含量為976.00mg/L，[Cl-]含量為9000.00mg/L，[Ca+]含量為240.48mg/L，[Mg+]含量為666.15mg/L，[NH4+]含量為3.78mg/L，[Na+]含量為4664.63mg/L，礦化度為15700mg/L。

地下水在長(zhǎng)期浸水條件下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕，在干濕交替條件下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中腐蝕，故采用銅覆鋼接地技術(shù)。

特別提出的是，應(yīng)將銅覆鋼接地材料露出地面的部分表面進(jìn)行鍍錫處理，使其外觀與普通鍍鋅鋼接地一致以防盜。

6 結(jié)束語

綜上所述，作為沿海高腐蝕性地區(qū)的接地材料 ，銅和鍍銅鋼不論在技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性還是運(yùn)行可靠性等方面，都比鍍鋅鋼有更大的綜合優(yōu)勢(shì)和推廣價(jià)值。其中

鍍銅鋼與銅相比還具有以下優(yōu)點(diǎn)。

a）一次性投資與年費(fèi)用都相對(duì)較低 ，這在前文已經(jīng)述及。

b）銅是相 對(duì) 稀 缺的有色金屬資源，大量使用銅材不符合我國構(gòu)建節(jié)約型和諧社會(huì)的發(fā)展理念。特別是有可替代產(chǎn)品的條件下。

C）由于客觀社會(huì)環(huán)境的影 響 ， 銅 作為接地材料存在更大的盜竊風(fēng)險(xiǎn)，而鍍銅鋼的鍍層厚度較小，本身含銅量就很少，經(jīng)濟(jì)價(jià)值有限，另一方面，由于采用了電離工藝，鍍銅層與鋼芯形成分子結(jié)合，即使被盜.也很難將二者分離，給"廢品"再利用造成難以克服的困難。所以，鍍銅鋼的盜竊風(fēng)險(xiǎn)是很低的。因此，綜合各方面因素考慮 ，建議將鍍銅鋼作為沿海高腐蝕性地區(qū)接地裝置技術(shù)發(fā)展的主要應(yīng)用方向。

參考文獻(xiàn)：

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[3]趙雪松，山西電力系統(tǒng)接地裝置現(xiàn)狀及今后選材建議，：山西電力，2008年第6期

作者簡(jiǎn)介：

曹岑（1980-），男，江蘇南通人，高級(jí)工程師，主要從事送配電線路設(shè)計(jì)、施工管理工作。