镀铜钢在换流站（变电站）接地网中的应用

中国南方电网有限责任公司 陈凯华

1 概述

1.1 良好接地的必要条件

变电站(换流站)良好的接地系统应具备以下两个主要条件：

（1）提供一个尽可能低的低电阻对地路径(接地电阻)，接地电阻越低，雷电流、浪涌和故障电流就可越安全地消散到大地。

（2）接地导体应具有良好的防腐能力并能重复通过大的故障电流，接地系统的寿命应不小于地面主要设备的寿命。一般至少要求30年以上寿命。长期、可靠、稳定的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障。

接地系统长期安全可靠运行的关键在于正确选择合适的接地材料和可靠的连接。

1.2 我国接地系统现状

目前我国传统接地体大多采用钢材质，其主要原因是我国的早期电力系统设计技术多借鉴前苏联相关技术，另外我国自身铜储探明量的不足，加上西方国家过去对我国的封锁，中国不容易取得铜。为节约有色金属，在20世纪50～60年代提出“以钢代铜，以铝代铜”，所以一度大量选用钢材和铝材。而国外(除前苏联国家，中国和印度以外)，以铜材以及镀铜钢材料作为主要接地材料已有超过100年的历史，而且被相关的国际标准(如：IEEE和IEC)推荐为主要的接地材料。

目前，我国大部分地区仍然使用镀锌扁钢作为接地材料，但几十年的实践证明镀锌钢并不能完全解决接地装置腐蚀问题。目前国内已有工程开始选用热稳定性能好、导电性能强、耐腐性强的铜材及镀铜钢材料做接地，其连接采用先进的放热焊接技术。

2 接地材质技术比较

2.1 性能比较

下面将分别从导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面比较铜接地体与热镀锌钢接地体的差异。

2.1.1 导电性能

铜和钢在20oC时的电阻率分别是17.24×10-6(Ω·mm)和138×10-6(Ω·mm)。若以铜的导电率为100%，标准钢的导电率仅为10.8%，因此铜的导电率是钢的10倍左右。目前市场上有导电率为20%～30%甚至更高的镀铜钢材料，均较钢接地体好。尤其是在集肤效应下，高频时镀铜钢导电性能远远优于钢材。即铜接地体导电性能较钢接地体好。

2.1.2 热稳定性

铜短路时最高允许温度为450oC；而钢短路时最高允许温度为400oC。因此，接地体截面相同时，铜材热稳定性较好。同等热稳定性能，不考虑腐蚀因素时，钢接地体所需的截面积为铜材的3倍，约是30%导电率镀铜钢材的2.3倍，约是20%导电率镀铜钢材的1.9倍。

2.1.3 耐腐性

接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，在多数情况下，这两种腐蚀同时存在。铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/10～1/50， 是镀锌钢的耐腐蚀性的3倍以上，而且电气性能稳定。

铜的表面会产生附着性极强的氧化物(铜绿)，能够对内部的铜起很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。当铜与其它金属(钢结构、水管、气管、电缆护套等)共存地下时，铜作为阴极不会受腐蚀，腐蚀的是后者。钢材是逐层腐蚀，镀锌层具有一定的抗腐蚀性。

钢接地体接头部位经过高温电弧焊接加工后会出现点腐蚀情况，一般最多只能保证10年。而铜腐蚀不存在点蚀情况，寿命较长。可见，铜接地体的耐腐性显著优于钢接地体。

目前我国变电所接地系统均存在不同程度的腐蚀问题，特别是运行十年以上的个别变电站腐蚀相当严重。尽管在设计时已通过增大接地极截面来考虑满足30年的防腐问题，但在实际运行中采用部分开挖和测量接地电阻等方法检测的结果比预想的腐蚀情况更严重。

图1是某变电站运行八年后开挖的钢接地的图片，局部已经严重腐蚀断裂。

图1 严重腐蚀断裂钢接地

图2 埋置两年后的镀锌钢试片

图2是某变电站现场埋置两年后的镀锌钢试片，在接地网有泄流电流的电解腐蚀时，其耐蚀性能与普通碳钢相比，提高极少，不能明显改善接地网的防蚀性能。

一般情况下，在测量接地电阻时，很难发现接地网腐蚀问题。一旦通过大的故障电流，由于局部腐蚀使截面变小，容易熔断，故障电流不能通过接地网顺利泄到大地，从而导致地电位升高，而出现“反击”现象，对直流、保护、通信、信号等二次设备和低压系统故障和损坏，甚至损坏变压器等重要设备。

经调研咨询相关厂家，对于土壤弱酸或弱碱性的环境来说，镀铜钢材料的耐腐蚀性能均优于镀锌扁钢。

综上所述，铜接地体与热镀锌钢接地体相比，铜接地体在导电性能、热稳定性能、耐腐蚀性方面有显著的优越性。

2.2 接地体连接方式

变电站的接地网金属导体存在着大量的连接，只有可靠的、牢固的连接才能保证接地网的运行可靠性。

2.2.1 钢接地体的连接方式

目前，钢接地体之间的连接均为传统的电弧焊接方式，高温电弧会破坏接地体接头部位的镀锌层，有可能导致点腐蚀的出现，严重影响接地体的寿命。此外，电弧焊接连接不是真正的分子性连接，焊接点对于接地体的导电性能也有影响。

对于钢接地体能否采用放热焊接接法，设计也作过研究与尝试，由于钢接地体设计截面过大，未能被采用，主要有以下原因：

（1）大型、非标模具制造困难，造价高；

（2）焊粉用量大；

（3）由于钢接地体本身防腐性能差，焊接质量的提高意义不大；

（4）焊接点较多，费用太高。

2.2.2 铜及镀铜钢接地体的连接方式

目前铜接地体和镀铜钢接地体主要有以下四种连接方式：

（1）铜银焊连接法

扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接都可以使用铜银焊连接法，常用的铜银焊接有乙炔焊、电弧焊等，但焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，特别是铜焊，即使是持有特殊工种上岗证，也比较容易出现一些焊接缺陷，无法从表面观察合格与否。并且，这种焊接是应用于纯铜接地体之间的连接，不适合于镀铜接地体的连接。基于以上原因，铜银焊连接法在电力工程接地系统实际施工中很少应用。

（2）连接夹连接法

接地导体之间的连接过去大多使用连接夹连接法。但这种方法比较适用于一对一连接，如要十字交叉，则要求有特殊十字接线线夹。

（3）螺栓连接法

扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与铜绞线之间、铜绞线与铜绞线之间的连接还可用螺栓连接，该方法与连接夹连接法互为补充。但螺栓连接处的接触标准应按现行国家标准《电气装置工程母线装置施工及验收规范》的规定处理。目前，连接夹连接法和螺栓连接法在施工现场应用最为广泛，这和我国的电力施工技术工人的认识和训练程度有着密切的关系。

（4）放热焊接连接法

放热焊接利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程需时仅数秒，反应所放出的热量足以使被焊接的导体端部融化形成永久性的分子合成。

放热焊接接头的特性：

表1 各种接地材料对比

1）外形美观一致；

2）连接点为分子结合，没有接触面，更没有机械压力，因此，不会松弛和腐蚀；

3）具有较大的散热面积，通电流能力与导体相同；

4）熔点与导体相同，能承受故障大电流冲击，不至熔断。

放热焊接连接法可以完成各种导线间不同方式的连接，如直通型、丁字型、十字型等；还可以完成不同材质导体的连接，如普通钢铁、铜、镀锌钢、镀铜钢等之间的连接；甚至可以实现导体间不同形状的连接，如汇流排（或铜绞线）与镀铜钢接地棒的连接、汇流排（或铜绞线）与铜板的连接、汇流排（或铜绞线）与接地镀锌钢管的连接、汇流排（或铜绞线）与钢筋的连接以及汇流排（或铜绞线）与槽钢的连接。这种方法接头有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好接触电阻低，已逐步得到推广应用。

放热焊接的优点：

1）焊接方法简单，容易掌握；

2）无需外接电源或热源；

3）供焊接用的材料、工具很轻、携带方便；

4）焊接点的载流能力与导线的载流能力相等；

5）焊接是一种永久性的分子结合，不会松脱；

6）焊接点像铜一样，耐腐蚀性能强。

7）焊接速度快捷，节省人工；

8）从焊口的外观上便能鉴定焊接的质量；

9）可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢，包括不锈钢及高阻加热热源材料。

在国外，放热焊接已通过UL标准严格论证，并被IEEE Std80等规程中指定为接地系统中埋地导体连接方式。在国内，放热焊接技术已在电力系统的重点工程中应用。

综上所述，放热焊接是铜接地体的理想连接方式，其方便快捷的操作、良好的焊接质量是其他连接方式不可实现的。正是因为具备这样可靠、牢固的连接方式，铜接地体的性能比钢接地体更胜一筹。

2.3 施工难易度

垂直地网采用镀铜钢接地棒，由于接地棒截面大大小于角钢，在作垂直接地施工方面工作量减小，并能垂直深入土壤，使通过加大垂直接地深度来降低接地电阻成为一种可能。

2.4 接地效果

对接地系统基本要求是满足接地电阻的指标。接地电阻具体来说，实质上包含三个部分：

1) 接地导体本身电阻

2) 导体和土壤的接触电阻

3) 土壤的散流电阻

其中3)土壤的散流电阻最为重要，它是接地电阻的重要组部分，这由土壤的电阻率决定。所以通常采用增大垂直接地极深度以增长导体长度、增大导体和土壤的接触面积以及触及到土壤电阻率较低的土壤来减小土壤的散流电阻，从而有效降低接地电阻。

其中2）导体和土壤的接触电阻也比较重要，增大导体与土壤的接触面积可以在一定程度上减小接地电阻。

镀铜接地网相对钢接地网来说，能够更好的泄放故障电流，保障线路安全。

通过表1比较,铜及镀铜钢材料接地系统虽然一次性投入比传统接地系统多些,但它的寿命长,性能稳,免维护的独特性能和优势是传统接地方式无法比拟的。

同时，也应注意换流站接地系统采用镀铜材质材料时，存在以下问题：

（1）镀铜钢材料在国内工程中尚未成熟应用，国内相关规程规范也没有明确其性能参数，属于新材料、新工艺，选取截面的关键参数热稳定系数“C”值目前国内没有明确数据，产品制造工艺会影响“C”值，为材料选取造成一定的困难。

（2）镀铜钢材料电气性能尚需提供国内具有资质机构的相关认证(厂家介绍有国外机构认证)。

（3）镀铜钢材料市场比较混乱，存在鱼目混珠的现象，不同厂家报价差异不同，存在材料质量难以控制的问题，建议慎重选择镀铜钢材的制造商。

3 结论

对于本工程的接地材料，理论上来讲，镀锌扁钢、纯铜材、镀铜钢材都是可以选择的方案。由于接地系统属于隐蔽工程，很难观测到接地部件腐蚀与否，更换的代价也很高。热镀锌钢抗腐蚀能力差，使用寿命短；电焊接头导流截面小、高温破坏镀锌层，易腐蚀；接地电阻在一些高土壤电阻率的环境下，很难达标。

铜材由于其良好的导电性能和防腐能力，从而成为国际上接地系统水平接地导体的最佳材料。但由于铜价较高，在很多地方的应用受到一定限制。镀铜钢材具有与铜相当的良好防腐蚀能力，相近的热稳定性能和良好的导电性能，且与纯铜材质相比能节省费用。同时，镀铜材质搭接处采用放热焊接，保证了接地网的连接质量。

镀铜钢材接地方案在经济上远高于镀锌扁钢接地方案，但相对于整个换流站的投资来看，这部分的投入是可以接受的。并且中国南方地区温度较高，镀锌扁钢接地材料抗腐蚀能力差，使用寿命短，若在运行期间接地网腐蚀严重需要改造，由此导致运行停电将可能带来巨大经济损失。综上所述，推荐采用镀铜钢材质作为接地材料。

［1］解广润.电力系统接地技术［M］.北京：水利电力出版社，1985.

［2］颜怀梁，陈先禄，李定中.接地计算方法及应用不均匀网孔改善地网电位分布的计算研究［J］.重庆大学学报，1985(4).