镀铜接地网与钢接地网、纯铜接地网的技术

　　概述溪洛渡右岸送电广东500KV同塔双回直流输电工程是设计院重点项目之一，其安全性和可靠性始终放在设计的第一位，其中，接地网由于其隐蔽性和特殊性，材料的选择一直是设计人员考虑的重点。镀铜钢接地材料是一种新型工艺，在全球已经得到了广泛的应用，镀铜钢接地材料在抗腐蚀性和施工工艺等方面的优势，完全能够替代纯铜接地网和钢地网，使用寿命能达到50年以上，且后期无需维护和改造。镀铜材料采用连续电镀铜枝术，垂直接地极采用在直径17.2合金钢表面电镀0.254厚铜层有效保证50年寿命，水平网采用镀铜圆钢成圈供应有效减少焊点次数并提高可靠性，焊接采用世界先进的电子放热焊接，瞬间放热温度为2700多度不需要提供外接电源有效保证焊点的全熔合。地材料的革新，是电站接地网的寿命和可靠性的有力保证，是接地安全系统的一次飞跃。在整体经济比较方面，全站地网增加投资不是很大，从长远考虑，平均费用远远低于传统接地材料，值得长期全面的推广。随着电力系统的发展，对变电所接地设计的要求也越来越高。长期、可靠、稳定、经济的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障，符合国家所提出的可持续发展、变电站全寿命管理的宗旨。接地系统长期安全可靠运行的关键在于品质好的接地材料和可靠的连接。本报告首先从从技术角度比较分析了镀铜接地网、铜接地网和钢接地网的特点；其次，对镀铜接地网、铜接地网与钢接地网的经济性进行比较分析。2.技术比较耐腐蚀性：接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，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，而且电气性能和物理性能稳定。铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），对内部的铜有很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。钢材在地下发生的是点腐蚀，其腐蚀状况如下所示：图1某滨海城市接地镀锌扁钢在3年之内发生的点蚀情况（钢材表面布满腐蚀坑，边缘腐蚀成刀口状）图2某内陆城市电缆沟接地扁钢发生的大气环境中的点蚀图3某内陆城市变电站接地网（不连接设备埋设180天的点腐蚀情况，镀锌钢表面布满大量直径超过3mm，深度超过1mm的点腐蚀坑）图4某滨海城市变电站接地网（不连接设备埋设380天的点蚀情况，镀锌钢表面布满直径超过3mm，深度超过2mm的大腐蚀坑）所以在增加钢接地体截面来防止因腐蚀而导致的截面减少，无法承载接地短路电流时，应采用钢材的点腐蚀速率，通过美国联邦标准局（NBS）在1910年至1950年做的金属材料腐蚀性研究报告NO.579可知，国际标准认定的钢材平均点腐蚀速率0.43mm/年（如图所示），在钢材表面镀锌保护钢材的作用有限，国内热镀锌工艺处理的镀锌层厚度为0.05~0.06mm，锌在地下也发生点蚀，其平均点蚀速率约为0.065mm/年，因此锌层一年后腐蚀殆尽。另外从该报告中可知，铜材没有点蚀的存在。镀铜钢接地棒1）钢芯镀铜接地棒钢棒材料按GB/T905-1994《冷拉圆钢六角钢尺寸、外形、重量及允许偏差》，采用抗拉强度不低于600N/mm2的钢材制造。2）铜层厚度依据国外UL467标准要求：镀铜钢接地棒棒身任意一点的铜层厚度不能少于0.25mm。铜层厚度可用符合ASTMe376标准的校准涡流（电磁）设备来测量。3）依据UL467附着力测试要求：将镀铜钢接地棒的一端斜切45度，夹在两块钢夹板之间或虎钳子之间，其间隙设置少于接地棒直径1mm，以保证切削下足够的铜层，将棒和铜层联结的部分暴露出来。通过钢板或钳子剥下铜层是允许的，但是不允许有明显的外套和钢芯分离迹象是。4）依据UL467延展性测试要求：在室温（25?0?2±5?0?2C）下，接地极的一段应该被加紧在夹具或钳口上，用一个垂直于镀铜钢接地棒的力在距离夹具40倍镀铜钢棒直径处，弯曲接地棒，使接地棒永久性弯曲成180度。镀铜层无剥落或翘皮开裂，表面无任何裂痕。镀铜圆钢1)钢芯由冷轧低碳钢组成，采用电镀工艺，以保证铜和钢之间是分子联结而不是物理连接；镀铜层厚应＞0.25mm以上，镀铜层要求：采用电镀的方法在钢芯外表先镀上金属镍，再在镍的表面镀上铜以保证铜和钢之间的粘合性，确保安装使用过程中，铜层不起翘不开裂不剥落；2)镀铜圆钢符合IEC62305和EN62561-2等相关雷电保护标准。3)抗拉强度超过550N/mm?0?54)镀铜圆钢通过UL标准要求，具有UL证书，该证书可通过www.ul.com网站进行验证。5)延展性测试：在室温（25o±5oC）下，接地棒的一端应该被加紧在夹具或钳口上，用一个垂直于镀铜圆钢的力在距离夹具40倍于镀铜圆钢弯曲处，使其永久性弯曲成180度，镀铜层应无剥落或翘皮开裂，表面无任何裂痕。6)铜附着力测试：将镀铜钢接地棒的一端斜切45度，夹在两块钢夹板之间或虎钳子之间，钢夹板之间或虎钳子之间的间隙设置少于镀铜圆钢直径1mm，以保证切削下足够的铜层，将钢芯和铜层联结的部分暴露出来。在钢芯和铜层之间不允许有明显的分离迹象。接地体连接方式只有可靠的、牢固的链接才能保证接地网的运行可靠性。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。铜接地体的连接方式一般为放热焊接连接法，利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程时间很短，反映所产生的热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成。目前铜接地体主要有以下两种种连接方式：（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问、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。使用铜焊时，尤其是大截面导体的铜焊，对于现场的操作和施工环境有比较高的要求，但是电力工程接地系统都是在野外，施工环境恶劣，无法满足铜焊所需的焊接环境。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）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，整个过程需时很短（仅数秒），反应所产生的热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成。铜基放热反应的一般公式是：3Cu2O+2Al→Al2O3+6Cu+热量放热焊接接头的特性：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，通电流能力与原导体相同；4.接头电阻低，能承受故障大电流冲击，不至熔断。放热焊接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线的连接。这种焊接方式操作简单、焊接速度快，而且接头的耐腐蚀性好、电阻低、连接可靠，在国际上获得了大规模的应用。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、搬动方便；4.焊接速度快捷，节省人工；5.从焊接头的外观上便能鉴定焊接的质量；6.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IEEEStd80大纲等规程中指定为接地导体的连接方式。综上所述，放热焊接是铜接地体的理想连接方式，方便快捷的操作、优秀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。3.经济比较3.1钢接地体截面选择根据IEEEstd80-2000标准关于镀铜圆钢的计算推导、省公司辽电生部【2009】12号文《关于下发<辽宁省电力有限公司交流电气接地装置应用导则>（试行）的通知》以及电科院相关热稳定性试验数据，钢接地体的热稳定系数为70，镀铜圆钢的热稳定系数为135，纯铜的热稳定系数为210。根据电流和短路时间的长短，就可以计算出在同等的条件下，不同材料所需的截面积。接地体截面选择忽略腐蚀的影响对铜接地体进行热稳定校验时，接地引下线的最小截面应满足下式：eggtCIS式中：gS—接地引下线的最小截面，mm2；gI—流过接地引下线的短路电流稳定值，A（根据系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定）；et—短路电流的等效持续时间，s；C—接地引下线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地引下线的初始温度确定。单相接地短路电流按51kA设计。短路等效持续时间ofmetttt式中：et—短路电流的等效持续时间，s；mt—主保护动作时间，s；ft—断路器失灵保护动作时间，s；ot—开关固有动作时间，s；根据系统保护整定时间，短路等效持续时间取0.4秒，纯铜接地材料所需截面计算如下（单位：mm2）：6.1534.021051000gS纯铜水平网所需截面为引下线的75%，即Sg×0.75=115.2所以当采用纯铜地网时，应当采用50×5的纯铜排作为接地引下线，水平接地体截面取150mm?0?5的镀锡铜绞线。镀铜钢接地材料所需截面计算如下（单位：mm2）：9.2384.013551000gS镀铜水平网所需截面为引下线的75%，即Sg×0.75=179.2所以当采用纯铜地网时，应当采用直径18mm（截面积254.34mm?0?5）的镀铜圆钢作为接地引下线，水平接地体取直径15.8mm（截面积195.97mm?0?5）的镀铜圆钢。钢引下线所需截面计算如下（单位：mm2）：8.4604.07051000gS镀铜水平网所需截面为引下线的75%，即Sg×0.75=345.6当采用钢地网方案时，除了考虑热稳定校验的因素外，还应当考虑钢材的年平均点腐蚀厚度0.43mm/年。按照15年寿命考虑，钢材腐蚀厚度为：0.43*150年=6.45mm。所以应当采用100×12的扁钢作为接地引下线（要考虑引下线入地段的腐蚀情况而非单纯的大气环境腐蚀），水平接地体应当采用100×12的扁钢。综上所述，镀铜与铜接地体的截面明显小于钢接地体。3.2材料统计铜接地方案的材料统计结果见表1，铜镀钢接地方案的材料统计见表2，镀锌扁钢接地方案的材料统计结果见表3，表1采用铜接地设计的材料表序号名称型号及规范单位数量备注1紫铜棒Φ20cm，L＝2500根586主接地网垂直接地体2镀锡铜绞线150mm?0?5m40000主接地网3铜排50×5m40000设备引下线4焊接点个13000表2采用镀铜钢接地设计的材料表4序号名称型号及规范单位数量备注1镀铜钢接地极Φ17.2mm，L＝2500m根586主接地网垂直接地体2镀铜圆钢直径15.8mmm40000主接地网3镀铜圆钢直径18mmm40000设备引下线4焊接点个10000表3采用钢接地设计的材料表序号名称型号及规范单位数量备注1热镀锌角钢L50×5L=2500根586主接地网垂直接地体2热镀锌扁钢－100×12m40000主接地网3热镀锌扁钢－100×12m40000设备引下线4焊接点个300003.3安装工程预算表铜接地方案的造价见表4、镀铜接地方案造价见表5，钢接地方案的造价见表6。表4基本直接费明细（纯铜）编号项目名称及规范单位数量单价其中合价其中人工费材料费机械费人工费材料费机械费1垂直接地极制作安装（镀铜钢垂直接地极）根58623.1511.951.739.4713565.97002.71013.785549.422镀锡铜绞线的铺设10m8000222.69204.1318.5601781520163304014848003土方开挖及回填10m?0?6160041.212.5028.765920200000459204接地母线连接点10处13001501502430019500019500031590000主材费用明细编号单位数量单价合价5镀锡铜绞线150mm?0?5主接地网m40000.00110.004,400,0006铜排5*50设备引上线m40000.00170.006,800,0007铜棒直径20mm，长2.5m根586.00525.00307,6508损耗%1.0011,507,650.0011,507,650安装工程取费费用名称计算表达式金额一直接工程费[二]+[三]+[四]6,599,675二基本直接费[10]+[11]+[12]+[13]5,302,1939人工费人工费1,855,04310材料费材料费3,308,49411机械费机械费51,46912变电安装工资调整[9]*4.7%87,187三其他直接费[13]+[14]393,08413冬雨季施工增加费[9]*12.85%238,37314施工工具用具使用费[9]*8.34%154,711四现场经费[15]+[16]904,39915临时设施费[二]*3.15%167,01916现场管理费[9]*39.75%737,379五间接费[六]+[七]+[八]1,627,953六企业管理费[17]+[18]+[19]1,343,79317企业基本管理费[9]*35.54%659,28218职工基本养老保险和失业保险[9]*22%408,10919工会经费、教育经费和住房公积金[9]*14.9%276,401七财务费用[二]*1%53,022八施工机构转移费[9]*12.46%231,138九计划利润([一]+[五])*7%575,934十税金（[一]+[五]+[九]）*3.41%300,201十一含税工程造价[一]+[五]+[九]+[十]9,103,764十二工程总造价主材费用+损耗+安装工程取费32,119,064表5基本直接费明细（镀铜钢）编号项目名称及规范单位数量单价其中合价其中人工费材料费机械费人工费材料费机械费1垂直接地极制作安装（镀铜钢垂直接地极）根58623.1511.951.739.4713565.97002.71013.785549.422镀铜圆钢的铺设10m8000222.69204.1318.5601781520163304014848003土方开挖及回填10m?0?6160041.212.5028.765920200000459204接地母线连接点10处1000253010024300253000010000024300000主材费用明细编号单位数量单价合价5镀铜圆钢直径15.8mmm40000.0093.003,720,0006镀铜圆钢直径18mmm40000.00120.004,800,0007直径17.2mm，长度2.44米镀铜钢接地棒根586.00290.00169,9408损耗%1.00868994086,899安装工程取费费用名称计算表达式金额一直接工程费[二]+[三]+[四]5,687,220二基本直接费[10]+[11]+[12]+[13]4,473,7289人工费人工费1,760,04310材料费材料费2,579,49411机械费机械费51,46912变电安装工资调整[9]*4.7%82,722三其他直接费[13]+[14]372,95313冬雨季施工增加费[9]*12.85%226,16514施工工具用具使用费[9]*8.34%146,788四现场经费[15]+[16]840,53915临时设施费[二]*3.15%140,92216现场管理费[9]*39.75%699,617五间接费[六]+[七]+[八]1,539,014六企业管理费[17]+[18]+[19]1,274,97517企业基本管理费[9]*35.54%625,51918职工基本养老保险和失业保险[9]*22%387,20919工会经费、教育经费和住房公积金[9]*14.9%262,246七财务费用[二]*1%44,737八施工机构转移费[9]*12.46%219,301九计划利润([一]+[五])*7%505,836十税金（[一]+[五]+[九]）*3.41%263,664十一含税工程造价[一]+[五]+[九]+[十]7,995,734十二工程总造价主材费用+损耗+安装工程取费16,772,573表6基本直接费明细(钢材)编号项目名称及规范单位数量单价其中合价其中人工费材料费机械费人工费材料费机械费1垂直接地极安装根58630.8816.612.9111.3618095.689733.461705.266656.962扁钢的铺设10m8000216.08209.132.534.421728640167304020240353603土方开挖及回填10m?0?6160041.212.5028.765920200000459204接地母线连接点10处30003282104078984000630000120000234000主材费用明细编号单位数量单价合价5100×12扁钢主接地网m40000.0075.803,032,0006100×12扁钢设备引上线m40000.0075.803,032,000750×5角钢根586.0025.0014,6508损耗%2.006078650121,573安装工程取费费用名称计算表达式金额一直接工程费[二]+[三]+[四]4,419,437二基本直接费[9]+[10]+[11]+[12]2,906,2969人工费人工费2,332,77310材料费材料费141,94511机械费机械费321,93712变电安装工资调整[9]*4.7%109,640三其他直接费[13]+[14]494,31513冬雨季施工增加费[9]*12.85%299,76114施工工具用具使用费[9]*8.34%194,553四现场经费[15]+[16]1,018,82615临时设施费[二]*3.15%91,54816现场管理费[9]*39.75%927,277五间接费[六]+[七]+[八]2,009,588六企业管理费[17]+[18]+[19]1,689,86117企业基本管理费[9]*35.54%829,06818职工基本养老保险和失业保险[9]*22%513,21019工会经费、教育经费和住房公积金[9]*14.9%347,583七财务费用[二]*1%29,063八施工机构转移费[9]*12.46%290,664九计划利润([一]+[五])*7%450,032十税金（[一]+[五]+[九]）*3.41%234,576十一含税工程造价[一]+[五]+[九]+[十]7,113,632十二工程总造价主材费用+损耗+安装工程取费13,313,8553.4指标及评价采用“年费用法”对两种接地方案进行经济评价。“年费用法”是指将技术方案在分析期内的总费用（包括投资及经营费用）按资金回收系数（总费用为终值时，则按偿债基金系数）平均分配到使用年限的每年的费用，并比较年费用的大小，以年费用小的方案为优。年费用不但包含了年经营费用，而且还包含了投资因素，即包含了资金（或建设投资）的恢复费用，因此采用“年费用法”计算是本评价的最优选择。年费用通用计算公式为：),,/)(,,/(]),,/(),,/([11nrPAmrPFtrFPUtrFPZGnmmttmt按照三种地网设计都为50年计由此得出：钢接地网的年费用为：1331.3855×0.1030+(1331.3855/15×6%)×9.712＝188.86万元需要说明的是，虽然设计时考虑了腐蚀的情况，但由于钢地网的点腐蚀特性，地网仍无法保证50年的寿命，需要每隔几年定期开挖检测，以确定没有点腐蚀现象发生，所以后续的开挖及检测费用仍然高昂。而镀铜地网和铜地网则无需进行后续开挖维护。纯铜接地网的年费用为:3211.9064×0.0665+(3211.9064/50×6%)×15.046＝271.65万元镀铜钢接地网的年费用为：1677.2573×0.0665+(1677.2573/50×6%)×15.046＝141.82万元采用“年费用法”得到的经济评价结果见表6。表6经济评价项目单位钢接地铜接地镀铜钢接地静态投资万元1331.38553211.90641677.2573施工期月422导通试验、测试费用说明万元／年5无无寿命期年15年5050年费用万元188.86271.65141.82说明：导通试验每年一次，等年计算；接地网测试6年一次，每年摊销。可见，考虑综合成本，镀铜钢接地方案比钢接地方案和铜接地方案都经济。3.5结论在技术上，镀铜钢接地相对于镀锌钢接地有如下优点：（1）镀铜钢相对钢接地网具有：导电性能优、热稳定性能好、耐腐蚀能力强、施工方便、寿命长、投运后检验维护工作量少、无污染等优点。（2）采用镀铜相对于采用镀锌扁钢的接地网，接地体的截面大为减小，使施工成本和施工难度大幅度降低，加快了工程建设周期；（3）镀铜采用放热焊接，确保连接点为分子结合、无腐蚀、无松弛、导电能力和原导体保持一致。并且放热焊接操作简单快捷简单，焊点美观可靠，是真正可靠、牢固、永久的连接。（4）镀铜圆钢都可以成盘或成卷供应，仓促和运输方便，并且可以连续的铺设，导体间连接点更少。相对6米/根的扁钢接地体，施工的速度更快，连接点更少，地网系统更可靠、稳定。根据综合考虑，推荐技术优越且投资相对便宜的镀铜钢接地方案。