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镀铜钢材料在变电站地网中的应用
2017-12-26
摘要 本文从技术角度分析镀铜接地网、铜接地网和钢接地网的特点，并结合某500kV变电站工程的接地网设计，对镀铜接地网、铜接地网与钢接地网的经济性进行比较，论证了铜覆钢材料是现阶段高侵蚀性环境下最合用的接地材料。
枢纽词 铜覆钢；变电站；接地材料
越来越多的变电站不得不建设在高侵蚀性的区域，若选用镀锌扁钢作接地材料，地网往往迅速被蚀穿蚀断；因此，设计通常选用铜作接地材料，但是铜不仅是一种重要战略物资，而且我国铜资源储量不足，不宜过多使用[1]；铜覆钢材料综合了两种接地材料的长处，是最合用的新型接地材料。
1 技术比较
1.1 耐侵蚀性
接地体的耐侵蚀性直接决定变电站地网的使用年限。接地体的侵蚀主要有面侵蚀和点侵蚀两种表现形式，面侵蚀是指平均侵蚀，这种侵蚀的跟接地体的材质和泥土侵蚀机能相关，速度比较不乱；点侵蚀主要存在于接头等轻易产生电化学侵蚀的部位，点侵蚀的速度是平均侵蚀速度的4倍～60倍，是威胁接地网安全的主要侵蚀形式[2]。
钢材本身的防腐能力很差，钢接地体主要靠外层镀锌进行防护。假如在施工过程中对焊接点等镀层破坏的地方防护不够，极易形成点侵蚀，变电所钢接地网一般十年就需要进行改造更换，很少能不乱工作十五年，即使大幅度的增大接地极截面也没有用，由于点侵蚀的速渡过快，很轻易蚀穿、蚀断水平地网。
铜接地体在泥土中的侵蚀速度大约是钢材的1/10～1/50[3]，铜材被侵蚀后的产物为碱式碳酸铜，会牢牢吸附于铜材表面，阻断侵蚀的进一步进行，还可以保护铜材不会产生点侵蚀。镀层公道时，镀铜钢的耐侵蚀性和铜材相称。铜或镀铜钢接地网可以不乱运行达60年之久。
1.2 导电率
地网材料的导电率直接影响变电站地网的工频电阻和冲击电阻。按照国际退火铜尺度（IACS）划定的导电率，尺度铜的导电率为100%，尺度钢仅为10.8%，铜的导电率约是钢的10倍。镀铜钢材料根据镀层厚度不同，导电率约为20%～40%，远好于钢质接地材料。在高频雷电流冲击时，因为导体的集肤效应更加显著，镀铜钢接地材料的高频导电特性比钢接地材料上风进一步扩大。
1.3 热不乱性
接地材料的截面积主要取决于它的热不乱性。表征材料热不乱性特征的材料的热不乱系数C。铜材的热不乱系数为210，钢材为70，而30%镀铜钢绞线约176。相同短路前提下，钢接地体所需的截面积为铜材的3倍，是30%镀铜钢绞线的2.5倍。
1.4 施工难易度
变电站接地设计中，钢接地网一般采用镀锌扁钢作为水平地网材料，镀锌角钢作为垂直地网材料；铜覆钢地网一般采用镀铜钢绞线作为水平地网材料，采用镀铜圆钢作为垂直接地极。镀锌扁钢受镀槽长度限制，每根长度一般不超过6m，变电站的水平地网长度通常在100m～300m左右，整个地网敷设时就会产生大量的搭接接头，而镀铜钢绞线每盘线的长度可以达到200m，可大大减小接头数目，不仅减少很多施工量，还可以进步系统可靠性。作为垂直接地极镀铜圆钢接地棒比镀锌角钢更轻易打入泥土深处，接地施工也更利便。
1.5 焊接可靠性
镀锌扁钢的搭接主要靠电弧焊，接时因为焊点温度高，焊弧直接暴露在空气中，当空气侵入时，液态金属会发生强烈的氧化、氮化反应，还有大量金属蒸发，而且空气中的水分在电弧高温下分解出的氢原子可以溶入液态金属中，导致接头氢脆[4]，塑性和韧度降低，甚至产生裂纹。另外，因为手工焊接时，焊点直接暴露在空气中，焊接后冷却很快，各种冶金反应难以达到平衡状态，焊缝中化学成分不平均，且熔池中气体、氧化物等来不及浮出，轻易形成气孔、夹渣等缺陷，造成虚焊或者焊不透，影响接地体的导电性。同时，电弧焊的质量受焊接工人的技术影响也比较大，不不乱因素较多。
镀铜钢材料的搭接主要靠放热焊，放热焊是在焊点附近放入焊药后，利用夹件严密包裹焊点，反应过程中，焊点基本不接触空气。另外放热焊的焊接原理是接利用活性较强的铝把氧化铜还原[1]，快速反应放出大量的热量，融合焊件端部，形成焊点，焊点的结合是一种分子合成，没有接触面、接触电阻和机械应力，不轻易松弛和侵蚀；焊点冷却也是在夹件包裹中缓慢冷却，焊点冶金反应比较充分，可靠性更高。
2 经济比较
山东某500kV变电站所设计地网的基本情况如下：
1）变电站的长220m，宽135m，地网总面积为29 700m2；
2）变电站单相接地及两相短路时的最大短路电流水平为38kA；
3）水平地网安装10m见方网格进行敷设；
4）接地网设计使用年限60年。
经热不乱校验、接触电势、跨步电势校验后，采用三种接地材料所做的接地网方案投资对比分析见表1。
从表1可见，铜材和镀铜钢材的投资基本相称，一次性投资基本为热镀锌钢材价格的两倍；但是全寿命周期总投资则仅为热镀锌钢材价格的一半左右；若是计入地网改造的设计、施工等用度，以及变电站停电带来的隐形损失，则铜材和镀铜钢材的全寿命周期的经济性上风更大。
3 镀铜钢材料在接地应用中发现的题目
1）若室内接地网或者设备接地引下线采用镀锌扁钢材料，与主接地网进行热熔焊之后，直接构成原电池侵蚀，因此埋入地下的镀锌扁钢接地材料必需在表面做进一步防腐处理；
2）镀铜钢绞线做接地极时，轻易泛起散股、断股题目，设计时热不乱截面需考虑一定的工程裕度；
3）镀铜圆钢因为单根出产长度受限制，一般不超过6m，作为水平地网材料使用时则会产生焊点过多的题目。
4 结论
综上所述，镀铜钢材既继续了铜材的耐侵蚀性，又大量节约了铜材；它的主要技术指标介于铜和镀锌钢材之间，比镀锌钢材有较大上风。镀铜钢材用作地网材料固然初期投资较镀锌扁钢要高，但是全寿命周期看经济性仍优于镀锌扁钢，因此，镀铜钢材是一种优良的新型地网材料。镀铜钢绞线 电解离子接地极 镀铜扁钢 镀铜接地棒 打入式镀铜离子接地极 铜覆钢圆线
枢纽词 铜覆钢；变电站；接地材料
越来越多的变电站不得不建设在高侵蚀性的区域，若选用镀锌扁钢作接地材料，地网往往迅速被蚀穿蚀断；因此，设计通常选用铜作接地材料，但是铜不仅是一种重要战略物资，而且我国铜资源储量不足，不宜过多使用[1]；铜覆钢材料综合了两种接地材料的长处，是最合用的新型接地材料。
1 技术比较
1.1 耐侵蚀性
接地体的耐侵蚀性直接决定变电站地网的使用年限。接地体的侵蚀主要有面侵蚀和点侵蚀两种表现形式，面侵蚀是指平均侵蚀，这种侵蚀的跟接地体的材质和泥土侵蚀机能相关，速度比较不乱；点侵蚀主要存在于接头等轻易产生电化学侵蚀的部位，点侵蚀的速度是平均侵蚀速度的4倍～60倍，是威胁接地网安全的主要侵蚀形式[2]。
钢材本身的防腐能力很差，钢接地体主要靠外层镀锌进行防护。假如在施工过程中对焊接点等镀层破坏的地方防护不够，极易形成点侵蚀，变电所钢接地网一般十年就需要进行改造更换，很少能不乱工作十五年，即使大幅度的增大接地极截面也没有用，由于点侵蚀的速渡过快，很轻易蚀穿、蚀断水平地网。
铜接地体在泥土中的侵蚀速度大约是钢材的1/10～1/50[3]，铜材被侵蚀后的产物为碱式碳酸铜，会牢牢吸附于铜材表面，阻断侵蚀的进一步进行，还可以保护铜材不会产生点侵蚀。镀层公道时，镀铜钢的耐侵蚀性和铜材相称。铜或镀铜钢接地网可以不乱运行达60年之久。
1.2 导电率
地网材料的导电率直接影响变电站地网的工频电阻和冲击电阻。按照国际退火铜尺度（IACS）划定的导电率，尺度铜的导电率为100%，尺度钢仅为10.8%，铜的导电率约是钢的10倍。镀铜钢材料根据镀层厚度不同，导电率约为20%～40%，远好于钢质接地材料。在高频雷电流冲击时，因为导体的集肤效应更加显著，镀铜钢接地材料的高频导电特性比钢接地材料上风进一步扩大。
1.3 热不乱性
接地材料的截面积主要取决于它的热不乱性。表征材料热不乱性特征的材料的热不乱系数C。铜材的热不乱系数为210，钢材为70，而30%镀铜钢绞线约176。相同短路前提下，钢接地体所需的截面积为铜材的3倍，是30%镀铜钢绞线的2.5倍。
1.4 施工难易度
变电站接地设计中，钢接地网一般采用镀锌扁钢作为水平地网材料，镀锌角钢作为垂直地网材料；铜覆钢地网一般采用镀铜钢绞线作为水平地网材料，采用镀铜圆钢作为垂直接地极。镀锌扁钢受镀槽长度限制，每根长度一般不超过6m，变电站的水平地网长度通常在100m～300m左右，整个地网敷设时就会产生大量的搭接接头，而镀铜钢绞线每盘线的长度可以达到200m，可大大减小接头数目，不仅减少很多施工量，还可以进步系统可靠性。作为垂直接地极镀铜圆钢接地棒比镀锌角钢更轻易打入泥土深处，接地施工也更利便。
1.5 焊接可靠性
镀锌扁钢的搭接主要靠电弧焊，接时因为焊点温度高，焊弧直接暴露在空气中，当空气侵入时，液态金属会发生强烈的氧化、氮化反应，还有大量金属蒸发，而且空气中的水分在电弧高温下分解出的氢原子可以溶入液态金属中，导致接头氢脆[4]，塑性和韧度降低，甚至产生裂纹。另外，因为手工焊接时，焊点直接暴露在空气中，焊接后冷却很快，各种冶金反应难以达到平衡状态，焊缝中化学成分不平均，且熔池中气体、氧化物等来不及浮出，轻易形成气孔、夹渣等缺陷，造成虚焊或者焊不透，影响接地体的导电性。同时，电弧焊的质量受焊接工人的技术影响也比较大，不不乱因素较多。
镀铜钢材料的搭接主要靠放热焊，放热焊是在焊点附近放入焊药后，利用夹件严密包裹焊点，反应过程中，焊点基本不接触空气。另外放热焊的焊接原理是接利用活性较强的铝把氧化铜还原[1]，快速反应放出大量的热量，融合焊件端部，形成焊点，焊点的结合是一种分子合成，没有接触面、接触电阻和机械应力，不轻易松弛和侵蚀；焊点冷却也是在夹件包裹中缓慢冷却，焊点冶金反应比较充分，可靠性更高。
2 经济比较
山东某500kV变电站所设计地网的基本情况如下：
1）变电站的长220m，宽135m，地网总面积为29 700m2；
2）变电站单相接地及两相短路时的最大短路电流水平为38kA；
3）水平地网安装10m见方网格进行敷设；
4）接地网设计使用年限60年。
经热不乱校验、接触电势、跨步电势校验后，采用三种接地材料所做的接地网方案投资对比分析见表1。
从表1可见，铜材和镀铜钢材的投资基本相称，一次性投资基本为热镀锌钢材价格的两倍；但是全寿命周期总投资则仅为热镀锌钢材价格的一半左右；若是计入地网改造的设计、施工等用度，以及变电站停电带来的隐形损失，则铜材和镀铜钢材的全寿命周期的经济性上风更大。
3 镀铜钢材料在接地应用中发现的题目
1）若室内接地网或者设备接地引下线采用镀锌扁钢材料，与主接地网进行热熔焊之后，直接构成原电池侵蚀，因此埋入地下的镀锌扁钢接地材料必需在表面做进一步防腐处理；
2）镀铜钢绞线做接地极时，轻易泛起散股、断股题目，设计时热不乱截面需考虑一定的工程裕度；
3）镀铜圆钢因为单根出产长度受限制，一般不超过6m，作为水平地网材料使用时则会产生焊点过多的题目。
4 结论
综上所述，镀铜钢材既继续了铜材的耐侵蚀性，又大量节约了铜材；它的主要技术指标介于铜和镀锌钢材之间，比镀锌钢材有较大上风。镀铜钢材用作地网材料固然初期投资较镀锌扁钢要高，但是全寿命周期看经济性仍优于镀锌扁钢，因此，镀铜钢材是一种优良的新型地网材料。镀铜钢绞线 电解离子接地极 镀铜扁钢 镀铜接地棒 打入式镀铜离子接地极 铜覆钢圆线
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