牽引變電所銅接地網與鋼接地網的比較

2011-06-27 05:11:42鄭修斌

電氣化鐵道 2011年6期

鄭修斌

0 概述

隨著電氣化鐵路的快速發展，對牽引變電所接地設計的要求也越來越高。國內傳統接地體均采用鋼材質，其主要原因是國內自身銅材短缺。為節約有色金屬，傳統牽引變電所接地原則上“以鋼代銅”，長期以來該做法得到推廣和認同。在鐵路建設中，目前大部分牽引變電所接地仍然使用鍍鋅扁鋼作為接地材料，而國外客運專線則選用熱穩定性能好、導電性能強、耐腐性強的銅材做接地，其連接采用先進的放熱焊接技術。本文試圖從技術經濟方面，通過事例論證其利弊，從而給出一個科學合理的結論。

1 技術比較

結合銅接地網和鋼接地網的特點，筆者從銅和鋼性能、接地體截面選擇、接地體連接方式、接地點布置等方面進行比較。

1.1 性能比較

分別從導電性、熱穩定性、耐腐蝕性等方面比較銅接地體與熱鍍鋅鋼接地體的差異。

1.1.1 導電性能

銅和鋼在20?C時的電阻率分別是17.24×10-6和 138×10-6（Ω·mm），因此銅的導電率是鋼的 8倍。即銅接地體導電性能較鋼接地體好。

1.1.2 熱穩定性

銅的熔點為1083?C，短路時最高允許溫度為450?C；而鋼的熔點為1510?C，短路時最高允許溫度為400?C。因此，接地體截面相同時，銅材熱穩定性較好。同等熱穩定性能時，鋼接地體所需的截面積為銅材的3倍。

1.1.3 耐腐性

接地體的腐蝕主要有化學腐蝕和電化學腐蝕2種形式，在多數情況下，這2種腐蝕同時存在。銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10～1/50，是鍍鋅鋼耐腐蝕性的3倍以上，且電氣性能穩定。

銅的表面會產生附著性極強的氧化物（銅綠），該氧化物能夠對內部的銅起很好的保護作用，阻斷腐蝕的形成。當銅與其他金屬（鋼結構、水管、氣管、電纜護套等）共存地下時，銅作為陰極不會受腐蝕，腐蝕的是后者。鋼材是逐層腐蝕，鍍鋅層具有一定的抗腐蝕性。

鋼接地體接頭部位經過高溫電弧焊接加工后會出現點腐蝕情況，一般最多只能保證10年。而銅腐蝕不存在點腐蝕，壽命較長。

可見，銅接地體的耐腐性顯著優于鋼接地體。

1.1.4 銅接地體施工方便

設計推薦水平主網采用銅絞線，由于銅絞線柔性好，允許的彎度半徑小，所以拐彎方便，穿管容易。銅線的高機械強度，使其能夠成卷供貨，便于機械化施工。搭接處采用放熱焊接，操作方便，加快施工進度，節省人工費用，簡化施工工藝，更重要的是保證了銅接地網的連接質量。

設計推薦垂直地網采用銅鍍鋼接地棒，由于接地棒截面大大小于角鋼，在作垂直接地施工時工作量減小，并能垂直深入土壤，使通過加大垂直接地深度來降低接地電阻成為一種可能。

綜上所述，銅接地體與熱鍍鋅鋼接地體相比，銅接地體在導電性能、熱穩定性能、耐腐蝕性、接點焊接質量和施工便利方面有顯著的優越性。

1.2 截面選擇

（1）鋼接地體截面選擇。一般牽引變電所接地的主接地網采用50 mm×4 mm（截面200 mm2）的鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用50 mm ×5 mm（截面250 mm2）的鍍鋅角鋼。

（2）銅接地體截面選擇。忽略腐蝕的影響，對銅接地線進行熱穩定校驗時，銅接地線的最小截面應滿足下式：

式中，Sg為接地線的最小截面，mm2；Ig為流過接地線的短路電流穩定值，A；te為短路電流的等效持續時間，s；C為接地線材料的熱穩定系數，根據材料的種類、性能及最高允許溫度和短路前接地線的初始溫度確定。

計算用故障電流原則上應按變電所遠景最大運行方式、所內發生接地故障時的故障電流，當系統情況不是十分明確時，220 kV單相接地短路電流按50 kA設計。

短路等效持續時間

式中，te為短路電流的等效持續時間，s；tm為主保護動作時間，s；tf為斷路器失靈保護動作時間，s；to為開關固有動作時間，s。

根據保護整定時間，短路等效持續時間建議取0.6 s。

由規程DL/T621-1997《交流電氣裝置的接地》附錄C表C1查得銅的熱穩定系數為210，則銅接地線的截面計算如下（單位：mm2）：

對220 kV系統

根據電纜廠提供的產品樣本，一般選用的銅接地體規格有25，50，75，95，120，150，240 mm2等多種不同型號的多股裸銅線和銅排。

考慮腐蝕因素，并留有充分的裕度，220 kV變電所銅接地線的截面均取200 mm2（銅排）。水平接地網截面按照《交流電氣裝置的接地》（DL/T621-1997）規定，取接地線的75%，即水平接地體截面取150 mm2（裸銅絞線）。

綜上所述，銅接地體的截面顯著小于鋼接地體。

1.3 接地體連接方式

變電所的接地網金屬導體存在著大量的連接，只有可靠的、牢固的連接才能保證接地網的運行可靠性。

1.3.1 鋼接地體的連接方式

目前，鋼接地體之間的連接均為傳統的電弧焊接方式，高溫電弧會破壞接地體接頭部位的鍍鋅層，有可能導致點腐蝕的出現，嚴重影響接地體的壽命。此外，電弧焊接連接不是真正的分子性連接，焊接點對于接地體的導電性能也有影響。

對于鋼接地體能否采用放熱焊接連接法，設計也作過研究與嘗試，由于鋼接地體設計截面過大，未能被采用，主要原因是：大型、非標模具制造困難，造價高；焊粉用量大；由于鋼接地體本身防腐性能差，提高焊接質量意義不大；焊接點較多，費用太高。

1.3.2 銅接地體的連接方式

目前銅接地體主要有4種連接方式。

（1）銅銀焊連接法。扁銅條與扁銅條之間、扁銅條與裸銅絞線之間、裸銅絞線與裸銅絞線之間的連接都可以使用銅銀焊連接法，常用的銅銀焊接有乙炔焊、電弧焊等，但焊接都只是表面搭接，內部并沒有熔合，接頭不致密，性能只比壓接和螺栓連接略好，焊接接頭的性能還要取決于操作技術工的熟練程度，特別是銅焊容易出現焊接缺陷，無法從表面觀察焊接質量，因此，銅銀焊連接法在電力工程接地系統實際施工中很少應用。

（2）壓接線夾連接法。裸銅絞線與裸銅絞線之間的連接大多使用壓接線夾連接法。但該方法比較適用于2條裸銅絞線一對一連接，無法做好十字交叉連接。如要十字交叉，則要求有特殊的十字接線線夾，或者要先形成接地銅排和接地線夾，處理好兩者之間的接觸面后，再使用螺栓連接法。

（3）螺栓連接法。扁銅條與扁銅條之間、扁銅條與裸銅絞線之間、裸銅絞線與裸銅絞線之間的連接還可用螺栓連接，該方法與壓接線夾連接法互為補充。但螺栓連接處的接觸標準應按現行國家標準《電氣裝置工程母線裝置施工及驗收規范》的規定處理。目前，壓接線夾法和螺栓連接法在施工現場應用最為廣泛。

（4）放熱焊接連接法。放熱焊接也稱為火泥熔接，放熱焊接利用活性較強的鋁把氧化銅還原，整個過程需時很短（僅數秒），反應所放出的熱量足以使被焊接的導線端部融化形成永久性的分子合成。

放熱焊接的作業程序：a.將導線和模具清理干凈，再將模具用噴燈加熱以去除水分，然后把導線放入模具內；b.扣緊夾具以固定模具，把鋼片放入模具內；c.把焊接劑倒入模具內，將引燃劑撒在焊接劑及模具邊上；d.蓋上蓋子并點火，待金屬凝固后，將模具打開，清除熔渣，便可進行下一個焊接。

放熱焊接接頭外形美觀一致；連接點為分子結合，沒有接觸面，更沒有機械壓力，因此，不會松弛和腐蝕；具有較大的散熱面積，通電流能力與導體相同；熔點與導體相同，能承受故障大電流沖擊，不至熔斷。

放熱熔接連接法可以完成各種導線間不同方式的連接，如直通型、丁字型、十字型等；還可以完成不同材質導線的連接，如普通鋼鐵、銅、鍍鋅鋼、銅鍍鋼等之間的連接；甚至可以實現導體間不同形狀的連接，如銅導線與銅鍍鋼接地棒的連接、銅導線與銅板的連接、銅導線與接地鍍鋅鋼管的連接、導線與鋼筋的連接以及導線與槽鋼的連接。該方法接頭有著廣泛的連接方式，而且耐腐蝕性好且接觸電阻低，已逐步得到推廣應用。

放熱焊接的優點是焊接方法簡單，容易掌握；無需外接電源或熱源；供焊接用的材料、工具很輕、搬動方便；焊接速度快捷，節省人工；從焊口的外觀上便能鑒定焊接的質量；可用于焊接銅、銅合金、鍍銅鋼、各種合金鋼，包括不銹鋼及高阻加熱熱源材料。其缺點是價格高，基層施工人員對其特性認識不足。

在國外，放熱焊接已通過UL標準嚴格論證，并被IEEE Std80大綱等規程中指定為接地系統中埋地導體的連接方式。在國內，放熱焊接技術已通過國家電力公司武漢高壓研究所、浙江電力試驗研究所等部門產品質量監督檢驗中心的檢驗，并已應用在電力系統的重點工程。

綜上所述，放熱焊接是銅接地體的理想連接方式，雖然價格高，但其方便快捷的操作、優秀的焊接質量是其他連接方式不可實現的。正是因為具備這樣可靠、牢固的連接方式，銅接地體的性能比鋼接地體更勝一籌。

1.4 接地點布置

采用鍍鋅扁鋼設計的接地網，考慮到扁鋼會銹蝕，為保障可靠的接地，按《二十五項反措要求》：變壓器中性點應采用雙接地引下線、重要設備及設備構架宜采用雙接地引下線，且應接入主接地網的不同網格。

采用銅接地網后，可以忽略接地引下線的腐蝕、增強了引下線的熱穩定性，因此對于除變壓器中性點以外的接地引下線建議選用單接地引下線，不僅能夠滿足接地可靠性要求，還能夠降低投資。

2 經濟比較

2.1 材料統計

相同一座牽引變電所，鋼接地方案的材料統計結果見表1，銅接地方案的材料統計結果見表2。

表1 采用鋼接地設計的材料統計表

表2 采用銅接地設計的材料統計表

經計算，采用鋼接地方案的造價約25萬元；采用銅接地方案的造價約48萬元（其中焊接點造價約7萬元）。

2.2 指標及評價

采用“年費用法”對2種接地方案進行經濟評價。“年費用法”是指將技術方案在分析期內的總費用（包括投資及經營費用）按資金回收系數（總費用為終值時，則按償債基金系數）平均分配到使用年限的每年的費用，并比較年費用的大小，以年費用小的方案為優。年費用不但包含了年經營費用，而且還包含了投資因素，即包含了資金（或建設投資）的恢復費用，因此采用“年費用法”計算是本評價的最優選擇。

年費用通用計算公式為