應用在變電站的幾種接地材料

謝 靖 馬葉芝

（1.徐州華電電力勘察設計有限公司，江蘇 徐州 221005;2.華北電力大學（保定），河北 保定 071003）

隨著城市建設與經濟的發展，變電站的用地越來越受到限制，占地面積越來越小，城市邊角用地、山腳高土壤用地等不利因素給變電站的接地帶來一定的困難。采用傳統的熱鍍鋅扁鋼很難降低接地網的接地電阻，滿足不了跨步電壓及接觸電勢的要求，于是市場上出現了銅覆鋼產品，按照其生產工藝誕生出常見的幾種新材料和連接工藝，如連鑄銅包鋼接地材料、鍍銅接地材料、銅包鋼接地材料、銅鑄鋼接地材料、電解離子接地體等。本文就以上幾種材料及連接工藝做一比較，談談自己的想法。

1 接地材料

1.1 鍍銅材料

生產工藝：采用電鍍工藝，利用電解原理在處理干凈的鋼材表面上鍍上銅層的加工工藝。需將鋼芯外表面前期先鍍鎳，以增強銅分子的電鍍緊密性。目前較先進的接地材料電鍍工藝采用的是四維電鍍法，它優于傳統的堆鍍法，該工藝中鋼芯本身自轉，同時以一定的速度向前運動，以確保鋼芯表面銅層厚度均勻。而傳統的堆鍍法鋼芯本體不旋轉，也不向前運動，因此銅層厚度有可能不均勻，上薄下厚。但四維電鍍法讓導體自身產生水平和垂直上的運動，避免了厚度不均勻的問題。

所以鍍銅材料銅與鋼的結合是否緊密，是否為分子滲透，隨意彎折刮擦銅層是否剝落是我們要關注的問題。另外鍍銅材料的厚度往往是最重要而又被忽視的參數。這種材料在我國市場上近幾年才開始，而在國外市場開始于20世紀90年代初。

1.2 連鑄銅包鋼材料

生產工藝：采用水平連鑄（無氧熱鍍）工藝，將處理干凈的鋼絲（鋼棒）在氮氣保護下加熱到較高溫度，同時利用工頻爐將電解銅加熱熔化，將鋼絲（鋼棒）快速通過銅液并在出口處結晶成銅包鋼棒，再拉制成銅包鋼導體。該工藝是將電解銅加熱至 1200℃熔化液態后，再次結晶在鋼芯上，在1200℃時銅鋼結合面形成合金化過鍍層，雙金屬界面完全牢固結合，從而實現銅與鋼之間可延性冶金熔接，成為單一復合體，可像拉拔單一金屬一樣任意拉拔，不出現脫節、翹皮、開裂現象。

所以它的優點是：①銅與鋼實現了冶金分子結合、成為單一復合體；②可任意調節銅層厚度（常規1mm）；③防腐特性更優，使用壽命較長；④表層為無氧銅，導電性更好。主要缺點是：工藝較復雜、相比之下成本較高。

1.3 銅包鋼材料

生產工藝：采用包覆（冷拉）工藝，將銅管包覆在鋼芯外表面，銅管與鋼芯之間為物理壓接。因而存在：①接合面在非純平的表面存在空隙，電氣傳導性有安全隱患；②若與巖石或建筑垃圾等硬塊刮擦的話，銅皮易破損起卷，水汽進入接合面將導致材料的雙金屬反應，加速內部鋼芯的腐蝕速度；③直徑太小的鋼芯無法采取這種工藝生產，包裹過程中銅層易破裂。

這種材料在國內市場出現時間不到10年。在臺鉗模擬安裝中，①易出現了銅層剝落的狀況；②接地材料在安裝時，出現過接地鋼芯已入地，銅管確還留在地面的情況；③由于市場上銅管生產廠家生產能力的問題，銅管長度有限（最長不超過 6m），銅管直徑有限（最小約 8mm）。因此銅包鋼接地材料也無法突破這個局限，相應的絞線均沒有這種材料生產的（絞線長度上千米，單股線徑小于4mm，還需要彎折成卷），能提供的只有接地棒這種形狀。

1.4 銅鑄鋼（電鑄）材料

生產工藝：該材料在生產中，先將銅材通過電流熔解，然后讓鋼芯穿過熔解的銅液，利用銅液液態的特性讓其附著在鋼芯表面，冷卻后包覆住鋼芯，因此也有的廠家稱這種工藝為電鑄銅接地材料，實際上和早前市場上出現的銅鑄鋼原理一樣，稱呼不同而已。由于銅液在加工中溫度很高，鋼芯表面的雜質在高溫中碳化，形成中空的氣孔，銅鋼接觸面積小于鋼芯表面，電阻過大。另外因重力的影響，銅層附著在鋼芯表面也不均勻，上薄下厚。銅液在加工過程中并未熔解鋼芯（否則就變成銅、鋼混合液了），因此鋼芯和銅的結合也是物理面的結合，要滿足厚度不小于0.25mm的企業標準有些困難。

這種材料的出現晚于國內的銅包鋼接地材料，由于其早期加工工藝的局限性（需要大量電熔解銅）導致成本過高，因此銷量不大。后期部分廠家把電鍍生產的接地產品（厚度不達標）改稱為電鑄或銅鑄鋼接地材料，混淆了生產工藝，以達到避免用戶關注厚度的目的。

1.5 電解離子接地棒

原理：電解離子接地棒做為一種特殊接地極，使用在山區等高土壤電阻率的場合，通過管壁的呼吸孔和釋放孔，潮解銅管內部的電解質，讓游離態的離子通過潮氣等方式在管體下部形成樹根狀的導電通道，本質上是加大地網的導流面積以降阻。游離態的離子在雨水的長期沖刷下易流失，在這種情況下需要再次往管內添加電解質。多雨或地下水脈的臨時增加會直接影響離子接地棒的使用壽命。

材料背景及市場情況：①有的廠家為了節約成本，擴大利潤空間，在電解質的使用上多數選用工業鹽這種材料，但工業鹽溶于水，保持性非常差，同時分解的重金屬容易污染環境，所以這種電解離子接地極使用效果一般1～2年左右，過了時間接地電阻會大幅度反彈；②有的廠家為每根電解離子接地棒采用了先進的緩釋技術配有接地觀測井，用以標識其安裝位置，及檢測觀察離子棒的使用情況。從而保證了接地棒的持續降阻效果，且分解物不污染環境。

1.6 降阻劑

生產原料：降阻劑一般采用導電率遠低于土壤的物質組成，是一種改良土壤導電性的輔助降阻材料。按其成份劃分有物理降阻劑和化學降阻劑，物理降阻劑使用大自然本身存在的物質加工而成，其特點是導電率低，環境的改變也不會導致材料發生化學分解，不污染環境，不溶于水保持性好。化學降阻劑采用化工生產出來的原料，多為工業鹽，其特點是前期降阻效果良好，后期接地電阻反彈厲害，保持性差，污染環境。通常這類降阻劑進行PH測試呈酸性，酸性對地網中的金屬材料特別是鋼材腐蝕嚴重。因此使用這類降阻劑的地網接地電阻反彈主要有兩個原因：①降阻劑遇水熔解流失；②降阻劑呈酸性加快了地網的腐蝕速度，地網導體截面縮小，部分斷裂。

材料背景及市場情況：就目前市場上存在二類降阻劑，物理降阻劑和化工降阻劑。物理降阻劑主要原料為碳化電石和一定比例的水泥。碳化電石俗稱火山灰，是火山噴發產生的天然物質，這種物質導電性優異（電阻率0.12Ω·m），而且幾百年都不分解（含碳結構），成本低廉，使用效果優異。化工降阻劑采用的主材料都是化工原料，使用后，地網腐蝕情況嚴重，周邊農作物大面積枯死。降阻劑這個說法是國內廠家提出，其實國際統一稱呼為接地改良材料，其均為物理性的，即不分解，無污染，低電阻，呈堿性。如果不滿足以上的要求，則不能叫接地改良材料，更不能使用。

2 接地材料的連接

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。

2.1 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，在做接頭施工時，有可能存在以下問題：電弧產生的高溫和電離子有可能破壞接頭部位的鍍鋅層或發生化學反應，因而降低材料的導電性并加速接頭的腐蝕，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，主要原因為：①大型、非標模具制造困難，造價高；②焊粉用量大；③由于鋼接地體本身防腐性能差，焊接質量的提高意義不大；④焊接點較多，費用太高。

2.2 銅鍍鋼接地體的連接方式

目前銅接地體和銅鍍鋼接地體主要有以下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，即使是持有特殊工種上崗證，也比較容易出現一些焊接缺陷，無法從表面觀察合格與否。并且，這種焊接是應用于純銅接地體之間的連接，不適合于鍍銅接地體的連接。基于以上原因，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

絞線與絞線之間的連接大多使用壓接線夾連接法。但這種方法比較適用于兩條絞線一對一連接，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、扁銅條與絞線之間、絞線與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，這和我國的電力施工技術工人的認識和訓練程度有著密切的關系。

4）放熱焊接連接法

放熱焊接利用活性較強的鋁把氧化銅還原，整個過程需時僅數秒，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。銅基放熱反應的一般公式是：

放熱焊接接頭的特性：①外形美觀一致；②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；③具有較大的散熱面積，通電流能力與導體相同；④熔點與導體相同，能承受故障大電流沖擊，不至熔斷。

放熱焊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。這種方法接頭有著廣泛的連接方式，而且耐腐蝕性好并接觸電阻低，已逐步得到推廣應用。

放熱焊接的優點：①焊接方法簡單，容易掌握；②無需外接電源或熱源；③供焊接用的材料、工具很輕、攜帶方便；④焊接點的載流能力與導線的載流能力相等；⑤焊接是一種永久性的分子結合，不會松脫；⑥焊接點像銅一樣，耐腐蝕性能強；⑦焊接速度快捷，節省人工；⑧從焊口的外觀上便能鑒定焊接的質量；⑨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。

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地檢驗，并已應用在電力系統的重點工程。

應該注意即便是采用放熱焊接連接法，還應注意以下地方：①焊藥主要成份為銅粉，銅的氧化物，鋁粉。其純度需符合GB/T5246標準的相關規定要求。不少國內廠家為了節約成本，大量添加價格便宜的錫，導致接頭外表面光滑整潔，但導電性降低，熱穩定性不達標；②放熱焊接所用的模具部分廠家加工精度不夠，模具結合部空隙較大，空隙處流出銅液，導致接頭缺焊，焊接部位不牢固；③藥粉純度不夠，雜質較多，焊接完畢后接頭內部存有大量氣孔，切開接頭即可見內部有許多空腔；④有的廠家為了降低焊藥的起燃點，加入磷。導致了高溫環境下（如夏季陽光直曬）容易自然，存在嚴重安全隱患。

圖1 某廠家生產的模具開口空隙很大

圖2 焊接接頭漏液，接頭不牢固，導電性不達標

圖3 好的放熱焊接做的接頭，接合面無任何空隙

值得注意的是，所有的放熱焊接模具及焊藥均應有相應的檢測報告和試驗報告。放熱焊接尚應滿足地方標準和國家標準。

3 結論

綜上所述，合格的銅覆鋼接地體產品，在導電性能、熱穩定性能、耐腐蝕性方面將給變電站安全可靠運行帶來益處。所以應根據各個工程的不同情況，如地質和環境條件等，選擇適合的接地材料及其連接方式。以達到既滿足接地電阻的要求，又經濟合理，便于施工，從而保障了運行人員和電氣設備的安全運行。

[1]《電氣工程接地用銅覆鋼技術條件》Q/GDW466-2010.

[2]《接地裝置施工與驗收規范》GB50169－2006.

[3]《接地裝置施工質量檢驗》DL/T 5161.6－2002.

[4]江蘇合金益復合新材料有限公司產品資料.

[5]江蘇華淼電力科技有限公司產品資料.