銅鋼復合材料及其在變電站地網中的應用前景

摘 要：近年來，變電站安全事故頻發，究其主要原因為接地網腐蝕，且其已經成為了威脅電網安全的頭號殺手。在本案，筆者簡要闡釋了銅鋼復合材料的生產工藝、性能指標及連接方式等，并就其經濟性進行了簡要介紹，以此探析銅鋼復合材料在變電站地網中的應用前景。

關鍵詞：銅鋼復合材料 變電站地網 應用前景 經濟性

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0150-01

1 銅鋼復合材料的生產工藝及性能

1.1 生產工藝

就銅鋼復合材料而言，銅表面應該完全包裹鋼材（即包括銅包鋼棒材、銅包鋼扁鋼及銅包鋼線材等的銅包鋼），只有經這樣處理后的銅鋼復合材料方可用于變電站接地網。在本章節，筆者將從以下幾個方面簡述銅鋼復合材料的生產工藝。

（1）電鍍法或電鑄法：該生產工藝具備施工過程中易損壞銅鍍層、銅包鋼線材的銅鍍層較薄、銅鍍層導電性差及其所含雜質較多、銅包鋼線材生產環節所造成的環境污染大等特點。電鍍法或電鑄法生產銅包鋼的工藝的發展在國內外均較成熟。

（2）冷拉包覆法：該生產工藝具備成本低、操作簡單及鋼芯與銅間易分層（即結合力不強，其是鋼芯加速腐化的關鍵）等特點。冷拉銅包鋼即將鋼棒（除銹及除油完畢）引入鋼管，并在拉絲模及拉絲機等共同作用下，經鋼管塑性變形處理而與鋼板牢固地緊束在一起。

（3）熱浸鍍法：該生產工藝主要用于生產高質量的銅包鋼線材，即鋼芯與銅層間可塑性好、結合力好且銅附著比范圍大等。此外，該生產工藝還具備成本低的優點。熱浸鍍法是銅鋼復合材料生產的新型工藝模式，其在我國國內的發展及應用尚不成熟，還需進一步研發及推廣應用。

1.2 性能

（1）導電性能好，即銅鋼復合材料的電導率等同于鍍鋅鋼的2倍。就理論角度而言，若要疏導大小相等的電流，銅包鋼的截面積將遠小于鍍鋅鋼。

（2）抗腐蝕性強。研究結果顯示，銅包鋼在地質條件惡劣的環境下的使用壽命及抗腐蝕性能均具備極強的優勢。

（3）機械強度高，即若實心銅棒與銅包鋼的截面相等，則后者的抗拉強度（≥600 Mpa）約等于前者的2倍。由此可見，銅包鋼在承受巨大負荷及沖擊方面的明顯優勢，且其亦支持直接將垂直接地體打入地下，以便簡化施工工序。

（4）電阻率低，且在降低接地電阻方面發揮著重要作用。

2 連接方式

近年來，隨著變電站地網事業的發展，接地連接方式也越來越引起來社會及業內的廣泛關注。銅鋼復合材料的變電站接地網連接方式以螺栓連接、壓接線夾連接及放熱焊接等為主。就壓接及螺栓連接等機械接頭而言，其電路通暢得以維持的主要方式為材料表面“點”接觸。該接線方式易造成線路老化及腐蝕等問題。就放熱焊接而言，其屬于永久性焊接，則其具備以下特點：連接點屬分子結合，即無機械壓力及接觸面，從而避免了電阻的增加及線路的松弛，且其也具備極強的抗腐蝕性；散熱面積大，且導體與通電流能力相當；接頭熔點高，從而實現了接地材料使用溫度的提高及工程造價的降低。

現階段，放熱焊接連接方式已經成為了變電站接地網銅材的主要連接方式。但是，該連接方式在我國的發展尚不成熟，尤其是放熱焊接藥粉，以至于接焊接頭的使用溫度與銅的熔點（1084 ℃）間存在較大差距，則我國相關廠家及科研機構應對其做進一步的研究。

3 經濟性分析

3. 1材料費用

表1中表列出了熱鍍鋅鋼、銅鋼復合及銅材的投資及性能比對情況。

就截面設計而言，由于銅鋼復合材料的熱穩定性及導電率均比熱鍍鋅高，則其有助于變電站接地網截面的設計面積的降低，加之銅鋼復合材料的價格比銅材更低，則就一次性投資比值而言，銅鋼復合材料的經濟性比值處于銅材與熱鍍鋅鋼間，但其全周期壽命更高，即50 a。就500 kV變電站而言，其所用材料的經濟性估算情況見表2所示。

由表2可得，銅鋼復合材料所用材料的經濟性略次于熱鍍鋅鋼，但因銅鋼復合材料的使用壽命比熱鍍鋅鋼更長，則前者的性價比遠優于后者。此外，變電站接地網材料使用壽命的提高將有助于接地網開挖維修費用及次數的降低。

3.2 施工、維修及改造

銅鋼復合材料應用了放熱熔接連接技術，該技術具備無需防腐處理、操作方便等優點，則有助于施工工藝及簡化及接頭整體質量的提高。接頭在接地網中扮演著重要的角色，且放熱熔接接頭具備通流能力強及抗腐蝕性能高等優點，這是鍍鋅鋼焊接接頭所無法比擬的。此外，銅包鋼接地網長時間皆無需改造，則就長遠利益而言，銅鋼復合材料具備極強的投資價值。

4 結語

綜上所述，銅鋼復合材料具備強度高、抗腐蝕性強、經濟性好、焊接接頭質量高及施工方便等優點，這是銅材及鍍鋅鋼所無法比擬的。由此可見，銅鋼復合材料良好的應用價值。但是，銅鋼復合材料在我國電網系統中的應用尚不成熟，即缺乏相關的技術規范及標準等，且使用及設計均具有一定的盲目性。所以，銅鋼復合材料就設計及應用方面尚需進行深入地試驗及研究，以確保銅鋼復合材料及接頭能夠滿足變電站接地網所需電氣、機械及腐蝕性能的要求。

參考文獻

[1] 劉波.銅鋼復合材料和放熱焊接技術在石油化工企業接地系統中的應用[J].中國新技術新產品，2011（8）：14.