變電站接地網(wǎng)選用銅覆鋼絞線的設(shè)計(jì)與分析

孫 燕，張 琴

（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025）

0 引言

在全球推行綠色能源、可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，國(guó)家電網(wǎng)公司為了提高資源利用率，應(yīng)用新材料、新技術(shù)成為行之有效的方法。變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則是安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、保護(hù)環(huán)境、成本受控、效率要高。在新材料的應(yīng)用中，著重要解決好銅覆鋼材料的適應(yīng)性、先進(jìn)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益和最少的污染物排放。

目前，我國(guó)變電站接地網(wǎng)材料，大多采用鋼材或銅材。鋼材抗腐蝕性差，上海地區(qū)新建變電站接地網(wǎng)早期大多使用銅絞線，但銅絞線昂貴。現(xiàn)在使用銅覆鋼絞線，即能解決腐蝕問題，又能使造價(jià)和用料得以減少。

本文針對(duì)銅覆鋼絞線在變電站接地網(wǎng)的應(yīng)用，解讀銅覆鋼材料的性能、腐蝕程度、熱穩(wěn)定和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等內(nèi)容。

1 接地網(wǎng)材料比較

圖1 銅覆鋼絞線

我國(guó)早期變電站接地網(wǎng)材料，大多以熱鍍鋅扁鋼為主，幾十年運(yùn)行下來，熱鍍鋅扁鋼接地體腐蝕嚴(yán)重，有的甚至被腐蝕斷裂，接地體斷裂后不得不重新敷設(shè)銅材接地網(wǎng)，嚴(yán)重影響了變電站的安全運(yùn)行。

熱鍍鋅扁鋼接地體不能解決土壤腐蝕問題，而國(guó)外接地網(wǎng)的接地體大多以銅材為主。銅覆鋼是一種新興材料，芯體的鋼采用電鍍或銅鑄等方法，使其表面均勻被銅覆蓋，其樣品如圖1所示。

銅覆鋼的厚度決定了材料的導(dǎo)電率。導(dǎo)電率指國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)（IACS）規(guī)定的體積電阻率（1.7241×10－8Ω·m）與相同單位的銅覆鋼體積電阻率之比乘以100%。目前，市場(chǎng)上主要有20%、25%、30%、40%導(dǎo)電率的銅覆鋼絞線。

2 銅覆鋼絞線的技術(shù)性能

電流在集膚效應(yīng)下，銅和銅覆鋼材料的導(dǎo)電性均遠(yuǎn)勝于鋼材。銅材的導(dǎo)電性幾乎是鋼材的10倍。在相同溫度下，銅的熔點(diǎn)要比鋼材的熔點(diǎn)低，但銅材的熱穩(wěn)定比鋼材好。在同等短路電流下，銅材所需的截面積僅為鋼材的三分之一，而銅覆鋼所需的截面積為鋼材的一半也不到。鋼材在土壤中的腐蝕速度是銅材的10倍以上，而銅材不會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕狀況，壽命較長(zhǎng)。因此，銅材耐腐性明顯優(yōu)于鋼材。

埋地8年后的鋼接地體出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕及斷裂，如圖2所示。

圖2 鋼接地體埋地8年腐蝕

而銅覆鋼接地體在容易腐蝕的鋼材上覆了一層銅，與土壤接觸的是純銅區(qū)域，相當(dāng)于減少了腐蝕。在美國(guó)，對(duì)銅覆鋼接地體采用何種厚度沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在20世紀(jì)90年代初，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局曾經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模、大范圍的地下接地體腐蝕狀況研究。研究涵蓋了美國(guó)一百多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，安放了三萬多個(gè)材料樣本，幾百種有色金屬和保護(hù)鍍層的材料。

圖3 接地體埋地腐蝕比較

研究結(jié)果表明，鍍有0.254 mm厚的銅導(dǎo)體埋在大部分土壤中，能達(dá)到超過60年的使用壽命［1］。接地體埋地腐蝕狀況如圖3所示。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局對(duì)變電站接地網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模地下腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示［1］。

表1 裸樣本在土壤中的腐蝕狀況土壤

由表1可以看出，地下接地體8年后總的平均腐蝕度不超過0.003 mm；13年后總的平均腐蝕度不超過0.0014 mm。從8～13年內(nèi)的銅樣本的平均年質(zhì)量損耗看，盡管是埋在不同的土壤中，但從8～13年的數(shù)據(jù)來看，隨著時(shí)間的推移，接地體的腐蝕率越來越小。這是因?yàn)樵阢~覆鋼絞線的保護(hù)銅鍍層上形成了氧化膜。銅鍍層的年最大年平均腐蝕為0.003 mm，所以銅鍍層的60年腐蝕厚度約為0.18 mm，只要不是特別嚴(yán)重的腐蝕地層，均可使用銅覆鋼絞線接地網(wǎng)。

《交流電氣裝置的接地》DL／T 621—1997和《電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件》Q／GDW 465—2010，針對(duì)不同材料熱穩(wěn)定系數(shù)做了相應(yīng)規(guī)定，如表2所示。

表2 校驗(yàn)接地線熱穩(wěn)定用c值

3 工程實(shí)例

綜合考慮電氣工程接地網(wǎng)采用銅覆鋼材料，在防腐、導(dǎo)電性、集膚效應(yīng)、熱穩(wěn)定等方面因素，認(rèn)為在220 k V堡北變電站選用銅覆鋼絞線要比采用鋼絞線好，且鍍銅層均勻，厚度超過0.254 mm，運(yùn)行壽命可以超過60年。

3.1 接地線選材設(shè)計(jì)

220 k V堡北變電站選用銅覆鋼絞線的熱穩(wěn)定系數(shù)，在中國(guó)電力科學(xué)研究院做過試驗(yàn)，依據(jù)《銅覆鋼熱穩(wěn)定性技術(shù)研究報(bào)告》和IEEE.std 80—2000，測(cè)試了銅覆鋼的熱穩(wěn)定系數(shù)。利用估算的熔化溫度，算出各種規(guī)格的銅覆鋼絞線熱穩(wěn)定用c值，如表3所示。

表3220 k V堡北變電站銅覆鋼絞線熱穩(wěn)定用c值

根據(jù)表3提供的銅覆鋼絞線熱穩(wěn)定用c值，進(jìn)行接地體材料截面積的熱穩(wěn)定校驗(yàn)。

接地體最小截面應(yīng)符合式（1）要求：

式中：Sg為接地線最小截面；Ig為過流接地線的短路電流穩(wěn)定值；C為接地體材料的熱穩(wěn)定系數(shù)；te為短路等效持續(xù)時(shí)間。

3.1.1 計(jì)算220 k V接地線截面

220 k V變電站Ig取50 k A；依據(jù)中國(guó)電力科學(xué)研究院測(cè)試報(bào)告，40%導(dǎo)電率鍍銅鋼絞線C取190，鋼絞線C取70，銅絞線C取210；te取0.6 s。

3.1.2 計(jì)算110 k V接地線截面

110 k V變電站Ig取25 k A；鋼絞線Cg取70，銅絞線Cg取210；te取0.6 s。

3.1.3 計(jì)算35 k V接地線截面

35 k V變電站Ig取25 k A；鋼絞線C取70，銅絞線C取210；te取0.6 s。

依據(jù)熱穩(wěn)定條件，未考慮腐蝕時(shí)，接地體的截面不宜小于連接至該接地網(wǎng)的接地線截面的75%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，220 k V變電站主接地網(wǎng)水平接地體采用185 mm2截面的40%導(dǎo)電率鍍銅鋼絞線。

3.2 銅覆鋼絞線的應(yīng)用

220 k V堡北變電站位于上海市崇明縣，運(yùn)用銅覆鋼絞線接地網(wǎng)實(shí)測(cè)接地電阻小于0.04Ω。根據(jù)測(cè)算，220 k V堡北變電站遠(yuǎn)景短路電流為50 k A，主接地網(wǎng)水平接地體采用185 mm2截面的40%導(dǎo)電率銅覆鋼絞線。2011年8月2日敷設(shè)銅覆鋼絞線時(shí)拍攝的工程照片，如圖4所示。

圖4 熔接銅覆鋼絞線

3.3 投資費(fèi)用分析

220 k V堡北變電站采取不同的接地網(wǎng)材料費(fèi)用比較，如表4所示。在最大對(duì)地短路電流Ig為50 k A，故障電流持續(xù)時(shí)間te為0.59 s同等條件下，由表4可以看出，銅覆鋼絞線費(fèi)用要比采用純銅絞線費(fèi)用下降12.3%。

表4 純銅與銅覆鋼絞線接地網(wǎng)材料費(fèi)用對(duì)比

銅覆鋼絞線與純銅絞線的使用壽命均為60年，二者在使用壽命、各項(xiàng)維護(hù)費(fèi)都相差不多，但銅覆鋼絞線比純銅絞線的初期投資小，可以認(rèn)為銅覆鋼絞線的全壽命周期成本凈年值NPALCC最小。通過對(duì)變電站接地網(wǎng)采用銅覆鋼絞線、鋼絞線和純銅絞線的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析，理論研究與工程應(yīng)用，認(rèn)為接地網(wǎng)采用銅覆鋼絞線在技術(shù)上是可行的，通過推廣應(yīng)用，可減少投資費(fèi)用10%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。接地體性能對(duì)比如表5所示。

4 結(jié)論

銅覆鋼材料的工藝及理論已在工程中得到論證，結(jié)果是好的。銅覆鋼材料使接地設(shè)計(jì)中材料的問題得到重大突破，銅覆鋼絞線的應(yīng)用成果達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，是一項(xiàng)重要的集成創(chuàng)新。

表5 接地體性能對(duì)比

［1］ IEEEstd80—2000，交流變電站接地安全導(dǎo)則［S］.