±800 kV寧浙線銅覆鋼接地裝置應用

余朝勝，鄭智光

(福建省電力勘測設計院，福建 福州 350003)

1 概述

由于線路的雷擊閃絡率與鐵塔塔形、接地電阻及線路沿線地形等諸多因素有關，它們影響著直流線路的繞擊閃絡率和反擊閃絡率，進而決定線路的防雷性能。接地系統是維護電力系統正常運行，保障人身和設備安全，防止雷電和靜電危害等必不可少的措施。輸電線路桿塔良好的接地是確保故障電流順利泄放，且不產生高電位差危及設備和人身安全的重要保障。在輸電線路鐵塔保護角已經確定的情況下，提高接地裝置使用壽命；在雷擊輸電線路桿塔時，為了導泄雷電流入地以減小塔頂電位，需對桿塔接地電阻進行限制等措施。

2 工程概況

寧東(靈州)—浙江(紹興)特高壓直流輸電線路(以下簡稱寧浙線)長約1720 km，途經寧夏、陜西、山西、河南、安徽、浙江6省(自治區)，桿塔所處的位置不同，土壤及地下水的腐蝕程度也存在差異。本工程在寧夏地區的約7 km位于鹽中腐蝕地段，安徽及浙江省界附近土壤電阻率較大。因此對不同地區不同土壤的腐蝕情況的桿塔需采用不同的接地措施。

3 常用接地裝置方案

對于本工程的腐蝕地段、安徽與浙江省界線路部分桿塔的接地電阻高于2000Ω·mm，該段為全線反擊閃絡的薄弱環節，宜盡可能減小桿塔的接地電阻。目前對于善接地電阻的措施，常用的接地裝置有鍍鋅圓鋼＋接地模塊(以下簡稱接地模塊)、鍍鋅圓鋼＋離子接地極(以下簡稱離子接地極)。

接地模塊的優點是近年來已應用于多條500 kV及220 kV線路，對于部分少雨、地質較差地區，能有效降低接地電阻。缺點是部分地形狹窄，敷設場地受限的塔位，采用模塊數量過多，使用很不方便且降阻不明顯；接地模塊與金屬導體的連接部分較容易發生腐蝕。

離子接地極的優點是安裝方便；電極單元水平安裝，開挖量少。缺點是巖石地基開挖困難，其電介質及離子緩釋材料，對自身金屬部分有腐蝕作用，對土壤及周邊環境造成破壞。

對于易腐蝕地段及特殊地段目前采用的新型接地裝置是銅覆鋼接地裝置。

4 銅覆鋼接地裝置

4.1 運行經驗

美國聯邦標準局NBS銅覆鋼的腐蝕性研究，從1910年到1955年，實施一個大規模的地下腐蝕的研究。這個研究中包括了在全美國的128個測試地點采集的36500個樣本，代表了333種不同的鐵的，有色金屬的和具有保護鍍層的材料。依據試驗結果，該實驗室的專家認為，只有電鍍銅厚度為0.25 mm的鋼棒以及不銹鋼棒的抗腐蝕速度可以被接受。另外，從8～13年在43種不同土壤中銅試品的測試結果中的41 種計算，得到30年的平均點蝕深度為0.17 mm，因此一些國際標準都將銅覆鋼棒的銅鍍層的要求確定為至少0.25 mm，包括英國BS7430和美國的UL467。目前國網公司的企業標準《電氣工程接地用銅覆鋼技術條件》Q/GDW466—2010，已于2011年6月2日開始實施。銅覆鋼材料連接應采用放熱焊接型式，放熱焊劑應滿足《接地裝置放熱焊接技術導則》(Q/GDW 467—2010)技術要求。

目前國內輸電線路接地裝置大多采用經熱鍍鋅防腐的Φ12圓鋼，在土壤腐蝕較嚴重的區域則采用抗腐蝕性強的銅覆鋼。銅覆鋼具有導電性能好、抗腐蝕性強、機械強度高以及電阻率小的特性，僅在土壤中含有高量的有機硫化物和高酸性時，銅才會產生點蝕，當銅層達到一定厚度時使用壽命超過30年。銅覆鋼作為替代銅材料的一種新型接地材料為腐蝕嚴重地區線路、不易更換接地裝置地區的接地型式設計提供了新的選擇。

4.2 材料特點

鍍銅鋼接地裝置是在圓鋼的鋼芯外表面先鍍鎳，以增強銅分子的電鍍緊密性；然后采用先進的電鍍工藝鍍上銅層，以確保鋼芯表面銅層厚度均勻(需達到國際UL467 規定)。電鍍后的銅與鋼要求為分子滲透，達到結合緊密，隨意彎折刮擦銅層不剝落的效果。銅和鋼在20?C時的電阻率分別是17.24×10-6(Ω·mm)和138×10-6(Ω·mm)。若以銅的導電率為100%，標準1020鋼的導電率僅為10.8%，因此銅的導電率是鋼的10倍左右。而30%導電率銅覆鋼圓線導電率為30%，40%導電率銅覆鋼圓線導電率為40%，均遠較鋼接地體好。尤其是在集膚效應下，高頻時鍍銅鋼絞線導電性能遠遠優于鋼材。即銅接地體導電性能較鋼接地體好。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，銅覆鋼接地材料熱穩定性更好。

根據《電氣工程接地用銅覆鋼技術條件》附錄D，銅包覆鋼在不同土壤中的腐蝕速度按見表1的參考值計算。

表1 腐蝕速度 單位 ( mm/a)

按使用壽命在30年，鍍銅厚度0.254 mm滿足在Ⅲ極強腐蝕腐蝕等級要求。

銅覆鋼的優點：銅層與鋼棒達到分子型結合，接地棒深入土壤時，不會彎曲、破裂；銅層均勻，含銅純度高，鋼芯強度高；耐腐蝕性強，不會脫節、翹皮、開裂；④導電性能好，電氣性能穩定；采用銅覆鋼接地體可以減少土石方的開挖及青苗賠償，同時由于接地網的接地體銹蝕情況減少，提高了設備整體的運行安全性；運用新型接地材料，其設計降阻效率高，對于高電阻地段設計中減少了1/3水平接地體的長度，使土方的開挖量大為減少；設計使用放熱焊接工藝，非常適合野外施工的需求，大大提高了工作效率，有效縮短了施工工期。銅覆鋼的缺點是工藝要求高，生產成本高，尤其是設備投資大；山地輸運及施工過程摩擦損壞銅層。

4.3 接地裝置圖

對于接地電阻高于2000Ω·mm的地段，目前一般在鍍鋅圓鋼水平射線的基礎上增加接地模塊與離子接地極的方案，而銅覆鋼接地裝置采用的是銅覆鋼水平射線+銅覆鋼垂直接地棒+煅燒石油焦炭(以下簡稱銅覆鋼)，以電阻6000Ω·mm接地裝置為例，三者的接地裝置見圖1～圖3。

圖1 接地模塊裝置圖

圖2 銅覆鋼接地裝置圖

圖3 離子接地極裝置圖

4.4 施工工藝

銅覆鋼接地裝置的水平敷設與普通鍍鋅圓鋼的施工方案是一樣的。對于河網泥沼、水田、開發區等接地體更換比較困難的地段，一般考慮直接用銅覆鋼圓鋼替換鍍鋅圓鋼，其接地方案與鍍鋅圓鋼方案及施工方案基本類似，主要區別是銅覆鋼水平接地體之間的連接采用放熱焊焊接。

銅覆鋼接地裝置的針對山地巖石較多的地方，在水平接地體每隔10 m增加1處垂直接地棒(總長5 m，一般由兩根組裝而成)。按不同的地質情況可采用氣動鑿巖機、內燃式鑿巖機或液壓潛孔鉆機等小型便攜鉆孔設備進行打孔，垂直接地棒施工流程主要是：① 首先，開挖一直徑為Φ50.5 mm，深度為5 m的孔，通常采用氣動鑿巖機或內燃鑿巖機進行施工。具體尺寸嚴格依據方案設計；② 將少量的混水攪拌均勻的煅燒石油焦炭類降阻材料灌入孔底，條件允許可采用壓力灌漿設備進行壓力灌漿；③ 將垂直接地棒插入孔內，且保持垂直狀態，繼續灌入攪拌均勻的降阻材料，直至將深孔完全灌滿、密實，且不再下沉為止。

考慮到銅覆鋼材料易被偷盜，建議露出地面的接地引下線采用鍍錫防盜

5 全壽命周期分析

全壽命周期成本( Life Cycle Costs，LCC )管理，是指從設備、項目的長期經濟效益出發，全面考慮設備、項目或系統的規劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新，直至報廢的全過程，即從整個項目生命周期出發進行思考，側重于從項目決策、設計、施工、運行維護等各階段全部造價的確定與控制，使LCC最小的一種管理理念和方法。

5.1 一次投資費用分析

本工程主要在土壤電阻率高電阻地段，射線加垂直接地極的接地裝置型式對設備故障時工頻泄流有作用，以下分別采用接地模塊、離子接地極和銅覆鋼＋煅燒石油焦炭(以下簡稱銅覆鋼)進行比較，其中銅覆鋼接地圓鋼單價按40元/m，銅覆鋼垂直接地棒單價按90元/m，接地模塊按400元/塊，離子接地極按1800元/套，土石方單價按70元/m3，鍍鋅圓鋼綜合價按5800元/t考慮，接地模塊接地裝置和離子接地極接地裝置使用壽命按20年，銅覆鋼接地裝置按使用壽命按30年，資金折現率取8%，施工安裝等費用按設計定額取費，暫不考慮因減少占用土地而減少的青苗賠償或林木砍伐費用。經計算各方案一次投資費用見表2和圖4。

表2 一次投資費用比較 (單位：萬元/基)

圖4 不同土壤電阻率時一次投資費用比較

從圖4及表2的一次投資費用可以看出，銅覆鋼接地裝置的費用最高，離子接地極次之，接地模塊最低。

5.2 全壽命周期費用分析

寧浙線對采用接地模塊與離子接地極的考慮全壽命周期的投資費用分析，對于高電阻地段一般情況下不考慮中、強腐蝕情況，由于接地模塊、離子接地極的水平接地射線均采鍍鋅圓鋼，在大于2000Ω·mm的地區一般為山地或高山大部分為微弱或弱腐蝕，本次經濟比較時根據沿線電力公司的運行經驗，其使用壽命按20年，銅覆鋼使用壽命按30年進行年費用分析比較。經計算見表3。

表3 年費用比較 (單位：萬元/基)

圖5 不同土壤電阻率時年費用比較

由表3及圖5可知，銅覆鋼接地裝置的經濟性由于接地模塊及離子接地極。

同時根據圖5可知，當土壤電阻率大于2000Ω·mm時，離子接地極＜接地模塊＜銅覆鋼，即采用銅覆鋼接地裝置最經濟。從比較數據也可以看出土壤電阻越高，銅覆鋼接地優勢越明顯。另外表3未考慮林木砍伐費用，由于采用鍍鋅鋼接地采用水平接地方式，接地溝槽開挖面積大，而銅覆鋼采用水平加垂直接地方式，開挖范圍較小，考慮政策處理費用增加因素，銅覆鋼與接地模塊、離子接地極接地的初次投資的費用差將更小。

6 結論及建議

銅覆鋼接地裝置在于防腐蝕增加使用年限及減少運行維護和青苗賠償、林木砍伐等方面具有的優勢，對于上述對±800 kV寧浙線通過年費用分析表明銅覆鋼接地裝置在全壽命周期內較優具有經濟性，可滿足國網公司資源節約型和環境友好型電網的要求。

由于銅覆鋼接地裝置在特高壓輸電線路未有運行經驗，建議如下：①對于接地裝置露出地面的接地引下線部分表面應鍍錫防盜；②根據線路在土壤腐蝕程度，若選用銅覆鋼材料，應根據電化學試驗的結果加大銅層厚度或加大截面積；③適用范圍建議對局部高電阻、中強腐蝕或接地裝置更換困難等地段進行試用，以進一步積累運行經驗后推廣。

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