江蘇電網接地問題探討

楊慶剛

(江蘇省電力公司電力經濟技術研究院，江蘇南京210008)

隨著電力建設的發展，對變電所接地設計的要求越來越高。長期、可靠、穩定、經濟的接地系統，是維持設備穩定運行、保證設備和人員安全的根本保障，符合國家所提出的可持續發展、變電站全壽命管理的宗旨，我國傳統接地體均采用鋼材質。在建國初期，國外的封鎖以及本身銅儲量不足，為節約有色金屬，并參照前蘇聯的標準，在20世紀50～60年代提出“以鋼代銅，以鋁代銅”，至此開始選用鋼材作為主要的接地材料，并沿用至今，其鋼材的應用，有豐富的運行經驗，積累大量的運行數據。隨著時間的推移，鋼接地網使用量越來越多，鋼接地網顯現一定的缺點，于是出現采用純銅、鍍銅材料作為接地體的意見。但是目前用銅材接地網未經嚴格論證,對使用銅材缺乏全面正確地了解和論證，近期反對采用銅材接地網的意見也存在。

1 江蘇電網接地材料的現狀

1.1 鋼材接地網的應用情況

目前江蘇電網接地材料大部分均采用鋼材質。20世紀80年代前，江蘇電網接地材料就采用沒有防腐處理的鋼材質。90年代后，反措要求采用熱鍍鋅防腐處理的鋼接地網[1]。江蘇省電力公司[2003]1097號文，對采用熱鍍鋅防腐處理的鋼接地網，水平接地體、接地引下線的鋼材截面有詳細的規定。由于鋼比銅便宜很多，在與銅相同截面時，鋼比銅超過2倍的機械強度；可以采用熱鍍鋅防腐處理，減慢腐蝕速度；有豐富的運行經驗，積累大量的運行數據。因此鋼接地網在江蘇電網得到最廣泛的應用。

1.2 銅材接地網的應用情況

純銅接地網，由于造價昂貴，僅在極少數變電站采用，如500 kV武南（晉陵）變電站。為了克服純銅接地網造價昂貴問題，近來江蘇有一些地區開始采用鍍銅材料作為接地體。

1.3 “陰極保護防腐蝕”接地網的應用情況

防腐技術中一項重大技術措施是 “陰極保護防腐蝕”，也稱“犧牲陽極保護”[2]。任何金屬材料都有其固有的電極電勢，一般用電極電勢Eq低的全屬做犧牲陽極,保護陰極上電極電勢高的金屬，形成腐蝕電池，腐蝕陽極上金屬，保護陰極上金屬。鋅的電極電勢Eq=-0.761 8 V，鐵的電極電勢Eq=-0.447 V，銅的電極電勢Eq=-0.341 9 V，鋅Eq比鐵Eq低，比銅Eq更低，因而鋅可作犧牲陽極保護鐵和鋼。江蘇電網“陰極保護防腐蝕”接地網應用不多，僅在沿海如南通少數變電站堿性土壤中試驗性采用。

1.4 復合型防腐接地網的應用情況

在鋼接地網、銅接地網以外，復合型防腐接地網是新生的一種金屬接地網的替代產品[2]。復合型防腐接地網有良好的導電性能，界于銅、鋼之間；具有較好的熱穩定性，也界于銅、鋼之間；具有較好的附著力，對折180°涂層無脫落；特別是極強的防腐性能，是復合型防腐接地網的最大優點。由于沒有運行經驗，目前僅在個別變電站試用。

2 技術經濟比較

鋼接地網、銅接地網的技術比較分別從導電性、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，經濟比較從一次投資和年費用方面比較。

2.1 導電性能

銅和鋼在20℃時的電阻率分別是 17.24×10-6Ω·mm和138×10-6Ω·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%導電率鍍銅鋼線導電率為30%，40%導電率鍍銅鋼線導電率為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[3]。

2.2 熱穩定性

鋼在與銅相同截面時，鋼比銅超過2倍機械強度；在相同體積時，鋼吸熱量是銅的1.36倍，并能承受更高的熔化溫度，銅熔點為1083℃，而鋼熔點為1510℃。因此接地體截面相同時，鋼材熱穩定性更好[3]。

2.3 耐腐性

接地體的腐蝕是非常復雜的問題，不能簡單地說銅材比鋼材好[4-6]。

（1）銅接地體在堿性土壤中的耐腐性優于鋼接地體。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。銅在堿性土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10，而且電氣性能和物理性能穩定。銅的表面會產生附著性極強的氧化物（銅綠），對內部的銅有很好的保護作用，阻斷腐蝕的形成。鋼材是逐層腐蝕，鍍鋅層具有一定的抗腐蝕性，但是作用非常的有限。鋼接地體接頭和鋼接地體本身在腐蝕的過程中會出現點腐蝕情況，鋼材點腐蝕的速度是均勻腐蝕速度的4至60倍，正是由于點腐蝕的存在，所以無法通過增加鋼接地截面積的方式來增加其使用年限；銅不存在點蝕情況，壽命較長。

目前我國變電所接地系統均存在不同程度的腐蝕問題，特別是有些運行十年以上的變電所，腐蝕相當嚴重。盡管在設計時，設計人員已通過增大接地體截面的方法來考慮30年的防腐問題，在實際運行中也采用部分開挖和測量接地電阻等方法來檢測腐蝕問題。但由于實際腐蝕情況非常復雜，以及鋼與銅的腐蝕機理不同，實施效果不太理想?？梢?，銅接地體在堿性土壤中的耐腐性顯著優于鋼接地體。

（2）銅材接地網對鄰近構架鋼材造成嚴重腐蝕。如果用銅作接地網材料,而接地網附近有很多混凝土和鋼構件及地下電纜管道等，這些鋼材電極電勢比銅低很多，結果形成鐵為陽極,銅為陰極的腐蝕電池，再加上構架上母線泄漏電流，經鋼材流入地下銅接地網，又形成電解腐蝕。這時鋼構架成為犧牲陽極，銅接地網成為被保護陰極，因而加速構架鋼材和混凝土內鋼筋及地下管道電纜的腐蝕，這就成為變電站的事故隱患。 有人認為，在混凝土構架中,混凝土對鋼筋有保護作用，事實上鋼筋混凝土仍有部份導電性，有導電性就存在腐蝕，為了防止混凝土中鋼筋腐蝕，國外有很多資料及專利。更嚴重的是混凝土中鋼筋腐蝕后很難檢測，將形成重大事故隱患。

（3）銅材在酸性土壤中防腐性比鐵差。任何金屬對不同介質都有不同的腐蝕性能，銅對堿性介質有較好的防腐性能，但對酸性介質防腐性能較差。銅在硫酸中就腐蝕非常快。地面土壤成份是復雜的，有堿性的也有酸性的，由于大氣中的酸雨及土壤中植物腐爛，都形成酸性土壤。不能將銅在堿性土壤中比鐵耐腐蝕強3倍，就推論到酸性土壤中也比鐵強3倍。

2.4 經濟比較

華東電力設計院對江蘇電網的一個220 kV變電所的鍍銅鋼接地方案、鋼接地方案和純銅接地方案進行經濟比較，取鋼接地網的實際使用壽命為15年，銅接地網與鍍銅接地網的使用壽命為40年，按照近期市場上現貨鍍鋅鋼、純銅和鍍銅鋼的價格，現貨銅絞線的價格為63 768元/t，鍍鋅鋼（Q235材質，采用熱鍍鋅工藝）的價格為7250元/t。最終結果[7]如表1所示。

表1 220 kV變電所銅接地與鋼接地經濟評價

（1）鋼接地方案總靜態投資70.8萬元，純銅接地方案總靜態投資142.3萬元，鍍銅接地方案總靜態投資126.1萬元。鋼接地方案的總靜態比鍍銅鋼接地方案的總靜態投資只降低了43.8%；但是銅接地方案的總靜態投資比鋼接地方案的總靜態投資提高了100%，接地網的壽命由原來的15年提高到了40年。

（2）從年費用的角度來考慮，鋼接地方案的年費用為14.04萬元，銅接地方案的年費用為12.67萬元，鍍銅接地方案的年費用為11.23萬元。所以，從年費用的角度來考慮，鍍銅接地網的年費用是最低的，而鋼接地網的年費用是最高的。

由上可見，鍍銅鋼接地方案的年費用較鋼接地方案和銅接地方案低。因此，采用鍍銅接地方案，其經濟性更好。

3 覆鋼接地網的特性要求

銅覆鋼材料，目前主要有3種工藝生產：（1）連鑄，將處理干凈并加熱到一定溫度的鋼材快速通過加熱融化的電解銅液，銅液在鋼材表面結晶的加工工藝。一般銅層厚度可達到0.25mm。（2）套管冷拉，將處理干凈的鋼材插入紫銅管內，利用直拉機拉絲模的束緊力將銅管束緊在鋼材外表面的加工工藝。一般銅層厚度可達到0.8mm，但是銅層覆于鋼材上的牢固性較差，特別是在彎曲時易分離。（3）電鍍，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。一般銅層厚度小于0.25mm，鍍層較薄。

4 相關規程

（1）國家標準GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》[8]規定，要求各類銅覆鋼材的銅層厚度不應小于0.25mm。

（2）國家電網公司企業標準Q／GDW 466—2010《電氣工程接地用銅覆鋼技術條件》[9]規范，電氣工程接地用銅覆鋼，銅必須完全、均勻、牢固地覆于鋼材上。

（3）《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》（修訂版）要求：在強堿性土壤、地下水會引起鋼材嚴重腐蝕的中性土壤地區，宜采用銅質、銅覆鋼(銅層厚度不應小于0.8mm)或者其他具有防腐性能材質的接地網。對于室內變電站及地下變電站應采用銅質材料的接地網。

（4）國家電網公司部門文件 《關于進一步規范輸變電工程接地設計有關要求的通知》要求，用于接地工程的銅覆鋼材的銅層厚度不應小于0.8mm。

綜上所述，銅覆鋼接地網宜采用連鑄加工工藝、銅層厚度為0.25mm以上的銅覆鋼材料。

5 結束語

銅材接地網存在較多問題,關鍵是對附近構架中的鋼材產生腐蝕,對變電站帶來隱患；銅接地網僅在堿性土壤中防腐蝕性能比鐵好,銅在酸性土中防腐蝕性能比鐵差；銅材價格比鐵高五倍,銅是戰略物資,我國是缺銅國家；江蘇電網使用鋼接地網巳有六十多年經驗,銅材接地網使用只有十年歷史。接地網材質選擇是復雜的問題，不能只看一次性投資，也不能只看年費用等經濟性指標，還要看在不同土壤中的抗腐蝕性、運行經驗等指標。江蘇土壤復雜，有山區丘陵、沿海、沿江、平原等，因此江蘇電網不能盲目推廣銅或銅覆鋼接地網。在江蘇沿海堿性土壤地區，如連云港、鹽城、南通地區的室內變電站，可以采用銅質材料的接地網。江蘇其他地區的變電站，宜采用熱鍍鋅鋼接地網。如采用銅覆鋼接地網，宜采用連鑄加工工藝、銅層厚度為0.25mm以上的銅覆鋼材料。

[1]國家電網公司運維檢修部.國家電網十八項電網重大反事故措施[S].北京：中國電力出版社，2012.

[2]閻 東，寇曉適，張 科，等.變電站地網防腐新材料及陰極保護實施關鍵技術[J].水電能源科學，2011，28(11)：152-154.

[3]陳健生.銅材接地網的危害[R].2012.

[4]楊 明，程 好.鹽堿環境中變電站接地體材料的腐蝕行為研究[J].江蘇電機工程，2013，32(6)：69-72.

[5]鄭敏聰，陳自年，李建華.大型變電站姐弟裝置腐蝕規律及防腐[J].華東電力，2009，37(9)：1463-1467.

[6]徐 華，文習山，李中建，等.大型變電站鋼材和銅材接地網的性能比較[J].高電壓技術，2004，30(7)：18-19，63.

[7]中國電力工程顧問集團華東電力設計院.220 kV滄浪變電所接地專題[R].2011.

[8]GB 50065—2011，交流電氣裝置的接地設計規范[S].

[9]Q／GDW 466—2010，電氣工程接地用銅覆鋼技術條件[S].