出線平臺銅接地網與扁鋼接地網的對比分析

國能新朔鐵路有限責任公司 李劍宇

1 引言

鍍鋅扁鋼一般應用到變電所的接地材料中，目前變電所利用480mm2截面鍍鋅扁鋼，利用640mm2鍍鋅扁鋼作為引下線。另外，還能夠利用熱穩定性良好、耐腐蝕性強的銅材接地，連接利用放熱熔接的技術實現。根據當地電力公司安排，本文分析出現平臺銅接地網和扁鋼接地網的技術對比，并且實現可行性論證。

2 性能對比

2.1 導電性能

在溫度為20℃的時候，銅和鋼的電阻率分別為17.24×10-6Ω·mm 與138×10-6Ω·mm，銅具有較高的導熱率，所以導熱性能良好。相關研究顯示，在對銅接地網和鋼接地網進行設計時，銅接地網的電勢能夠降低。

2.2 熱穩定性

銅和鋼的熔點分別為1083℃和1510℃，如果具有相同的接地體截面，就有良好的銅材料穩定性，要求加大接地體的截面積。

2.3 耐腐性

通過電化學、化學的兩種方式實現接地體的腐蝕，土壤中的銅腐蝕速度比較快，電氣性能穩定。利用熱鍍鋅能夠使抗腐蝕性得到提高，降低導電性能，使用年限為10年。銅腐蝕性會降低點蝕問題的發生概率，所以使用壽命也比較長。接地網在GIS變電站中要開展定期測試，但是工作難度比較大。

2.4 接地體的施工

將銅絞線在水平主網施工中應用，銅絞線的柔性良好，拐彎比較方便。通過放熱焊能夠使施工工藝簡化，使銅接地網連接的質量高。設計銅鍍鋼接地棒的截面比較大，在進行垂直接地施工過程中能夠降低工作量，在土壤中垂直插入，使接地電阻得到降低。

2.5 電阻率和壓降

通過測試顯示，在接地體長度為250cm 以下的時候，會增加流散電阻。利用接地體小三全部的接地電流，利用土壤和接地體的接地電阻實現接地電阻，假如地面和接地體的觸點為零，就會降低接地引下線和連接點位，導致設備絕緣。假如接地裝置材料為鋼材，連接電位就會高于鋼材，導致缺陷設備和舊設備擊穿，無法對其進行保護。銅接地體的電阻小，并且接地體壓降中的銅也比較小，降低了跨步電壓[1]。

3 接地體連接方式

3.1 銅接地體連接

利用傳統的電弧焊接連接銅接地體，高溫電流會對接地體接頭部位鍍鋅層造成破壞。另外，電弧焊接是不能夠進行分子性連接，焊接點會影響接地體的導電性能。熱半截和銅接地體相互連接，能夠以強活性鋁還原氧化銅，此過程時間短，在進行反應的過程中熱量會合成永久性分析。放熱焊接接頭具有良好的外觀，利用分子結合連接點，不需要接觸面的設置，沒有機械壓力、腐蝕、松弛等問題。使散熱面積擴大，通電流的能力是一樣的；具有相同的熔點，承受大電流沖擊；焊接比較方便；不需要外接熱源和電源，供焊接使用的工具和材料比較輕。

在出現故障或者正常運行過程中，為了使電氣設備運行能夠可靠，將電力系統的接地能夠作為工作接地[2]。假如電源為中性點接地，并不會對非故障低電壓造成改變，電壓互感器的一次側線圈中性點接地能夠對低電壓測量精準性進行保證，還能夠防雷。

接地保護能夠對工作人員人身安全進行保證，還能夠避免觸電，可以利用保護接地。電氣設備與帶電部位絕緣金屬外殼的損壞會出現意外帶電，導致出現人身觸電等問題。在出現故障的時候，對地電壓設備外漏可導電的部分為保護接地。低壓配電系統保護接地主要包括IT 系統、TT 系統與TN系統。

3.2 雷電保護接地

雷電保護接地為雷電保護裝置向大地泄放雷電流而設置的接地，稱為雷電保護接地或防雷接地，是防雷保護裝置重要的組成部分，是特殊的工作接地，例如避雷針、避雷線、避雷器。對一處或者多處的零線能夠利用大地連接接地裝置，從而開展重復接地。在每個1km 的地方架空線路都要連接電纜，使建筑物能夠重復接地。如果沒有重復接地，在零線斷點或者斷線的時候，某設備存在單相碰殼，接零設備外殼和電壓接觸比較高。

3.3 放熱焊接連接

放熱焊接也叫火泥熔接，通過活性比較強的鋁還原氧化銅，此過程需要的時間比較短，所反映的熱量能夠被焊接導線端部融化成為永久性分子合成。作業程序為以下幾步。

一是清理干凈模具和導線，使模具通過噴燈加熱后去除水分，將導線放到模具中；二是扣緊夾具對模具固定，將鋼片放到模具中；三是在模具中導入焊接劑，能夠使引燃劑撒到焊接劑和模具邊中；四是蓋上蓋子并且點火，在金屬凝固之后打開模具，對熔渣清除，進行下個焊接。

放熱焊接的接頭外形美觀一致，并且連接點為分子結合，并沒有接觸面和機械壓力，所以并不會出現腐蝕和松弛。散熱面積比較大，通電流能力和導體相同，熔點和導體相同，能夠承受大故障電流沖擊，所以不容易被熔斷。放熱熔接連接的方法能夠實現不同導線不同方法的連接，比如十字形、丁字形等，還能夠連接不同材質的導線，比如銅鍍鋼、銅鍍鋅等。此方法的接頭連接方式廣泛，并且具有良好的耐腐蝕性。綜上所述，放熱焊接為銅接地體主要方式，雖然價格高，但是操作方便，并且連接方式牢固可靠、銅接地體性能良好。由于放熱焊接連接的此種牢固、可靠的連接方式，銅接地體的性能會更好[3]。

4 扁鋼接地網對陰極保護的影響

因為施工周期比較長，一般土壤電阻率不超過20Q.m 的時候要使用鎂陽極臨時保護，并且利用測試樁連接管道。在設置電流陰極保護之后，可以將臨時保護拆除。鎂陽極開路的點位為負數，因為設置電流點位在1.55V 以上，所以鎂陽極并不會影響陰極保護。相反，假如交流電流對管道造成干擾，鎂陽極還能夠實現排流接地。雖然鎂陽極的消耗速度會因為電流陰極保護變慢，但是時間久了會消耗。在鋼芯連接管道的時候，就是管道漏電點。所以，在電流陰極保護使用后，將臨時陰保拆除。假如沒有破壞鍍鋅層，接地自然電位和陽極電位借鑒。在外加電流對電位進行保護的時候，開始漏失陰極保護電流。

比如，閥室的接地網為鍍鋅圓鋼和鍍鋅扁鋼，與截斷閥相互鏈接。實際測量的管道電位為-105V，在設置電流陰極保護之后，陰保站閥室通電的電位為1.195V。距離陰保站24km 設置閥室，通過電位分析，因為閥室接地，此電位值為正，并且不會影響兩側陰極保護電位。

石墨接地板短路，會加大保護距離，甚至還會導致離開斷通電的管道過保護。表示石墨接地模式會影響陰極保護。所以，在今后工程中要禁止石墨接地模塊的應用。另外，雖然鍍鋅扁鐵接地在投入初期并不會影響陰極保護，但是在長期運營之后還是會有一些影響。假如無法有效保護接地網，就會導致鍍鋅層根被腐蝕，漏失大量的陰極保護電流。

5 銅接地網技術的合理性

銅接地網的耐腐蝕性、導電性能、熱穩定性都比較強，而且方便施工，降低維護工作質量。銅接地網設備的水平接地體截面和引下線分別為150mm2、200mm2，對比鍍鋅銅鋼網能夠使接地體截面降低，由于接地材質截面比較小，會使接地網接地電阻值得到增加，忽略了對接地網的整體性能影響。利用銅接地網焊接放熱焊，能夠連接點分子，避免出現腐蝕、松弛等情況。放熱焊的操作比較簡單，雖然具有較高的成本，但是焊點簡單，能夠可靠地連接銅接地網。

雖然銅接地網最開始投資高，但是在使用過程中的銅接地網的成本比較高。在接地網設計壽命不斷增加時，變電所銅接地網年費用就會降低，和鋼接地網對比優勢更加明顯，鋼接地方案和銅接地的方案造價見表1、表2。

表1 鋼接地網安裝工程方案

表2 銅接地網安裝工程方案

一般情況下，銅接地網的設計壽命為50年，鋼接地網的設計壽命為20年，因江埡電站地處嚴重腐蝕地區，設計壽命定為15年。以50年為一個周期做經濟對比分析，220kV 變電所銅接地與鋼接地經濟評價見表3。

表3 220kV 變電所銅接地與鋼接地經濟評價

由表3可知，雖然銅接地網的初總造價較鋼接地網高，但是在設計壽命周期方面，銅接地網相對鋼接地網的經濟性優勢非常明顯[4]。

6 導體截面的計算

6.1 鍍鋅鋼材料截面面積

接地引下線的最大接地短路電流為55.6kA，接地引下線與主接地網熱穩定截面超過502.35mm2與376.76mm2。對腐蝕的影響進行考慮，利用年腐蝕系數進行驗證。針對扁鋼和圓鋼等問題，具有相同的界面，土壤介質接觸面不同，扁鋼為50%左右。雖然腐蝕機理不完全相同，但是具有相同的腐蝕結果。另外，相關接地材料選擇圓鋼或者扁鋼并沒有太大的差別。因此，在設計防腐過程中，在使用熱鍍鋅材料時要考慮設計年限。

6.2 鍍銅鋼材截面面積

如果使用鍍鋼圓鋼，接地引下線與接地網熱穩定性截面超過260mm2和195mm2。考慮腐蝕影響，可以使用19.6mm 的鍍銅圓鋼。由于鍍銅圓鋼具有比較小的C 值，性價比和鍍銅絞線相比較差，所以利用鍍銅鋼絞線。

銅在大氣中會產生氧化銅膜，此膜致密性和抗腐蝕性良好。銅的電子活動慢，具有較強的穩定性[5]。因此，對銅網壽命是否超過100年進行計算，能夠忽略。通過分析抗腐蝕和壽命，接地體材料較良好的是銅。

7 結語

通過本文研究，鍍銅鋼材的電阻率、耐腐蝕性和熱穩定性能等方面優于鋼材。