铜覆钢材料在接地系统中的应用

【摘要】论述了接地系统对于变电站的重要性。铜覆钢材料作为新兴的接地网制作材料，所具有的优势。铜覆钢技术的发展过程，分析了其主要的电气试验参数。展望了铜覆钢材料在今后变电站工程建设中的发展前景。

【关键词】变电站接地网；铜覆钢技术；趋肤效应；铜覆钢的电气参数

Abstract:Discusses the importance of the grounding system for the substation. Copper-clad steel as emerging ground net production of materials, has advantages. The copper-clad steel technology development process, the analysis of the main electrical test parameters. Looking to the copper-clad steel development prospects in the future construction of substation project.

Keywords: Substation grounding grid；Copper-clad steel technology；Skin effect；The electrical parameters of the copper-clad steel

中图分类号：TU5文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1引言

变电站电气设备，其运行安全性非常重要。在这其中，接地系统起着至关重要的保障作用。主接地网为站内所有的电气设备提供一个可靠的接地。如果发生系统故障，产生短路电流，接地网能够迅速地安全地消除掉故障产生的电流。而且，接地网还可以有效的降低站内的地电位升。

我们可以说，接地网的相关的接地性能的好坏是可以直接地关系到全部的站内工作人员其人身安全的，其次，还影响到各种电气设备相关的运行安全及可靠性，在整个变电站系统中，主接地网起到了关键的作用。

2主接地网应具备的电气特性：

作为排除短路电流的保证，主接地网应具备良好的电阻率及导电率。

有较好的机械强度，拉伸强度大和弹性好。

主接地网一般暗敷设于变电站地下，因此应具备良好的耐酸碱腐蚀性能。

电气性能稳定，能承受住短路电流的冲击。

3制作主接地网材料的选择：

镀锌钢材有着极佳的机械强度，较好的电阻率及导电率。由于低廉的价格，在以往数十年的变电站工程建设中广泛应用。但钢材在酸碱度较高的土壤腐蚀的速度较快，随时间的增加，电气性能快速的下降。近些年来建设的变电站工程，已经不再采用钢材作为主接地网的首选材料。

纯铜材质有良好的机械强度，极佳的电阻率及导电率，同时具备钢材所不具备的耐酸碱腐蚀特性。近年来建设的变电站工程，广泛采用铜材作为主接地网的制作材料。但上世纪七十年代后，由于铜资源日趋紧张，铜的价格也一路攀升。所以，建设成本成为采用铜材作为接地网建设材料的主要制约因素。

随着科技的进步，铜覆钢技术能够将钢材与铜材的优点结合起来，同时又避免其不足之处。根据趋肤效应，交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过。铜覆钢技术利用这一特性，采用导电性能好且耐腐蚀的铜材作为导体表层，利用机械强度高且造价低的钢材作为导体内芯。兼顾了两种材料的优点。

铜覆钢材料由于其导电性能好，耐腐蚀性强，抗拉强度大，价格低廉等优点得以广泛推广，并相继得到美国电气和电子工程学会（IEEE）标准、英国BS标准和国际电工委员会IEC标准的认可。

4铜覆钢材料技术的发展过程：

制造铜包钢双金属复合材料的工艺目前主要有以下三种：

4.1、电镀 (电铸)冷镀法：

将处理干净的钢丝（钢棒）通过电镀槽，利用电解原理，在钢的表面电镀上一层铜，先镀镍，再镀铜，铜钢结合力不如有氢电镀。而有氢电镀法污染特别严重，现在基本已经不采用。该工艺也称冷镀工艺。主要优点是：制造成本低；主要缺点是：铜层薄，铜层厚度最厚0.25mm,绞线一般0.03mm。铜钢结合面会残留电解液、存在内部电化学腐蚀，对环境有污染。

4.2、套管（包覆）法：

将处理干净的钢棒插入钢管内，利用直拉机拉丝模的束紧力将铜管束紧在钢棒的外表面。该工艺也称冷轧包覆法，即用机械力将铜层包覆在钢芯上，主要优点是：工艺简单、成本低；主要缺点是：铜钢结合力差，机械结合，铜层易分离、脱落。无法满足变电站工程中对导体长度的要求，另因两种不同金属间存在间隙，深入地下易形成原电池效应，从而增加腐蚀速率。

4.3、无氧热铸法：

将处理干净的钢丝（钢棒）在氮气保护下加热到较高温度，同时利用工频炉将电解铜加热熔化，将钢丝（钢棒）快速通过铜液并在出口处结晶成铜包钢棒，再拉制成铜包钢导体。该工艺的主要优点是：铜与钢实现了冶金分子结合、成为单一复合体、可任意调节铜层厚度（常规1mm）。主要缺点是：工艺较复杂、相比之下成本较高。

从环境保护的角度来看，电镀 (电铸)冷镀法对环境具有较高的污染。而套管（包覆）法采用机械结合，铜钢之间结合力差，对于变电站的电气安全性存在一定的隐患。无氧热铸法虽然成本较前两种方法要高，但其电气性能优越，防腐特性更优，是变电站工程中主接地网的良好选择。

5铜覆钢材料的电气参数：

接地系统是变电站安全运行的保障，选用铜覆钢材料作为接地网的制作材料，其电气特性应满足国家的相关要求。选择试样规格为Ф14mm的铜覆钢圆棒导体（铜层厚度1mm），焊接工艺采用放热焊接。对其进行电阻率测定，热稳定系数测定，电化学腐蚀性能测试，短路电流冲击试验。

5.1电阻率和导电率测定

根据GB/T3048.2-2007《电线电缆电性能试验方法 第2部分：金属材料电阻率试验》，对铜覆钢导体的电阻率和导电率进行测定，测试相同长度有、无熔焊熔焊接头的电阻，进行对比。见表1&表2：

铜覆钢导体的电阻率及导电率（表1）

水平铜覆钢导体的电阻及电阻比（表2）

一般在变电站中一次系统中，接地电阻要求不大于4Ω。二次系统中接地电阻要求不大于0.3Ω。所以铜覆钢导体的电阻率及导电率可以满足变电站接地系统的要求。

5.2热稳定系数

根据IEEE std 80-2000《交流变电站接地安全指南》，利用实测的电阻率计算铜覆钢导体的热稳定系数。见表3

（表3）

5.3电化学腐蚀性能

利用典型区域土壤进行电化学腐蚀试验，估算铜覆钢导体的腐蚀速度。

试验介质：三种典型土壤之中（酸性红壤；碱性苏打盐土；碱性黄土），去离子水与土壤1:1混合、沉淀后下层的泥浆。

试验条件：参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为Pt电极，扫描速度0.5mV/s，试样的测试面积为10cm2。测试极化曲线后，利用外推法确定腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流Icorr，利用腐蚀电流Icorr计算电化学腐蚀速度Vcorr。见表4

铜覆钢导体电化学腐蚀参数（表4）

按照估算的电化学腐蚀速度计算，1mm铜层厚度在大部分土壤可使用30年以上，所以，铜覆钢导体可以满足变电站长期运行要求。如表5所示。

（表5）

5.4短路电流冲击试验

参考IEEE std 837-2002《变电站接地件永久性连接的质量鉴定》进行短路电流试验，对铜覆钢导体的短路电流性能进行考核，试验初始电流根据IEEE 837标准中的计算方法确定为7.5kA。

试样规格：Ф14mm×0.6m，共3根。

试验条件：初始短路电流有效值为7.5kA，冲击4秒为一次，每个试样冲击3次。对比冲击前后电阻的变化。试验参数及电阻变化见表6和表7。

短路电流试验参数（表6）

短路电流冲击后电阻值的变化（表7）

试验过程中，铜覆钢导体出现烧红现象。经过3次短路电流冲击后，试样及其放热焊接接头完好，尽在表面出现一层氧化铜，经打磨后便可露出铜层。试验前后电阻值变化很低，铜覆钢导体及其焊接接头的热稳定性良好。由此项试验可证明，铜覆钢导体材料能够满足变电站接地系统可靠排除短路电流的需求。

6结束语

我国是一个资源紧缺的国家，工程建设不能再像过去一样搞“大而全”的模式，要充分发挥科学技术的力量，用最经济的支出，获得最大的效果。

在当今世界市场上，铜材料价格高居不下的形势下，该技术无疑能够在保证变电站安全运行的前提下，降低工程的施工成本。根据历史数据，每个变电站平均要敷设3km~10km的主接地网，如果采用纯铜敷设的话，按照当下6万元/吨的价格，仅材料费一项就要支出约70万元。而采用铜覆钢材料可以节约40%的成本。而且，在今后该项技术更加成熟，形成更大的产业化规模后，相信使其成本下降的更多。

铜覆钢材料作为一种新兴的接地材料，具备了防腐特性好，机械强度高，电气性能稳定的优点。同时安装简洁，便于施工。铜覆钢材料的电气参数与纯铜材料相似，成本方面更是具有铜材料所不具备的优势。相信在今后的电力工程建设中，这种新型技术生产的铜覆钢材料，能够得到更广泛的应用。

参考文献

IEEE《变电站接地件永久性连接的质量鉴定》

IEEE《交流变电站接地安全指南》

IEEE《电线电缆电性能试验方法》