关于变电站主接地材料的分析探讨

摘要：本文主要介绍了变电站主接地系统的材料选择。从相关材料的技术参数及连接方式进行了系统的分析。

关键词：接地系统；技术参数；放热焊接

Abstract: This paper introduces the selection of the main transformer substation grounding system materials. Analyzes the system from the technical parameters of related materials and connection mode.

Key words: grounding system; technical parameters; exothermic welding

中图分类号：TM411+.4

0前言

接地导体应具有良好的防腐能力并能重复通过大故障电流。接地系统的寿命应不小于地面主要设备的使用寿命，一般至少要求30年以上寿命。长期、稳定、可靠的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障。

1、接地系统现状

1.1 国际国内现状对比

我国早期电力系统设计技术多借鉴前苏联技术，另外我国自身铜储探明量不足，加上西方国家过去对我国的封锁，中国不容易取得铜。为节约有色金属，在20世纪50～60年代提出“以钢代铜，以铝代铜”，直至目前我国接地体仍主要采用钢材；而国外以铜材或铜镀钢材料作为主要接地材料已有超过100年的历史，并被IEEE和IEC推荐为主要的接地材料。

1.2 部分工程接地概述

我国大部分地区仍然使用热镀锌扁钢作为主接地材料，几十年的实践证明热镀锌钢并不能解决接地装置腐蚀问题，例如华北电网天津北郊500kV变电站,投运8年后,开挖检查发现，接地装置腐蚀严重，有的甚至已被腐蚀断；北京房山变电站、大同二电厂大型500kV变电站投运10-11年后，因腐蚀严重均更换了原热镀锌钢接地装置。

解放前，部分变电站采用铜材作为主要接地材料，如天津塘沽110kV变电站、上海杨树浦电厂，经实地勘测，接地装置至今仍满足标准。在外资投资的工厂、电厂的变电站中，采用铜材作为主要接地材料，如秦山核电站，连云港核电站，无锡海力士半导体变电站，INTEL等。

2、技术比较

铜材不再作为国家战略物资，而且国家外汇储备充沛，在上海成立了铜期货交易所，可以很方便地购买铜。以下从导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面比较铜接地体与热镀锌钢接地体的差异。

2.1 导电性

铜和钢在20˚C时的电阻率分别是17.24×10-6（Ω・mm）和138×10-6（Ω・mm）。若以铜的导电率为100%，标准1020钢的导电率仅为10.8%，因此铜的导电率是钢的10倍左右。而30%导电率镀铜钢绞线导电率为30%，40%导电率镀铜钢绞线导电率为40%，均比钢接地体好。尤其是在集肤效应下，高频时镀铜钢绞线导电性能远远优于钢材。

2.2 热稳定性

铜的熔点为1083˚C，短路时最高允许温度为450˚C；而钢的熔点为1510˚C，短路时最高允许温度为400˚C，因此接地体截面积相同时，铜材热稳定性较好。如果选择同等热稳定性时，钢接地体所需的截面积为铜材的3倍，40%镀铜钢绞线的2.8倍、30%镀铜钢绞线的2.5倍。

2.3 耐腐蚀性

接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，在多数情况下，这两种腐蚀同时存在。铜在土壤中的腐蚀速度是钢材的1/50～1/10，是热镀锌钢的耐腐蚀性的3倍以上，而且电气性能稳定。铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），能够对内部的铜起很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。当铜与其它金属（钢结构、水管、气管、电缆护套等）共存地下时，铜作为阴极不会受腐蚀，腐蚀的是后者。

钢接地体接头部位经过高温电弧焊接加工后会出现点腐蚀情况，一般最多只能保证10年。而铜腐蚀不存在点腐蚀情况，寿命较长。

变电站设计人员在接地系统设计时，已通过增大接地体截面来考虑30年的防腐问题；并在实际运行中采用部分开挖和测量接地电阻等方法来实时检测腐蚀问题。但由于实际腐蚀情况更严重，以及钢与铜的腐蚀机理不同，实施效果并不是很理想。

一般情况下，在测量接地电阻时，很难发现接地网腐蚀问题。一旦通过大的故障电流，由于截面太小，容易熔断，从而导致故障电流不能通过接地网顺利泄到大地，从而导致地电位升高，而出现“反击”现象，对直流、保护、通信等二次设备和低压系统造成故障和损坏，甚至损坏变压器等重要设备。

综上所述，铜接地体与热镀锌钢接地体相比，铜接地体在导电性能、热稳定性能、耐腐蚀性方面有显著的优越性。

3、接地体连接方式

变电所的接地网金属导体存在着大量的连接，只有可靠的、牢固的连接才能保证接地网的运行可靠性。

3.1 钢接地体连接方式

目前，钢接地体之间的连接均为传统的电弧焊接方式，高温电弧会破坏接地体接头部位的镀锌层，有可能导致点腐蚀的出现，严重影响接地体的寿命。此外，电弧焊接连接不是真正的分子性连接，焊接点对于接地体的导电性能也有影响。

对于钢接地体能否采用放热焊接接法，设计也作过研究与尝试，由于钢接地体设计截面过大，未能被采用，主要有以下原因：大型、非标模具制造困难，造价高；焊粉用量大；由于钢接地体本身防腐性能差，焊接质量的提高意义不大；焊接点较多，费用太高。

3.2 铜镀钢接地体连接方式

①铜银焊连接法

扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之问、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接都可以使用铜银焊连接法，常用的铜银焊接有乙炔焊、电弧焊等，但焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，特别是铜焊，即使是持有特殊工种上岗证，也比较容易出现一些焊接缺陷，无法从表面观察合格与否。并且，这种焊接是应用于纯铜接地体之间的连接，不适合于镀铜接地体的连接。基于以上原因，铜银焊连接法在电力工程接地系统实际施工中很少应用。

②压接线夹连接法

绞线与绞线之间的连接大多使用压接线夹连接法。但这种方法比较适用于两条绞线一对一连接，无法做好十字交叉连接。如要十字交叉，则要求有特殊十字接线线夹，或者要先形成接地铜排和接地线夹，处理好两者之间的接触面后，再使用螺栓连接法。

③螺栓连接法

扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与绞线之间、绞线与绞线之间的连接还可用螺栓连接，该方法与压接线夹连接法互为补充。但螺栓连接处的接触标准应按现行国家标准《电气装置工程母线装置施工及验收规范》的规定处理。目前，压接线夹法和螺栓连接法在施工现场应用最为广泛，这和我国的电力施工技术工人的认识和训练程度有着密切的关系。

④放热焊接连接法

放热焊接工艺最早是由美国ERICO公司的查尔斯・卡特威尔博士1938年开发的，该工艺最早用于铁路信号线焊接。放热焊接利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程需时仅数秒，反应所放出的热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成。

放热焊接连接法可以完成各种导线间不同方式的连接，如直通型、丁字型、十字型等；还可以完成不同材质导线的连接，如普通钢铁、铜、镀锌钢、铜镀钢等之间的连接；甚至可以实现导体间不同形状的连接，如铜导线与铜镀钢接地棒的连接、铜导线与铜板的连接、铜导线与接地镀锌钢管的连接、导线与钢筋的连接以及导线与槽钢的连接。这种方法接头有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好、接触电阻低，已逐步得到推广应用。

3.3 施工难易度

设计推荐垂直地网采用铜镀钢接地棒，由于接地棒截面大大小于角钢，在作垂直接地施工方面工作量减小，并能垂直深入土壤，使通过加大垂直接地深度来降低接地电阻成为一种可能。

总结

变电站接地系统长期安全可靠运行的关键在于正确选择合适的接地材料和可靠的连接。本文着重从接地材料导电性、热稳定性、耐腐蚀性、连接方式进行论述。对今后变电站接地系统设计具有一定的指导作用。