浅谈接地网的放热焊接法

浅谈接地网的放热焊接法/刘宝国　赵鹏举　刘宝玲

1　概述

1.1　良好接地的必要条件

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1　概述

1.1　良好接地的必要条件

良好的接地系统应具备以下两个主要条件:

(1)提供一个尽可能低的电阻对地路径(接地电阻),接地电阻越低,雷电流、浪涌和故障电流就可越安全地消散到大地。

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

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。

1.2　我国接地系统现状

目前我国传统接地体大多采用钢材质,其主要原因是我国的早期电力系统设计技术多借鉴前苏联相关技术,另外我国自身铜储探明量的不足,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”,所以一度大量选用钢材和铝材。而国外(除前苏联和印度以外),以铜材以及铜镀钢材料作为主要接地材料已有超过100年的历史,而且被相关的国际标准(如:IEEE和IIIEc)推荐为主要的接地材料。

目前,我国大部分地区仍然使用镀锌扁钢作为接地材料,但几十年的实践证明镀锌钢并不能解决接地装置腐蚀问题,象华北电网天津北郊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,不得不投巨资更换成铜接地装置。还有,北京房山变电站、大同二电厂等大型500kV变电站投运10～11年后,因腐蚀严重均重新更换了原镀锌钢接地装置。由于是重新铺设接地装置,恢复路面和绿化等工作花费了不少资金,因此整个改造工程比新建接地装置所需费用增加很多。

我国解放前,曾大量采用铜质材料作为接地材料,如天津塘沽110kV变电站、上海杨树浦电厂等,经检查,其接地装置至今仍然合格,至今仍可使用。在外资投资的工厂,电厂的变电站中,大量使用铜质材料接地装置,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。

目前铜材已经不再作为国家战略物资,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。

而北京、上海、江苏、浙江、山东、广东、辽宁、天津等地区已开始选用热稳定性能好、导电性能强、耐腐性强的镀铜材做接地,其连接采用先进的放热焊接技术。

2　技术比较

2.1　性能比较

分别从导电性、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。

2.1.1　导电性

铜和钢在20℃时的电阻率分别是1 7.24×10-6(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。而镀铜钢线导电率也为30%～40%,均远较钢接地体好。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。即铜接地体导电性能比钢接地体性能优越。

2.1.2 热稳定性

铜的熔点为108 3℃,短路时最高允许温度为450℃;而钢的熔点为1510℃,短路时最高允许温度为400℃。因此,接地体截面相同时,铜材热稳定性较好。同等热稳定性能时,钢接地体所需的截面积为铜材的3倍,是30%镀铜钢绞线的2.5倍,是40%镀铜钢绞线的2.8倍。

2.1.3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大约是钢材的1/10-1/50,是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),能够对内部的铜起到很好的保护作用,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。钢材是逐层腐蚀,镀锌层也具有一定的抗腐蚀性。

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。而铜腐蚀不存在点蚀情况,寿命较长。

可见,铜接地体的耐腐性显著优于钢接地体。

目前我国变电所接地系统均存在不同的腐蚀问题,特别是有些运行十年以上的变电所腐蚀相当严重。尽管在设计时各设计人员已通过增大接地极截面来考虑30年的防腐问题,在实际运行中也采用部分开挖和测量接地电阻等方法来检测腐蚀问题。但由于实际腐蚀情况更严重,以及钢与铜的腐蚀机理不同,实施效果不太理想。图1是运行8年后开挖的钢接地体的图片,局部已经严重腐蚀断裂。

图2是现场埋置两年后的镀锌钢试片,在接地网有泄流电流的电解腐蚀时,其耐蚀性能与普通碳钢相比,提高极少,不能明显改善接地网的防蚀性能。

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,造成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,导致直流、保护、通信、信号等二次设备和低压系统发生故障和损坏,甚至损坏变压器等重要设备。而镀铜钢棒则几乎没有任何腐蚀。

综上所述,铜接地体与镀锌钢接地体相比,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。

2.2　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点,只有可靠的、牢固的连接才能保证接地网的运行可靠性。

2.2.1　钢接地体的连接方式

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法,设计者也作过研究与尝试,由于钢接地体设计截面过大,未能被采用,主要有以下原因:

(1)大型、非标模具制造困难,造价高;

(2)焊粉用量大;

(3)由于钢接地体本身防腐性能差,焊接质量的提高意义不大;

(4)焊接点较多,费用太高。

2.2.2铜镀钢接地体的连接方式

目前铜接地体和铜镀钢接地体主要有以下四种连接方式:

(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间、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艾力高公司(ERIC0)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。艾力高公司为表彰卡特威尔博士(Dr.Charles Cadwell)的贡献,将该工艺的商标命名为CADWELD。目前数以千万计的CADWELD焊接在使用了50多年后,性能依然良好。

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。铜基放热反应的一般公式是:

3Cu2O+2AIAl2O3+3Cu+热量(2735℃)

放热焊接的作业程序:

①准备工作:将导线和模具清理干净,再将模具用喷灯加热以去除水分,然后把导线放人模具内,扣紧夹具以固定模具;

②把杯状焊药放入模具内;

③将电子控制器终端夹到点火条上;

④盖上盖子持续按下电子控制器按钮5s后点火;

⑤打开模具并移去钢杯,就可见焊接好的接头。清除焊渣,等待下一次焊接。

永久焊接简单四步法如图3所示。

放热焊接接头的特性;

①外形美观一致;

②连接点为分子结合,没有接触面,更没有机械压力,因此,不会松弛和腐蚀;

④具有较大的散热面积,通电流能力与导体相同;

④熔点与导体相同,能承受故障大电流冲击,不至熔断。

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、镀铜钢等之间的连接;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。

放热焊接的优点:

①焊接方法简单,容易掌握;

②无需外接电源或热源;

③供焊接用的材料、工具很轻、携带方便;

④焊接点的载流能力与导线的载流能力相等;

⑤焊接是一种永久性的分子结合,不会松脱;

⑥焊接点像铜一样,耐腐蚀性能强;

⑦焊接速度快捷,节省人工;

④从焊口的外观上便能鉴定焊接的质量;

⑨可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢,包括不锈钢及高阻加热热源材料。

在国外,放热焊接已通过UL标准严格论证,并被IEEE Std80大纲等规程中指定为接地系统中埋地导体地连接方式。在国内,放热焊接技术已通过国家电力公司武汉高压研究所、浙江电力试验研究所等部门产品质量监督检验中心的检验,并已应用在电力系统的重点工程。不同连接形式的放热焊接如图4所示。

2.3　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。

2.4　接地效果

对接地系统基本要求是满足接地电阻的指标。接地电阻具体来说,实质上包含三个部分:

(1)接地导体本身电阻;

(2)导体和土壤的接触电阻;

(3)土壤的散流电阻。

其中土壤的散流电阻最为重要,它是接地电阻的重要组成部分,这由土壤的电阻率决定。所以通常采用增大垂直按地极深度来减少土壤的散流电阻,从而达到降低接地电阻的目的,而不是增大垂直接地极深度来降低接地电阻。

镀铜接地网相对钢接地网来说,能够更好的泄放故障电流,保障线路安全。

3　结束语

放热焊接是铜接地体的理想连接方式,其方便快捷的操作,优秀的焊接质量是其他连接方式不可比拟的,正是因为具备这样可靠、牢固的连接方式,铜接地体的性能比钢接地体更胜一筹。