铜镀钢接地棒及放热焊接在农电地网中的应用与研究

铜镀钢接地棒及放热焊接在农电地网中的应用与研究

张洪王子亮

国网河南省电力公司安阳县供电公司河南安阳455000

摘要：安阳县供电公司对部分线路台区变接地状况的调查，发现现有传统接地材料及工艺存在接地极腐蚀严重、接地电阻超标的现象。通过采用新型镀铜钢接地材料，达到了施工迅捷、成本低、耐腐蚀寿命超过40年的效果，加强了台区变的运行安全。

关键词：接地材料；区变；铜镀钢；放热焊接

一、前言

因交流装置接地装置的锈蚀导致地电位反击导致设备故障以及可能造成的人身安全隐患，一直严重影响农村电网的稳定运行。同时，接地装置的施工和维护常常遇到现场接电难，支出费用高等问题，影响了现场施工，也影响了电网的安全运行。这些问题主要表现为：

1.传统接地材料在土壤中腐蚀严重，难以满足接地体长期运行的要求

为了更好地了解接地材料长期运行的效果，我们通过对一些台区的接地网进行复测和开挖检查，发现普遍存在接地电阻超标和接地材料腐蚀严重甚至断裂等现象。经取土检测，安阳土壤电阻率25Ω.m-50Ω.m，PH值6.0－6.5，酸性偏大，较容易腐蚀钢材。钢材腐蚀生成为三氧化二铁，易碎易剥落，呈片层状，不能隔绝外部水分与内部的接触，因而无法保护内部钢材不被腐蚀（铁锈是一种不导电的物质，它的存在会使接地电阻逐年增大）。同时，铁（Fe+2）相对于氢的腐蚀电位为-0.4V，相对于其他地下常见金属（如铜）而言，在发生双金属氧化还原反应时，作为负极（阳极）牺牲，会加快自身的腐蚀速度。2015年，我们对30组投入使用5年的接地体进行检测，检测发现存在腐蚀的有18组，占总数的60%。这些接地体腐蚀严重，接地电阻达不到要求，需要更换接地体，加大运行人员的维护工作量。

2.现场施工所需设备复杂，而且需要备用电源

传统接地材料为热镀锌角钢和扁钢，因长度、形状限制，现场往往需要切割设备和焊接设备，而且需要外接备用电源提供设备运行所需电源。现场焊接会对材料热镀锌层造成破坏，即使焊接后采取了相应的防锈措施，但无法满足长期耐腐蚀的要求。

3.现场开挖工程量大，施工时间长，所需人工费用高

采用角钢作为接地极，2.5米长的角钢电阻为50欧姆左右，根据国家标准需将4根角钢垂直埋入地下，再用20米圆钢或扁钢连接才能满足接地电阻和雷击电流释放要求。所以，安装接地装置时需开挖一条宽约0.6m、深0.8m、长20m的深坑。经计算，开挖深坑耗时需5.5小时，安装角钢时只能靠人力敲击，耗时约0.5小时，善后处理繁琐，其中焊接及接头防腐处理约0.5小时，回填土石约0.5小时，完成一组接地平均需要7个小时。

二、国内外接地材料的应用

国外早在上世纪初即已开始尝试使用镀铜钢接地材料替代纯铜和钢材，保证电力接地网的免维护要求并同时降低接地网的造价成本。1910年到1950年美国国家标准局（NBS）开始大范围埋样测试，并按不同的年限开挖检测钢与镀铜材料的腐蚀情况，得出结论为：铜的最大腐蚀速度为0.00566毫米/年（点蚀），热镀锌钢腐蚀速度0.3毫米/年（点蚀），因此对于寿命要求10年以上的地网推荐使用纯铜或镀铜，对于临时的设备接地（时间小于10年）可采用热镀锌钢，考虑纯铜的造价过高问题，对于设计寿命小于50年大于10年的地网，推荐选用镀铜钢做地网材料。由该试验结论直接形成了标准IEEEstd80和UL467，间接影响了英国国家标准BS7430及其他国家的接地应用标准出台。

放热焊接由美国艾力高公司（ERICO）的卡特威特（CADWELD）博士发明，在除俄罗斯、印度和中国以外的国家，放热焊接是做为地网电气连接的首选工艺。其原理是利用金属铝粉置换铜的氧化物，在化学置换过程中产生2537度的高温熔解焊接的金属，其接头外表面包覆置换出来的铜以起到防腐作用。由于是熔解金属，因此接头为整体融合无任何空隙，与传统的电焊相比，接头的通流能力和防腐能力大大提高。整个焊接过程耗时1分钟左右，无需电源，操作者无需专门培训，接头质量与操作者水平高低无关。这种工艺由于无需电源，体积小巧重量轻，操作简单，施工速度快，特别适合接地系统的野外施工。

三、新型接地材料耐腐蚀的理论和实践依据

1、提高施工效率

依据DL/T621-1997，单根垂直接地体的接地电阻计算公式为：

从上述公式看来，在同一种土壤条件中，垂直接地极长度增加一倍，接地电阻降低效果可达50％。传统热镀锌角钢标准长度2.5m，且不可连接，如果采用扁钢或圆钢加深垂直接地极长度，势必要钻孔，施工成本过高，效率过低，没有研究的意义。如果采用镀铜钢垂直接地极，由于产品本身可通过配件加长，采用传统敲击方式即可，避免了开挖。通过加深接地系统接地极的深度降阻，可实现缩小水平地网征地面积，达到了降低成本的目的。那么深井法改善地网的接地效果，在国内许多接地工程中也大量是用过，实际案例也证明了深井法的有效性即加深垂直接地极能够改善地网的接地效果。只是深井法无法避免开挖钻孔，施工效率低，性价比不高。

2、趋肤效应

高频电流通过导体时将产生趋肤效应，采用镀铜钢芯接地材料，当雷击电流和故障电流流过导体本身时，在趋肤效应的作用下，电流的95％将在表层的铜层流动，此时镀铜钢芯接地材料与纯铜导体相当。另外，同尺寸的同形状的铜导体自感远小于钢导体，可大大降低地电位反击，减少雷击跳闸概率。

3、耐腐蚀性

调查表明，镀锌钢接地体的寿命仅为7－13年，而美国ERICO铜镀钢接地棒有效寿命达到40年以上。众所周知，铜材耐腐蚀性能是钢材的十倍以上，是镀锌钢的三倍以上。镀铜钢的耐腐蚀性接近于纯铜，铜的表面会产生附着性较强致密的氧化物（铜绿Cu（OH）2），对内部的材料有很好的保护作用，阻断了进一步腐蚀的形成。根据电化学原理，铜相对于氢元素而言，电位为+0.34V，铁为-0.44V，铜做为阴极得到保护。同时铜的氧化物结合非常紧密，可以隔绝腐蚀物质对内部铜层的进一步腐蚀。因此铜的防腐性能好。举例说明如下：

假设根据热稳定要求得出所需垂直接地极截面积必须大于120mm2，钢材平均腐蚀速率为0.065mm，点腐蚀速率为0.3mm（土壤电阻率200Ωm左右时）。选择50×5扁钢作为垂直接地极。

●以平均腐蚀速率计算：

则30年腐蚀厚度为0.065×302mm，

30年后接地极截面积为（50－2）×（5－2）150mm2>120mm2，从而满足要求。

●以点腐蚀速率计算：

则30年腐蚀厚度为0.3×30＝9mm>5mm，不满足所需截面积要求。

而10年腐蚀厚度：0.3×10＝3mm，截面积（50－3）×（5－3）100mm2<120mm2，不满足所需截面要求。

因此，作为接地极的扁钢虽然在10年内不会全部锈蚀，但将会有局部全部被腐蚀掉的可能，从而增加了接地装置的不安全性。

1.热稳定性

热稳定系数：纯铜220，30％导电率镀铜钢绞线164，镀铜圆钢146，热度锌钢77。

比较：同等热稳定性，钢材需要截面是纯铜的3倍，30％导电率镀铜钢绞线的2.5倍，20％导电率镀铜圆钢的2.3倍。

国内导体的热稳定校验公式为：

2、具体施工工艺：

现场施工及其简单，仅需在现场开挖直径0.1-0.2米地小坑，将接地棒砸入土中即可。如果接地电阻较高，则仅需通过专用接地棒连接器连接多根接地棒，逐一打入地下，最大深度可达42米。

为了便于连接镀铜钢绞线与镀铜钢接地棒，我们利用美国ERICO的化学CADWELD放热焊接技术。

放热原理：3Cu2O+2Al→6Cu+Al2O3+Heat（2537oC）

采用放热焊接将镀铜钢绞线和镀铜钢接地棒连接，连接后两个导体的连接处为一个实体连接。焊接后的效果如图所示。

CADWELD放热焊接是真正的分子结合，内部无空隙，接头电阻与导体一致，焊接过程简单快速，仅需1分钟的时间，不需要外部电力，设备或特殊培训。

五、效益评价

1、接地电阻

目前，我们已对30个台区变压器的接地装置进行了镀铜钢改造，经测试，接地电阻均满足国家标准要求的10Ω以下。典型线路的接地电阻测试结果见下表：

2、经济效益

（1）、传统接地需要4根2.5米长的75×8角钢依次连接起来打入地下，再用4根5米长的40X5扁钢连接。角钢费用为每根105元，每根角钢加工费25元，圆钢每米16元，总费用为：4×（105＋25）+20×16＝740元，连接及人工费用为2000元，共需740＋2000＝2740元（不含政策处理费）

（2）、采用镀铜钢接地需6根接地棒和4个连接器，费用为：300×6＋138×4＝2352元，连接及人工费用为150元，共需2352＋150＝2502元

仅算一次投资，则镀铜钢接地棒总成本仅为传统接地的2502/2740=91.3%，因此，采用该技术不仅可以节省费用而且可以获得超过40年的使用寿命。

3、社会效益

通过镀铜钢接地应用，避免了土地开挖，每处节约土地使用面积近18平方米，减少供电企业与群众之间土地政策处理协调的矛盾，既节约费用又提高了安装效率。

参考文献：

[1]变电站接地装置防腐措施研究,华北电力技术

[2]电力系统铜接地网的应用,浙江电力

[3]交流变电站接地设计导则标准,IEEEStd80-2000

[4]水和土腐蚀性的评价标准,GB50021-2001

[5]镀铜材质检测标准,UL467

[6]交流电气装置的接地标准,DL/T621-1997