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      銅鍍鋼接地材料與傳統鋼材接地材料的比較
       
      良好的接地系統應具備以下兩個主要條件:
      1、提供一個盡可能低的低電阻對地路徑(接地電阻),接地電阻越低,雷電流, 浪涌和故障電流就可越安全地消散到大地。
      2、接地導體應具有良好的防腐能力并能重復通過大的故障電流,接地系統的壽命應不小于地面主要設備的壽命。一般至少要求30年以上壽命。長期、可靠、穩定的接地系統,是維持設備穩定運行、保證設備和人員安全的根本保障。
      接地系統長期安全可靠運行的關鍵在于正確選擇合適的接地材料和可靠的連接。
      目前我國傳統接地體大多采用鋼材質,其主要原因是我國的早期電力系統設計技術多借鑒前蘇聯相關技術,另外我國自身銅儲探明量的不足,加上西方國家過去對我國的封鎖,中國不容易取得銅。為節約有色金屬,在20世紀50~60年代提出“以鋼代銅,以鋁代銅”,所以一度大量選用鋼材和鋁材。而國外(除前蘇聯國家,中國和印度以外),以銅材以及銅鍍鋼材料作為主要接地材料已有超過100年的歷史,而且被相關的國際標準(如:IEEE和IEC)推薦為主要的接地材料。
      目前,我國大部分地區仍然使用鍍鋅扁鋼作為接地材料,但幾十年的實踐證明鍍鋅鋼并不能解決接地裝置腐蝕問題,象華北電網天津北郊500KV變電站投運8年后開挖檢查發現,接地裝置腐蝕嚴重,有的甚至已被腐蝕斷,不得不投巨資更換成銅接地裝置。還有,北京房山變電站,大同二電廠等大型500kV變電站投運10-11年后,因腐蝕嚴重均重新更換了原鍍鋅鋼接地裝置。由于是重新鋪設接地裝置,恢復路面和綠化等工作花費了不少資金,因此整個改造工程比新建接地裝置所需費用增加很多。
      我國解放前,曾大量采用銅質材料作為接地材料, 如天津塘沽110kV變電站,上海楊樹浦電廠等,經檢查,其接地裝置至今仍然合格,至今仍可使用。在外資投資的工廠,電廠的變電站中,大量使用銅質材料接地裝置,如秦山核電站,連云港核電站,無錫海力士半導體變電站,INTEL等。
      目前銅材已經不再作為國家戰略物資,國家外匯儲備充沛,在上海成立了銅期貨交易所,可以很方便地購買銅。而北京、上海、江蘇、浙江、山東、廣東、遼寧、天津等地區已開始選用熱穩定性能好、導電性能強、耐腐性強的銅材做接地,其連接采用先進的放熱焊接技術。
      分別從導電性、熱穩定性、耐腐蝕性等方面比較銅接地體與熱鍍鋅鋼接地體的差異。
      銅和鋼在20˚C時的電阻率分別是17.24×10-6(Ω·mm)和138×10-6(Ω·mm)。若以銅的導電率為100%, 標準1020鋼的導電率僅為10.8%,因此銅的導電率是鋼的10倍左右。而30%導電率鍍銅鋼線導電率為30%,40%導電率鍍銅鋼線導電率為40%,均遠較鋼接地體好。尤其是在集膚效應下,高頻時鍍銅鋼絞線導電性能遠遠優于鋼材。即,銅接地體導電性能較鋼接地體好。
      熱穩定性
      銅的熔點為1083˚C,短路時最高允許溫度為450˚C;而鋼的熔點為1510˚C,短路時最高允許溫度為400˚C。因此,接地體截面相同時,銅材熱穩定性較好。同等熱穩定性能時,鋼接地體所需的截面積為銅材的3倍,是30%鍍銅鋼絞線的2.5倍,是40%鍍銅鋼絞線的2.8倍。
      接地體的腐蝕主要有化學腐蝕和電化學腐蝕兩種形式,在多數情況下,這兩種腐蝕同時存在。銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10~1/50, 是鍍鋅鋼的耐腐蝕性的3倍以上,而且電氣性能穩定。
      銅的表面會產生附著性極強的氧化物(銅綠),能夠對內部的銅起很好的保護作用,阻斷腐蝕的形成。當銅與其它金屬(鋼結構、水管、氣管、電纜護套等)共存地下時,銅作為陰極不會受腐蝕,腐蝕的是后者。鋼材是逐層腐蝕,鍍鋅層具有一定的抗腐蝕性。
      鋼接地體接頭部位經過高溫電弧焊接加工后會出現點腐蝕情況,一般最多只能保證10年。而銅腐蝕不存在點蝕情況,壽命較長。
      可見,銅接地體的耐腐性顯著優于鋼接地體。
       
      目前我國變電所接地系統均存在不同的腐蝕問題,特別是有些運行十年以上的變電所腐蝕相當嚴重。盡管在設計時各設計人員已通過增大接地極截面來考慮30年的防腐問題,在實際運行中也采用部分開挖和測量接地電阻等方法來檢測腐蝕問題。但由于實際腐蝕情況更嚴重,以及鋼與銅的腐蝕機理不同,實施效果不太理想。

      試驗樣本,安裝于1992年。美國聯邦電氣接地研究工程技術咨詢委員會,在2001年1月29日, 在BALBOA(巴爾博亞)現場開挖圖片: 左邊為鍍鋅鋼棒,右邊為鍍銅鋼棒。
       
      以下是運行八年后開挖的鋼接地的圖片,局部已經嚴重腐蝕斷裂。
      一般情況下,在測量接地電阻時,很難發現接地網腐蝕問題。一旦通過大的故障電流,由于截面太小,容易熔斷,從而導致故障電流不能通過接地網順利泄到大地,從而導致地電位升高,而出現“反擊”現象,對直流,保護,通信,信號等二次設備和低壓系統故障和損壞,甚至損壞變壓器等重要設備。而鍍銅鋼棒則幾乎沒有任何腐蝕
      綜上所述,銅接地體與熱鍍鋅鋼接地體相比,銅接地體在導電性能、熱穩定性能、耐腐蝕性方面有顯著的優越性。
       
      變電所的接地網金屬導體存在著大量的連接,只有可靠的、牢固的連接才能保證接地網的運行可靠性。
      鋼接地體的連接方式
      目前,鋼接地體之間的連接均為傳統的電弧焊接方式,高溫電弧會破壞接地體接頭部位的鍍鋅層,有可能導致點腐蝕的出現,嚴重影響接地體的壽命。此外,電弧焊接連接不是真正的分子性連接,焊接點對
      銅鍍鋼接地體的連接方式--放熱焊接連接法
      放熱焊接工藝最早是由美國查爾斯·卡特威爾博士1938年開發的,該工藝最早用于鐵路信號線焊接。目前數以千萬計的放熱焊接接頭在使用了五十多年后,性能依然良好。
      放熱焊接利用活性較強的鋁把氧化銅還原,整個過程需時僅數秒,反應所放出的熱量足以使被焊接的導線端部融化形成永久性的分子合成。銅基放熱反應的一般公式是:
      3Cu2O+2Al→Al2O3+3Cu+熱量(2735˚C)
      放熱焊接接頭的特性
      外形美觀一致;
      連接點為分子結合,沒有接觸面,更沒有機械壓力,因此,不會松弛和腐蝕;
      具有較大的散熱面積,通電流能力與導體相同;
      熔點與導體相同,能承受故障大電流沖擊,不至熔斷。
      放熱焊接連接法可以完成各種導線間不同方式的連接,如直通型、丁字型、十字型等;還可以完成不同材質導線的連接,如普通鋼鐵、銅、鍍鋅鋼、銅鍍鋼等之間的連接;甚至可以實現導體間不同形狀的連接,如銅導線與銅鍍鋼接地棒的連接、銅導線與銅板的連接、銅導線與接地鍍鋅鋼管的連接、導線與鋼筋的連接以及導線與槽鋼的連接。這種方法接頭有著廣泛的連接方式,而且耐腐蝕性好卜接觸電阻低,已逐步得到推廣應用。
      放熱焊接的優點:
      焊接方法簡單,容易掌握;
      無需外接電源或熱源;
      供焊接用的材料、工具很輕、攜帶方便;
      焊接點的載流能力與導線的載流能力相等;
      焊接是一種永久性的分子結合,不會松脫;
      焊接點像銅一樣,耐腐蝕性能強。
      焊接速度快捷,節省人工;
      從焊口的外觀上便能鑒定焊接的質量;
      可用于焊接銅、銅合金、鍍銅鋼、各種合金鋼,包括不銹鋼及高阻加熱熱源材料。在國外,放熱焊接已通過UL標準嚴格論證,并被IEEE Std80大綱等規程中指定為接地系統中埋地導體地連接方式。在國內,放熱焊接技術已通過國家電力公司武漢高壓研究所、浙江電力試驗研究所等部門產品質量監督檢驗中心地檢驗,并已應用在電力系統的重點工程。
      放熱焊接接頭及剖面
      綜上所述,放熱焊接是銅接地體的理想連接方式,其方便快捷的操作、優秀的焊接質量是其他連接方式不可實現的。正是因為具備這樣可靠、牢固的連接方式,銅接地體的性能比鋼接地體更勝一籌。
       
      設計推薦垂直地網采用銅鍍鋼接地棒,由于接地棒截面大大小于角鋼,在作垂直接地施工方面工作量減小,并能垂直深入土壤,使通過加大垂直接地深度來降低接地電阻成為一種可能。
      綜上所述,可以看出鍍銅鋼接地棒不僅可以避免城市開挖,避免檢測腐蝕情況等,而且相對于傳統角鋼接地方式而言,在綜合成本上,無論一次投資還是考慮到全壽命費用上,均有較優異的性能。即使僅考慮材料費用,鍍銅鋼接地棒也是費用相當經濟的一種接地方式。如果考慮到各城市對開挖的種種限制,以及城區開挖所需交納開挖費用,則鍍銅鋼接地棒接地方案則是城市配電網接地的最佳方式。
      費用比較:采用銅鍍鋼材料接地工程造價的費用與參照往年已建成的變電站造價計算,一次性投入比為1:1.26; 按50年使用周期,則綜合成本比較為1:0.38-0.45。
      供貨周期比較:唐模電氣公司的生產基地就位于江蘇省內,借助發達的交通及物流系統,供貨周期約為3-10日,對于常規配件,公司都有庫存,當天就可發貨。
       
      南京唐模電氣科技有限公司
      技術部
       
       
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