基于LCC理念的变电站接地材料选择

来源:用户上传      作者: 戴建军 韩梅 高丽娟

　　【摘 要】本专题通过对镀锌钢、镀铜钢材料的导电性能、热稳定性、耐腐蚀性的比较，用LCC理念重点分析了镀锌钢、镀铜钢作为变电站接地材料的经济性比较，推荐镀铜钢作为变电站的接地材料。
　　 【关键词】LCC理念;变电站;接地材料
　　 0.概述
　　接地网作为变电站交直流设备接地及防雷保护接地，对系统的安全运行起着重要的作用。在大接地电流系统中，接地装置直接影响继电保护动作的正确性；在小接地电流系统中，不合格的接地网将对人身安全构成严重威胁。而且接地工程作为隐性工程很容易被人忽视，随着电力系统电压等级的升高及容量的增加，短路电流也越来越大，二次控制系统敏感性较高,接地不良引起的事故扩大问题屡有发生。因此，接地问题越来越受到重视，对接地电阻要求越来越高,对接地系统散流要求高, 对接地系统热稳定要求高。因此，变电站接地材料的选择直接影响到接地网的安全性、可靠性和经济性。
　　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（除前苏联国家，中国和印度以外）以铜材以及镀铜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IEC）推荐为主要的接地材料。如IEEE80－2000在导体的选择方面，明确指出：“铜材为最主要的水平接地导体材料，30％和40％的镀铜钢材料也作为水平导体材料，垂直接地体的材料则主要为镀铜层不小于0.25mm厚度的镀铜钢接地棒。”
　　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，像华北电网天津北郊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。
　　 1.镀锌钢接地材料存在的问题
　　（1）接地网的腐蚀问题非常严重，虽然设计规定地网的寿命为30年，但实际上镀锌钢地网一般在5－10年腐蚀就相当严重。天津电力公司调查发现，有时仅经过5年，对一些杆塔和配电变电站进行测量，往往接地电阻成为无穷大，也就是说接地系统被完全腐烂中断。这远少于设计的30年寿命。
　　（2）接地网接地电阻难以达到要求。随着经济的发展，以及配电系统小型化智能化，导致接地网面积越来越小，而在城区由于开挖受到严格限制，接地电阻就更难以达到要求。从而直接导致雷击事故不断增多，严重影响供电可靠性。
　　（3）接地网的连接非常薄弱，腐蚀非常严重。由于传统接地连接采用电焊焊接，电焊高温会严重破坏镀锌层，从而加速了接头处的腐蚀。再加上部分施工单位把关不严，导致地网中接头部分的腐蚀更加严重，从而严重影响地网的整体寿命。
　　 2.镀铜钢与镀锌钢的技术比较
　　2.1性能比较
　　以下分别从导电性能、热稳定性、耐腐蚀性等方面比较镀铜钢接地体与镀锌钢接地体的差异。
　　2.1.1导电性能
　　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较钢接地体好。
　　2.1.2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。
　　2.2接地体连接方式
　　变电站的接地网由水平接地体与垂直接地体（接地极）组成，它们之间连接的是否可靠、牢固，将直接影响到接地网的降阻和散流效果，影响到变电站的安全运行。
　　2.2.1镀锌钢接地体的连接方式
　　目前，镀锌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。
　　2.2.2镀铜钢接地体的连接方式
　　（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。
　　（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。
　　综上所述，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实现的。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。
　　2.3施工难易度
　　如果垂直接地极采用镀铜钢接地棒，截面为￠14.2m2，由于接地棒截面大大小于镀锌钢管￠50m2，在作垂直接地施工方面工作量减小，并能垂直深入土壤，通过加大垂直接地深度来降低接地电阻。
　　如果水平接地体采用镀铜钢绞线，截面为150m2，每盘长度为500m，比镀锌扁钢6米一根，大大减小接头点，减少故障点，提高系统可靠性，大大减少施工量。
　　镀铜钢接地棒与镀铜钢绞线之间的接头采用放热焊接，不需要任何外部电源，对人员亦没有特殊要求，安装非常简单、安全。
　　 3.结论
　　综上，镀铜钢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；镀铜钢接地棒垂直接地极可深打，可有效降低接地电阻；而且镀铜钢接地装置30年总投资远小于镀锌钢接地装置投资。因此，推荐变电站选用镀铜钢作为接地材料。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-50203.htm