腐蝕性地質條件下電力工程接地設計的銅覆鋼材料選擇探討

王偉

摘要：本文主要綜合各方面因素并結合一些針對性的試驗結果就中等腐蝕性地質條件下電力工程接地設計的銅覆鋼接地材料選擇作了一些探討。

關鍵詞：腐蝕性地質條件；電力工程；接地設計；接地材料；銅覆鋼

中圖分類號：F407文獻標識碼： A

電力系統中變電站的電氣設備眾多且價格昂貴，若沒有完善的防雷與接地的保護，就有可能在雷擊、過電壓等意外的電氣系統故障發生時損毀。本文將綜合各方面因素就腐蝕性地質條件下電力工程接地設計的銅覆鋼接地材料選擇作一些探討。

1電力工程接地應用現狀

表1我國部分變電站開挖檢修情況

近幾年，我國電力設施建設的規模越來越大，另一方面，由于地質條件影響以及接地設計方面的缺限，每年因接地網腐蝕嚴重改造的變電站眾多，經濟損失巨大。從接地設計時接地材料的選擇上來看，熱鍍鋅鋼鍍層太薄，耐腐蝕性能差，導致熱鍍鋅鋼接地網壽命低下，部分腐蝕嚴重的區域在運行3-5年就需要開挖檢修，十年后都會產生嚴重的腐蝕而不得不更換。從可靠性和經濟效益來看，銅是首選的接地網防腐材料，銅質接地網已在發達國家的輸變電工程中得到廣泛應用。在我國新建220kV及以上變電站中也部分采用了銅接地網。

2銅覆鋼接地材料應用分析

銅覆鋼導電性好、抗腐蝕性強 、機械強度高，比鍍鋅鋼的電阻率及壓降低，另一方面由于節省了銅的使用率，可大量節約資源。目前銅覆鋼接地棒，已被國外發達國家應用于建筑、鐵路、電力及石油化工等各行業領域。國內銅覆鋼的生產歷史較短，各廠家的生產工藝、產品質量、結構形式、產品規格等有所不同，缺乏相應的標準，產品質量和性能有待考核和規范。銅鋼復合材料焊接工藝采用放熱熔焊，但國產熔粉均為小企業生產，在接頭質量等方面與進口產品存在一定差距，缺乏獨立成熟的放熱熔焊技術工藝體系。因此，應進一步加強銅覆鋼在接地網中的應用進研究，通過提高性能滿足輸變電接地網應用要求，以便推廣應用。

2.1不同工藝銅覆鋼的電阻率試驗

下表2是通過試驗對不同工藝銅覆鋼電阻率的測試結果。

表2不同工藝銅覆鋼電阻率的測試結果

2.2銅覆鋼腐蝕性能試驗

(1)取新疆的典型戈壁土壤：角礫、圓礫，具有中弱以上腐蝕性

(2)腐蝕介質：去離子水與土壤1：1混合、沉淀后下層的泥漿。

(3)參比電極：飽和甘汞電極；輔助電極：Pt電極

利用外推法確定腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流icorr，利用icorr估算腐蝕速度?？紤]鈍化、電解、去離子水對腐蝕速度的影響，估算的腐蝕速度大于實際腐蝕速度。

（4）試驗結果：三種工藝的銅覆鋼，其導電率分別可達27%（冷拉，0.5mm），25%（連鑄，1mm），19%（電鍍，0.25mm）μΩ·cm。冷拉、連鑄、電鍍產品的熱穩定系數分別可達146，137， 119?？杀ＷC接地網的安全穩定。銅覆鋼拉斷力滿足IEEE 837標準要求，大部分產品彎折后銅層未開裂。熱鍍鋅鋼在各種土壤中的耐蝕性均很差，鍍鋅層在腐蝕性較低的土壤中也僅能使用3年，由此可見，使用熱鍍鋅鋼，接地網在運行一段時間后，其安全性無法得到保證。銅覆鋼耐蝕性優異，在絕大多數土壤中的耐蝕性是滿足要求的，特殊地區（如腐蝕性極強的海岸），可增加銅層厚度以滿足設計要求。對于銅覆鋼的銅層厚度以及使用年限建議如下，必要時宜按當地土壤的腐蝕數據進行設計：

①冷拉銅覆鋼：弱腐蝕中性/堿性土壤0.5mm、強腐蝕中性/堿性土壤1mm、較低腐蝕性酸性土壤0.7mm，使用壽命滿足50年；腐蝕極強區域（如濱海地區），銅層厚度1.2～1.5 mm，使用壽命滿足30年。

②水平連鑄銅覆鋼：中性、堿性土壤1mm，使用壽命50年；較低酸性土壤1.2mm，滿足使用壽命50年；腐蝕極強區域（如濱海地區），銅層厚度1.2～1.5 mm，使用壽命30年。

③電鍍銅覆鋼：銅層厚度為0.254mm，一般及較低腐蝕性區域使用滿足50年，國產電鍍銅覆鋼應大力加強質量監控。

2.3接頭性能試驗

為了更好的了解接頭性能，特選擇了具有典型代表性的工藝接頭進行針對性試驗，試驗程序和標準嚴格執行相關標準，試驗結果如下。

（1）經電流溫度循環試驗后，冷拉及連鑄產品表面僅有少量氧化銅，國產電鍍銅覆鋼，表面氧化銅層剝落較多，進口電鍍銅覆鋼氧化銅剝落現象較輕，各接頭完好。各產品電阻變化率都極低，除一個國產電鍍產品外，其他產品試驗后與試驗前的電阻比值均低于1.1。

（2） 冰凍融化試驗后，國產電鍍銅覆鋼出現表層銅起鼓現象，不利于電鍍銅覆鋼的耐腐蝕性能，其他產品形貌變化不大，各接頭完好。各材料試驗后電阻率極低，所有材料試驗后與試驗前的電阻比值均遠低于1.1。

（3）短路電流沖擊過程中，國產電鍍材料溫升明顯，起鼓現象增加，冷拉銅覆鋼部分區域銅層翹起，水平連鑄銅覆鋼完好，各接頭完好。各材料試驗后電阻率極低，所有材料試驗后與試驗前的電阻比值均遠低于1.1。

（4）經熱穩定性循環試驗程序后，評價如下：

a. 各工藝銅覆鋼及接頭電阻變化最高也僅增加13.8%，符合IEEE 837中電阻增加值低于50%的標準要求；

b. 水平連鑄銅覆鋼試驗后完好，產品質量優異；

c. 冷拉銅覆鋼大電流沖擊后部分區域銅層翹起，出于安全考慮，建議改進生產工藝，進一步提高銅層結合性；

d. 國產電鍍銅覆鋼銅層較薄，試驗中鼓泡現象嚴重，氧化層脫落較多，對材料耐蝕性非常不利，不建議使用；

e. 進口電鍍銅覆鋼少量區域出現較小鼓泡，氧化層脫落較少，相比國產材料性能有一定優勢，但出于安全考慮，建議進一步改善銅層質量；

f．各接頭經三個循環試驗后都保持完好，接頭熱穩定性高，項目自研接頭質量、性能均與進口接頭相當。

（5）帶接頭的冷拉和連鑄銅覆鋼經500h鹽霧試驗，僅表層出現部分銅綠，接頭腐蝕輕微，電阻率變化極低，具有非常好的耐蝕性。

3接地材料全壽命周期經濟性對比分析

接地裝置的全壽命周期按40年考慮。銅覆鋼與熱鍍鋅鋼、銅的全壽命周期經濟性對比分析，見下表3。

表3 三種接地網的材料投資對比分析

注：（1）按25%導電率計算；

（2）相同的土壤條件下的設計壽命對比，未考慮腐蝕極強的區域（如海岸）。

由表可見，在全壽命周期內，使用銅覆鋼的材料費，與鍍鋅鋼相比可節省45%左右，相同的設計壽命下與銅相比可節省15%。與熱鍍鋅比，使用銅覆鋼接地網，不僅設計壽命提高、全壽命周期材料費降低，而且大幅減少了接地網開挖維修的次數和維修費用，隱形的全壽命周期經濟性很大；與銅相比，使用銅覆鋼不僅全壽命周期經濟性好，而且節約了戰略性銅材?？梢钥闯鲢~覆鋼是替代銅做接地裝置的理想的資源節約型材料。

結論：銅覆鋼接地材料在保證腐蝕性地質條件下電力工程接地系統的安全與穩定方面具有良好的性能，而且又具有較好的經濟性優勢。在電力工程中大力推廣和使用銅覆鋼接地材料具有良好的社會和經濟效益。

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