銅覆鋼技術在輸電線路接地裝置中的應用探討

摘 要：對比了常用接地材料的優缺點，介紹了銅覆鋼技術的優點并提供了工頻接地電阻的簡易計算方法。

關鍵詞：銅覆鋼；腐蝕；接地電阻

接地系統是電氣系統不可或缺的基礎，目前輸電線路在電網中的作用越來越重要，若無完善的防雷與接地的保護，就有可能在時雷擊發生跳閘事故。其中，因接地材料腐蝕而引起的跳閘是導致電網事故發生的重要因素，因此急需開發和應用新型接地防腐新材料。

1 接地體受腐蝕破壞的原因

接地體腐蝕是發生在金屬表面與周圍介質之間，按其腐蝕機理講，腐蝕可分為化學腐蝕、物理腐蝕和電化學腐蝕。

接地體在土壤環境中腐蝕，主要是電化學腐蝕。

電化學腐蝕是因金屬表面與周圍介質發生電化學作用而引起的，即腐蝕原電池作用，其特點是在腐蝕過程中有電流產生。

埋設在土壤中的金屬接地體發生腐蝕，受以下因素的影響：

①土壤孔隙度

土壤的孔隙空間包含著空氣和水，較大的孔隙度有利于氧和水分的保持，這是腐蝕發生促進因素。

②土壤濕度

土壤的水分對腐蝕影響很大，當土壤含水量大于85%時，氧的擴散滲透受到了阻礙，腐蝕減弱。當土壤含水量小于10%以下時，由于水分的缺乏，陽極極性和土壤電阻比加大，腐蝕速度又急速降低。

③土壤溫度

土壤溫度受晝夜溫差的形響。溫差大很容易在金屬上凝結水分微粒，且因溫差電池的形成，加快腐蝕。

④土壤的酸度（PH值）

大部分土壤的酸度PH值處于6～7.5范圍之內屬于中性。也有PH值為3～6的酸性土，如沼澤土、腐植土。還有PH值為7.5～9.5的堿性土，如鹽堿土。隨著土壤PH值的減少和增大，土壤腐蝕的速度都增加。

⑤土壤含鹽量

通常土壤中含鹽量約為80～150OPPm ，一般情況下，土壤的可溶鹽增加導電性也增加，從而增大了土壤的腐蝕速度。

⑥ 土壤電阻率

土壤電阻率直接受土壤孔隙度、濕度、溫度、酸度、含鹽量和有機質的影響，因此土壤電阻率是反應某些土壤理化性質的一個綜合指標。

一般土壤腐蝕性與電阻性是反相關，與電導率是正相關。但電阻率并不是影響腐蝕的唯一因素，多數情況下土壤腐蝕性可用土壤電阻率來衡量。（參見下表）

2 當前常用的兩種接地材料對比

當前常用的接地體材料有熱鍍鋅鋼、銅兩種。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，見下表。

除去防腐能力差的缺點外，鍍鋅鋼接地體還存在著施工工藝質量難以保證、維護管理工作量大缺點。接地體是隱蔽工程，施工空間狹小，地網布線、焊接作業等受到諸多限制，因此地網的施工工藝問題也長期困擾建設單位.主要存在搭接面不夠.焊接質量良莠不齊等問題。

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500kV及以上變電站中也部分采用了銅接地網。但銅接地體具有價格昂貴缺點，且屬戰略性資源，剛性不足等。

綜上所述開發接地網防腐新材料和新技術，提高接地網的設計壽命和可靠性，以保證電網安全運行。

3 銅覆鋼防腐技術

銅覆鋼是一種雙金屬復合材料，芯棒材料是鋼，外層材料為電解銅。它是利用工頻電爐將電解銅熔化，同時將處理干凈的鋼棒（或鋼絞線）在氮氣保護下加熱到較高溫度后，快速通過銅液并在出口處結晶成為連鑄銅覆鋼棒，再拉制成不同規格的銅覆鋼導體。其特點如下。

（1）導電性能好：銅覆鋼材料的電導率約為鍍鋅鋼材的2倍。在疏導同樣大小電流的情況下，銅覆鋼的截面積理論上可比鍍鋅鋼材減小。

（2） 抗 腐 蝕性強：傳統鍍鋅鋼材的鋅層厚度只有0.00 6 mm，因腐蝕引起的年失重率高達2.0%，在常規環境下只能保持10年左右的使用壽命。因此，鍍鋅鋼導體地下的使用壽命在短期的接地工程中是可行的，但作為永久性接地體，還不太合適。

銅覆鋼導體的銅層厚度>0.8mm（國網公司最新下發了關于銅覆鋼接地材料銅層厚度的文件要求，以往有銅層厚度0.23mm的產品），且銅在大氣中易產生起保護作用的氧化銅膜。此氧化銅膜致密性較好，穩定性較強，腐蝕較緩慢，年失重率不超過0.2%，使用壽命為50年以上。這種壽命年限，幾乎可稱為是"免維護"的。因此，就腐蝕或壽命而言，尤其在惡劣的地質條件下銅覆鋼是最優的接地材料之一。

（3）機械強度高：傳統鍍鋅鋼導體在打人地下時，由于與土壤摩擦，鍍鋅層很容易脫落，使接地極抗腐蝕性降低，最終導致接地裝置過早失效，危及人身和設備的安全。銅覆鋼導體由于銅層厚度大，銅層結合度高，抗拉強度3 600 MPa，因此在與土壤的摩擦中不會影響其防腐性能。

（4） 電阻率及壓降?。簭臏y試得知，接地導體的長度小于2.5 m時，流散電阻增加很多；反之，流散電阻則減少得并不顯著。換句話說，接地電流經2.5 m長的接地導體后，基本能流散完。接地電阻是接地導體金屬表面與土壤的接觸電阻，加上接地導體自身的內阻之和。當接地電流、接地導體與土壤接觸電阻不變時，接地體和接地引下線的金屬內阻不同所造成的結果就不同了。根據計算和實測，銅覆鋼導體的電阻率及壓降，均小于鍍鋅鋼導體。

由上可見，銅覆鋼導體性能優異，因此從工程長遠利益來看，作為接地導體是有很大優勢的，尤其在永久性的接地工程中，其發展趨勢將逐步取代傳統的接地材料。

4接地電阻簡易計算公式：

單組接地極接地電阻： R垂=ρ（ln8L/D -1）/ 2πL：

多組接地極并聯接地電阻：Rn = R （1+ ρ（1/2+1/3+…+1/n）/πRS）/n

5 工程實例

220kV港城變～如東環港風電線路位于江蘇如東沿海圍墾灘涂，根據沿線環境及水質、土壤取樣檢測分析報告，發現由于線路所經地區氣候變化范圍大，氣溫變化范圍-10℃～43℃，相對濕度變化范圍15%～100%，地形復雜，沿海灘涂面積大，既包含曬鹽池、海水養殖場等高鹽堿水域，又包含農田、淡水養殖場等低鹽堿土地和水域，根據所取地下水水質分析結果，水質類型為C1·HCO3-Na·Mg型，PH值為7.63，[SO42-]含量為54.56mg/L，[HCO3]含量為976.00mg/L，[Cl-]含量為9000.00mg/L，[Ca+]含量為240.48mg/L，[Mg+]含量為666.15mg/L，[NH4+]含量為3.78mg/L，[Na+]含量為4664.63mg/L，礦化度為15700mg/L。

地下水在長期浸水條件下對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕，在干濕交替條件下對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具強腐蝕，對鋼結構具中腐蝕，故采用銅覆鋼接地技術。

特別提出的是，應將銅覆鋼接地材料露出地面的部分表面進行鍍錫處理，使其外觀與普通鍍鋅鋼接地一致以防盜。

6 結束語

綜上所述，作為沿海高腐蝕性地區的接地材料 ，銅和鍍銅鋼不論在技術性、經濟性還是運行可靠性等方面，都比鍍鋅鋼有更大的綜合優勢和推廣價值。其中

鍍銅鋼與銅相比還具有以下優點。

a）一次性投資與年費用都相對較低 ，這在前文已經述及。

b）銅是相 對 稀 缺的有色金屬資源，大量使用銅材不符合我國構建節約型和諧社會的發展理念。特別是有可替代產品的條件下。

C）由于客觀社會環境的影 響 ， 銅 作為接地材料存在更大的盜竊風險，而鍍銅鋼的鍍層厚度較小，本身含銅量就很少，經濟價值有限，另一方面，由于采用了電離工藝，鍍銅層與鋼芯形成分子結合，即使被盜.也很難將二者分離，給"廢品"再利用造成難以克服的困難。所以，鍍銅鋼的盜竊風險是很低的。因此，綜合各方面因素考慮 ，建議將鍍銅鋼作為沿海高腐蝕性地區接地裝置技術發展的主要應用方向。

參考文獻：

[1]GB 50065-2011， 交流電氣裝置的接地設計規范

[2]DL/T 620-1997， 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合

[3]趙雪松，山西電力系統接地裝置現狀及今后選材建議，：山西電力，2008年第6期

作者簡介：

曹岑（1980-），男，江蘇南通人，高級工程師，主要從事送配電線路設計、施工管理工作。