新型材料在变电站接地系统中的应用

杨小光,王洪峰,王 刚

(1.国家电网北京经济技术研究院,北京 100052;2.山西省电力勘测设计院,山西太原 030001)

新型材料在变电站接地系统中的应用

杨小光1,王洪峰1,王 刚2

(1.国家电网北京经济技术研究院,北京 100052;2.山西省电力勘测设计院,山西太原 030001)

分析了变电站接地网系统的几种类型和接地材料,分别从导电性能、热稳定性、耐腐性和接地体连接方式等方面对比了接地材料的优缺点,并以2008年投产的阳曲220 kV变电站为例对比了不同的接地方案,得出镀铜钢为主地网的接地系统即符合全寿命周期的理念,也符合两型一化的要求,与铜地网相比,降低了工程造价,应用前景广泛。

变电站;接地;焊接

0 引言

2000年之后由于山西省电力系统容量的迅速扩大,入地短路电流大幅升高,为了保证电力系统的安全、可靠运行,就要求对变电站接地网的安全性提出更高、更严格的要求。由于山西省大部分地区地下存在大量矿产资源,加之为保护基本农田,并随着变电站进入市区,大量气体绝缘组合设备GIS(Gas Insulated Sw itchger)的应用[1],使得变电站的布置紧凑、占地面积更小,地网的二次改造更为复杂。

调查表明,我国曾发生多起由于地网腐蚀,接地电阻未达到要求所导致的事故。这种事故不仅造成巨大的经济损失,而且对于社会造成更严重的间接经济损失。根据统计,我国发生的由于接地系统引起的事故损失每次都在数百万到数千万元,由此产生的间接经济损失则更大。因此,保证每一个变电站的接地网达到安全指标要求尤为重要。

1 地网类型及接地材料简介

第一种类型是以扁钢、角钢和圆钢为主要接地体,以普通电焊为主要联结方法的接地网。材料费低施工费高;由于腐蚀快,地网寿命一般为4～10 a;占地面积较大。

第二种类型是以铜条、铜带、镀铜钢为主要接地体,以放热焊接为主要联结方法的接地网。造价较高;特别耐腐蚀,地网寿命一般为30～60 a。

2 衡量地网可靠性的主要指标

2.1 地网稳定性

地网的稳定性主要指地网性能,特别是接地电阻随年代和季节的变化情况。由于地网材料的腐蚀,一般情况下钢质地网随年代增长接地电阻会有显著增大,而铜质地网接地电阻增大较慢,地网性能较为稳定。

2.2 地网寿命

地网的使用年限是一个非常值得关注的指标,一般来说地网的使用寿命应与地面设施的设计使用年限相匹配。设施建成若干年后地网的更新要比初期投入更高的代价。

电力部门对地网腐蚀情况有较多调查。山西省电力公司对110 kV及以上变电站接地装置基本情况从接地主网和电缆沟内接地线腐蚀情况两个方面进行了实际的调查,结果表明,以扁钢和圆钢为主的接地网在10 a以上的腐蚀情况非常严重。

2.3 接地材料的连结

连接接点的最基本要求是低阻抗及耐腐蚀。

连接接点的电阻经常成为整个接地网络的薄弱环节,不论主网质量怎样好,不良接点都使整个接地系统质量下降;同时,接点又是最易受腐蚀的地方,接地系统的焊接点被腐蚀到一定的程度,就会造成接触不良,接地系统的作用就会大大地降低[2]。

3 接地材料的性能比较

分别从导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面比较铜接地体与热镀锌钢接地体的差异。

3.1 导电性能

铜和钢在20℃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%导电率镀铜钢线导电率为30%,40%导电率镀铜钢线导电率为40%[3],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。

3.2 热稳定性

铜的熔点为1 083℃,短路时最高允许温度为450℃;而钢的熔点为1 510℃,短路时最高允许温度为400℃[4]。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%镀铜钢绞线的2.5倍,是40%镀铜钢绞线的2.8倍。

3.3 耐腐性

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[5]。

铜的表面会产生附着性极强的氧化物 (铜绿),能够对内部的铜起很好的保护作用,阻断腐蚀的形成。当铜与其他金属 (钢结构、水管、气管、电缆护套等)共存地下时,铜作为阴极不会受腐蚀,腐蚀的是后者。钢材是逐层腐蚀,镀锌层具有一定的抗腐蚀性。

钢接地体接头部位经过高温电弧焊接加工后会出现点腐蚀情况,一般最多只能保证10 a。而铜腐蚀不存在点蚀情况,寿命较长。

一般情况下,在测量接地电阻时,很难发现接地网腐蚀问题。一旦通过大的故障电流,由于截面太小,容易熔断,从而导致故障电流不能通过接地网顺利泄到大地,地电位升高,出现 “反击”现象,对直流、保护、通信、信号等二次设备和低压系统故障和损坏,甚至损坏变压器等重要设备。而镀铜钢棒则几乎没有任何腐蚀。可见,铜接地体的耐腐性显著优于钢接地体。

目前,山西省变电所接地系统均存在不同的腐蚀问题,特别是有些运行10 a以上的变电所腐蚀相当严重。尽管在设计时设计人员已通过增大接地极截面来考虑30 a的防腐问题,在实际运行中也采用部分开挖和测量接地电阻等方法来检测腐蚀问题,但由于实际腐蚀情况更严重,以及钢与铜的腐蚀机理不同,实施效果不太理想。

3.4 接地体连接方式

变电所的接地网金属导体存在着大量的连接,只有可靠的、牢固的连接才能保证接地网的运行可靠性[6]。

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。

对于钢接地体,由于截面过大,不能采用放热焊接。

铜接地体和铜镀钢接地体主要有4种连接方式,即铜银焊连接法,压接线夹连接法,螺栓连接法,放热焊接连接法。

放热焊接利用活性较强的铝把氧化铜还原,整个过程需时仅数秒,反应所放出的热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成。铜基放热反应的一般公式是:

放热焊接有如下优点。

a)焊接方法简单,容易掌握。

b)无需外接电源或热源。

c)供焊接用的材料、工具很轻、携带方便。

d)焊接点像铜一样,耐腐蚀性能强。

e)焊接速度快捷,节省人工。

f)可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢,包括不锈钢及高阻加热热源材料。

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。

4 接地方案实例

2008年投产的阳曲220 kV变电站接地系统使用镀铜钢接地材料与传统接地材料方案比较。接地电阻要求≤0.72Ω,接地系统使用寿命按30 a设计[7]。

4.1 镀铜钢绞线接地方案

水平接地体采用截面φ12 mm镀铜钢绞线,垂直接地极采用截面φ17.2 mm高度2.44 m镀铜钢接地棒,连接方式采用放热焊接,见表1方案一材料和工程造价估算。

表1 方案一材料和工程造价估算

4.2 镀锌扁钢接地方案

用传统的镀锌扁钢做接地材料,当使用到30 a时至少要经过3次改造,见表2方案二材料和工程造价估算。

表2 方案二材料和工程造价估算

4.3 铜排接地方案

水平接地体采用铜排,垂直接地极采用截面φ17.2 mm高度2.5m铜棒,连接方式采用放热焊接,见表3方案三材料和工程造价估算。

表3 方案三材料和工程造价估算

通过表1、表2、表3的数据比较,能够得出直接的经济造价;而对一些隐性的经济造价如施工难度、施工周期、系统运行的安全性和稳定性等,钢材与镀铜钢就相差的更大了。施工时间的长短对一个工程非常重要,在科技高速发展的今天,时间就是效益。如以上的变电站,采用镀铜钢接地材料,连接使用放热焊接,连接一个接头仅须2～3min,整体做下来用时1 d左右。如果采用钢材,连接一个接头至少需15 min,整体做下来至少要花10 d。10 d的时间对于任何一个企业来说所创造的价值是无法估量的。镀锌扁钢由于重量大,且不易弯曲,施工工程量大,特别是二次地网改造时,对现有建筑物的破坏和影响,给正常生产带来更大的损失,尤其是对于GIS站来说地网二次改造几乎不可实施。

在设计和施工时,既要合理地选择接地材料、尺寸和连接方法,以降低工程造价,同时还要考虑到提高接地系统的可靠性、稳定性和最重要的安全性。选用镀铜钢做接地材料比传统接地材料初期投入要稍高些,但从长期的经济效益来看镀铜钢接地材料性价比更优越。

5 结束语

以2008年投产的阳曲220 kV变电站为实例对比了三种接地方案的优缺点,可以明显看到与铜接地网相比,降低了工程造价;与原先的钢接地网相比节省了人力、物力和总的成本。采用镀铜钢接地方案既符合国网公司倡导的全寿命周期理念,也符合两型一化的要求,可以看到新型接地系统在山西应用的广泛前景。

[1] 电力工业部.GB50057-1994 建筑物防雷设计规范 [S].北京:中国电力出版社,1994:9-10.

[2] 电力工业部.GB50169 电气装置安装工程接地装置施工及验收规范[S].北京:中国电力出版社,2008:24.

[3] 电力工业部.DL/T 621 交流电气装置的接地 [S].北京:中国电力出版社,1998:45-46.

[4] 电力工业部.DL/T 620 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 [S].北京:中国电力出版社,1997:9.

[5] 电力工业部.SDJ63—1982 电力建设安全工作规程 [S].北京:中国电力出版社,2007:7-8.

[6] 电力工业部.DL/T617—1997 电业安全工作规程 [S].北京:中国电力出版社,1997:11.

[7] 电力工业部.DL/475—1992 接地装置工频特性参数的测量导则 [S].北京:中国电力出版社,1992:16.

Discussion on App lication of New Materials in Substation Grounding System

YANG Xiao-guang1,WANG Hong-feng1,WANGGang2
(1.State Power Economic Research Institute,Beijing 100761,China;2.ShanxiElectric Power Exploration and Design Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

The various types and the groundingmaterials of the substation grounding system are introduced.Theadvantages and disadvantages of grounding materials are analyzed on conductivity,thermal stability,anti-corrosion resistance and grounding connectionmethod.Differentgrounding schemes are compared as an examp le is taken of Yang Qu 220 kV substation which is put into operation in 2008.It is concluded in this paper that the utilization of copper-steel-based grounding system is consistent with the life-cycle concep t andmeets‘typeautomation'in stead of copper-based system;the construction cost is decreased and the system is app lied w idely in the future.

substation;grounding;welding

TM 63

B

1671-0320(2010)01-0028-03

2009-08-18,

2009-12-16

杨小光 (1978-),男,河北丰润人,2001年毕业于华北电力大学电气工程学院电气工程自动化专业,工程师,从事变电站一次设备的设计和研究;

王洪峰 (1967-),男,山西运城人,1990年毕业于太原理工大学电气工程自动化专业,高级工程师,从事变电站一次设备的设计和研究;

王 刚 (1983-),男,山西长治人,2008年毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业,从事变电站一次设备的设计和研究。