对电力免维护接地装置的探讨

孙小玲，张凤霞

（1.神华集团电力管理部，北京 100011；2.中国三峡新能源公司，北京 100053）

电气设备的某个部分与大地之间作良好的电气联接称为接地。与大地土壤直接接触的金属导体或金属导体组称为接地体；联接电气设备接地部分与接地体的金属导体称为接地线；接地体和接地线统称为接地装置[1]。接地主要类型包括安全接地、防雷接地、工作接地、保护接地、重复接地、防静电接地、屏蔽接地等[2]。

1 免维护接地装置的重要作用

水电站等重大工程是百年大计的建设项目，而埋在地下的隐蔽接地装置对人身安全与设备安全又至关重要。虽然地下接地装置仅占总投资的极少部分，但它直接关系到运行人员的生命安全，也关系到系统、甚至是整个接入电网的安全，其重要性不言而喻。早期的地下接地网主要是用镀锌扁铁、碳钢等材料构成，虽然节约了资金，降低了造价，但随着时间的推移，也带来了一些问题，一些户内（地上）的接地扁铁虽然完好无损，但是地下接地网部分，由于长期处于地下或者阴暗、潮湿的环境中就容易发生腐蚀，尤其是地下接地网及引上接地线腐蚀得特别严重，以至于发生局部断裂，造成接地电阻大大增加，甚至发生接地线与接地网断开的严重后果。关于地下接地网腐蚀断裂的事故，在工程实际中已屡见不鲜。

《防止电力生产重大事故的二十项重点要求》（能源部〔1992〕726号）中的第十四条为“防止接地网事故”，提出了四点要求。当时全国各地均对接地网进行接地电阻摇测与开挖检查工作，以防止接地事故的发生。如上海1958年建造的某35kV变电站，经过30年左右运行，在检查中就发现接地网引上线仅存一处未开断，且亦腐蚀得非常严重，其它各处均已断裂，同时地下接地网扁铁腐蚀严重，且有多处已断裂。为此不得不再进行开挖、并进行接地网的加设改进工作。在沿海地区的盐碱地环境中，接地网腐蚀更为严重，如福建某变电站的接地装置仅运行了8年，就已经严重腐蚀[3]。天津220kV变电站接地网的使用寿命仅为5-7年[4]。欧美和日本等国为防止接地体腐蚀，一般采用铜材。我国解放前建造的部分变电站，其地下接地网均为极粗的铜线，在检查过程中始终没有发现问题。由此可见铜具有较好的抗腐蚀能力。地下隐蔽接地装置的设置应从长远考虑，至少在地下腐蚀较强的地区对接地网引上线及埋设地下的接地网应采用抗腐蚀性较强的免维护接地装置。

2 免维护接地装置的防腐机理

接地装置的腐蚀机理主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种。腐蚀环境主要有大气腐蚀、土壤腐蚀和海水腐蚀三种。腐蚀原因主要包括大气中的氧化腐蚀、接地材料的电偶腐蚀、土壤中的电化学腐蚀、化学阻垢剂造成或加速了电化学腐蚀、施工不达标造成或加速的腐蚀等[3]。当没有外加电流流经接地电极时，接地电极的腐蚀属于电化学腐蚀，并称为自然腐蚀，是由接地金属和土壤中的水份形成的电解液的化学反应引起的。金属与电解液之间产生的化学电动势称为电极电位。

铁的电级电位为－0.44V，是负电性金属，铜的电极电位为+0.337V，是正电性金属。金属的电极电位愈负则该金属愈活泼，愈易受腐蚀；电级电位愈正则该金属愈稳定，愈不易受腐蚀。当把铜与铁埋入地下用导线连接时，有0.777V的电位差。以铁（生铁、铸铁、低碳钢）为接地网材料时，虽然接地网材料为同一种金属，但因金属所处各部位土壤不同或电解液的浓度有差别，金属不同部位也出现电位差。上述电位差形成的腐蚀金属变成正离子溶解于电解液中，使阴极失重（受腐蚀）。通过多种土壤的试验证明，铜材埋入地下12年的平均失重每年不超过0.2%，而铁的年均失重可达2.2%。若按接地电极失重40%为该电极的使用寿命极限，按上述试验数据，铁电极的使用寿命为40/2.2＝18年，铜电极为40/0.2=200年。由此可见，用铁材的接地装置耐腐蚀能力差，使用寿命短，而铜具有良好的抗自然腐蚀能力。但铜是有色金属，资源有限，国家政策不鼓励大量地使用铜来做接地装置[4]。因此，可考虑用铜包钢做成的接地体和接地线，外包铜与钢无气隙紧密接触，来限制钢材腐蚀。断接卡以上接地线、断接卡至接地体的引下线、接地电极与接地连线，除断线卡处用螺栓连接外，其余连接采用热焊熔接或焊接，使接地装置的全部组成元件都具有铜材的良好抗自然腐蚀能力，从而成为免维护的接地装置。

3 免维护接地装置的制造工艺

3.1 工艺特点

由于铜与钢无气隙紧密接触的附着力和粘合质量极好，极大地减缓主体金属的腐蚀速度，检减轻修工作量。另外，铜与钢的柔韧度较好，弯曲时，不会出现裂纹和剥落。自身电阻值低于常规材料，导电性好。在潮湿、盐碱、酸性土壤及接地阻值较大的砾质土壤的等环境下更宜使用。

3.2 热焊熔接法焊接

要使铜与钢牢固地焊接在一起，热焊熔接法是最好的方法。在特制的石墨模子装入专门的粉末，套入对接好的两条铜包钢，用打火机点火后即可产生熔化反应，熔化的粉末先形成液体，在冷却后形成持久性的连接，铜与钢熔化在一起，粉末中的铜粉熔化后覆盖于全部焊缝。点火后热焊接熔接过程所需时间不足20秒。

3.3 断接卡法测试接地电阻

为了测量接地装置的接地电阻或排除引起测量误差的外来因素时，需要设置断接卡。断接卡是避雷引下线与接地极之间的一个小装置，用一块铜板与对接的两条铜包钢及铜螺栓压接，全部接触面均为铜。需测量地网接地电阻时，卸开铜螺栓，拆开连接器和压接铜板，即可将接地线与接地体分开，测量接地阻值非常方便。

4 免维护接地装置的设计要求

免维护接地装置的设计除应符合 《建筑物防雷设计规范》（GB 50057）的规定外，还需重点考虑下列设计要求：

（1）免维护接地装置，不能与自然接地体直接相连。若将送电线路杆塔的金属体埋入地中形成自然接地，再增设铜包钢接地体，铜包钢与自然接地体形成了腐蚀原电池，几年后，将导致塔脚严重腐蚀。因此，为避免铜与铁构成的腐蚀原电池而加速钢铁的腐蚀，铜包钢接地棒、接地线及接地棒的地下连线均必须采用铜铁过度板相连。

（2）直流接地网中，铜包钢宜作为阴极。作为阳极运行的接地电极，虽然铜包钢有良好的抗腐蚀能力，但它的电解腐蚀速度与铁相近。因此，铜包钢作阳极时，应在电极周围填焦炭粉。干燥的焦炭是电子导电，电子由焦炭直接进入电极，焦炭和金属电极的交界处不会出现由电化学反应形成的金属电解。焦炭是非离子晶体，不能被电解成离子，故不存在电解腐蚀。用焦炭保护铜包钢阳极的免维护年限，由焦炭的干燥程度决定。

（3）电流和雷电流通过接地体时，若接地装置金属导体的截面过小而过度发热，将导致土壤中的水份蒸发，土壤电阻率上升，形成进一步加剧水份蒸发的恶性循环，严重时可导致土壤烧结，接地极不能正常工作，甚至造成接地装置不能成为免维护装置。因此，应依据热稳定条件，设计接地线的最小截面：

式中：Smin为接地线的最小截面 （mm2）；Ijd为流过接地线的短路电流稳定值（A），根据电力系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定；td为短路的等效持续时间（s）。

Ijd、td可按表1的规定取用：

一般而言，建筑物防雷设计用铜包扁钢的引下线最小截面为48 mm2，装设引下线的最小截面由设计人员根据相关标准和现场情况确定。允许地下接地体的铜包圆钢和铜包扁钢的最小截面小于接地线（引下线）截面，但不得小于该截面的70%，铜包圆钢接地棒最小截面，还需考虑结构安全，打入土中不会打弯。

表1 免维护接地装置的参数确定

5 免维护型接地装置应用前景分析

如用圆钢、扁钢等低炭钢材制作的防雷装置，在运行中避雷针的针杆部分因腐蚀易被风吹弯。接闪器（避雷针、线、带、网）和引下线因风刮雨淋而易腐蚀。此外，防雷装置的组成元件一般不是工厂预制的标准件，安装方法也极不规范，腐蚀有可能导致防雷装置失效，需要及时进行更换。一方面，目前我国许多部门对防雷装置缺乏规范化的维护制度，防雷装置在得不到及时维护后形成腐蚀而存在安全隐患甚至造成事故；另一方面，即便有维护制度，定期开挖检查和维护仍存在很多不便。因此，免维护型防雷装置的应用前景广阔，利用年均腐蚀率约0.2%的铜覆盖于圆钢、扁钢，保护年均腐蚀率约2.2%的低炭钢,除断接卡以外的其它接头，用热焊熔接法连接成为可视之无接头的金属导体，消除了导体回路的接触面，故可实行免维护。

近年来，程控通信、微波通信、数字通信、数字控制与传输等高灵敏和高运算速度的微电子数字设备在电力系统中得到了大量应用，这些微电子数字设备在抗电磁干扰讯源方面，对接地装置的安全可靠性有了更高的要求。由于微电子数字设备具有低电压、微电流、高频率的特性，故电源发生故障时，为快速将故障电流在接地网中消散，要求有低接地电阻、高稳定性的接地网，即要求埋地接地体的自然腐蚀速度非常缓慢。为避免干扰讯源经接地网传给数字设备而产生故障，必须有专用的、独立的接地网；为避免高频脉冲波经杂散电感耦合到信号传输系统而受干扰讯源的影响，还要求在高架地板的下方设置机房信号基准网。此时，采用免维护接地装置，运用热焊熔接器连接，可做成无接触电阻，基本不受土壤中电解液腐蚀影响，长期保持接地电阻的稳定，从而更好地保证这些数字设备之间的数字传输和正常运行。

6 主要结论

接地装置的腐蚀问题关系到接地装置的正常运行，因而必须受到足够的重视。早期用铁、钢等材料制造的地下接地网，防腐性能一般，使用后易因腐蚀而形成安全隐患，造成安全事故；与此同时，微电子数字设备的广泛应用对接地装置的安全可靠性提出了更高要求，因此需要研究推广应用新型材料、耐腐蚀性能强、低接地电阻的接地装置。

用铜包钢做成免维护接地装置的接地体和接地线不会因季节变化、水分蒸发、土壤干燥、冰冻而影响接地电阻的变化；接地电阻值能大幅度降低且稳定可靠性高，泄流能力强；免维护接地装置能更好地保障人身安全、设备安全和系统安全，应用前景广阔。

[1]徐鹏.如何维护好电气设备接地装置[J].科技广场，2009（9）：214-215.

[2]吕亚妮，姜德友.浅谈接地装置及其维护[J].黑龙江科技信息，2009（34）：29.

[3]万欣，李景禄.接地装置的腐蚀及防腐蚀措施的研究[J].电磁避雷器，2006（4）：37-38.

[4]张惠珍，陈浩，刘宝成，等.接地装置防腐蚀技术的探讨[J].天津电力技术，2004（2）：24.