出线平台铜接地网与扁钢接地网的对比分析

国能新朔铁路有限责任公司 李剑宇

1 引言

镀锌扁钢一般应用到变电所的接地材料中，目前变电所利用480mm2截面镀锌扁钢，利用640mm2镀锌扁钢作为引下线。另外，还能够利用热稳定性良好、耐腐蚀性强的铜材接地，连接利用放热熔接的技术实现。根据当地电力公司安排，本文分析出现平台铜接地网和扁钢接地网的技术对比，并且实现可行性论证。

2 性能对比

2.1 导电性能

在温度为20℃的时候，铜和钢的电阻率分别为17.24×10-6Ω·mm 与138×10-6Ω·mm，铜具有较高的导热率，所以导热性能良好。相关研究显示，在对铜接地网和钢接地网进行设计时，铜接地网的电势能够降低。

2.2 热稳定性

铜和钢的熔点分别为1083℃和1510℃，如果具有相同的接地体截面，就有良好的铜材料稳定性，要求加大接地体的截面积。

2.3 耐腐性

通过电化学、化学的两种方式实现接地体的腐蚀，土壤中的铜腐蚀速度比较快，电气性能稳定。利用热镀锌能够使抗腐蚀性得到提高，降低导电性能，使用年限为10年。铜腐蚀性会降低点蚀问题的发生概率，所以使用寿命也比较长。接地网在GIS变电站中要开展定期测试，但是工作难度比较大。

2.4 接地体的施工

将铜绞线在水平主网施工中应用，铜绞线的柔性良好，拐弯比较方便。通过放热焊能够使施工工艺简化，使铜接地网连接的质量高。设计铜镀钢接地棒的截面比较大，在进行垂直接地施工过程中能够降低工作量，在土壤中垂直插入，使接地电阻得到降低。

2.5 电阻率和压降

通过测试显示，在接地体长度为250cm 以下的时候，会增加流散电阻。利用接地体小三全部的接地电流，利用土壤和接地体的接地电阻实现接地电阻，假如地面和接地体的触点为零，就会降低接地引下线和连接点位，导致设备绝缘。假如接地装置材料为钢材，连接电位就会高于钢材，导致缺陷设备和旧设备击穿，无法对其进行保护。铜接地体的电阻小，并且接地体压降中的铜也比较小，降低了跨步电压[1]。

3 接地体连接方式

3.1 铜接地体连接

利用传统的电弧焊接连接铜接地体，高温电流会对接地体接头部位镀锌层造成破坏。另外，电弧焊接是不能够进行分子性连接，焊接点会影响接地体的导电性能。热半截和铜接地体相互连接，能够以强活性铝还原氧化铜，此过程时间短，在进行反应的过程中热量会合成永久性分析。放热焊接接头具有良好的外观，利用分子结合连接点，不需要接触面的设置，没有机械压力、腐蚀、松弛等问题。使散热面积扩大，通电流的能力是一样的；具有相同的熔点，承受大电流冲击；焊接比较方便；不需要外接热源和电源，供焊接使用的工具和材料比较轻。

在出现故障或者正常运行过程中，为了使电气设备运行能够可靠，将电力系统的接地能够作为工作接地[2]。假如电源为中性点接地，并不会对非故障低电压造成改变，电压互感器的一次侧线圈中性点接地能够对低电压测量精准性进行保证，还能够防雷。

接地保护能够对工作人员人身安全进行保证，还能够避免触电，可以利用保护接地。电气设备与带电部位绝缘金属外壳的损坏会出现意外带电，导致出现人身触电等问题。在出现故障的时候，对地电压设备外漏可导电的部分为保护接地。低压配电系统保护接地主要包括IT 系统、TT 系统与TN系统。

3.2 雷电保护接地

雷电保护接地为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设置的接地，称为雷电保护接地或防雷接地，是防雷保护装置重要的组成部分，是特殊的工作接地，例如避雷针、避雷线、避雷器。对一处或者多处的零线能够利用大地连接接地装置，从而开展重复接地。在每个1km 的地方架空线路都要连接电缆，使建筑物能够重复接地。如果没有重复接地，在零线断点或者断线的时候，某设备存在单相碰壳，接零设备外壳和电压接触比较高。

3.3 放热焊接连接

放热焊接也叫火泥熔接，通过活性比较强的铝还原氧化铜，此过程需要的时间比较短，所反映的热量能够被焊接导线端部融化成为永久性分子合成。作业程序为以下几步。

一是清理干净模具和导线，使模具通过喷灯加热后去除水分，将导线放到模具中；二是扣紧夹具对模具固定，将钢片放到模具中；三是在模具中导入焊接剂，能够使引燃剂撒到焊接剂和模具边中；四是盖上盖子并且点火，在金属凝固之后打开模具，对熔渣清除，进行下个焊接。

放热焊接的接头外形美观一致，并且连接点为分子结合，并没有接触面和机械压力，所以并不会出现腐蚀和松弛。散热面积比较大，通电流能力和导体相同，熔点和导体相同，能够承受大故障电流冲击，所以不容易被熔断。放热熔接连接的方法能够实现不同导线不同方法的连接，比如十字形、丁字形等，还能够连接不同材质的导线，比如铜镀钢、铜镀锌等。此方法的接头连接方式广泛，并且具有良好的耐腐蚀性。综上所述，放热焊接为铜接地体主要方式，虽然价格高，但是操作方便，并且连接方式牢固可靠、铜接地体性能良好。由于放热焊接连接的此种牢固、可靠的连接方式，铜接地体的性能会更好[3]。

4 扁钢接地网对阴极保护的影响

因为施工周期比较长，一般土壤电阻率不超过20Q.m 的时候要使用镁阳极临时保护，并且利用测试桩连接管道。在设置电流阴极保护之后，可以将临时保护拆除。镁阳极开路的点位为负数，因为设置电流点位在1.55V 以上，所以镁阳极并不会影响阴极保护。相反，假如交流电流对管道造成干扰，镁阳极还能够实现排流接地。虽然镁阳极的消耗速度会因为电流阴极保护变慢，但是时间久了会消耗。在钢芯连接管道的时候，就是管道漏电点。所以，在电流阴极保护使用后，将临时阴保拆除。假如没有破坏镀锌层，接地自然电位和阳极电位借鉴。在外加电流对电位进行保护的时候，开始漏失阴极保护电流。

比如，阀室的接地网为镀锌圆钢和镀锌扁钢，与截断阀相互链接。实际测量的管道电位为-105V，在设置电流阴极保护之后，阴保站阀室通电的电位为1.195V。距离阴保站24km 设置阀室，通过电位分析，因为阀室接地，此电位值为正，并且不会影响两侧阴极保护电位。

石墨接地板短路，会加大保护距离，甚至还会导致离开断通电的管道过保护。表示石墨接地模式会影响阴极保护。所以，在今后工程中要禁止石墨接地模块的应用。另外，虽然镀锌扁铁接地在投入初期并不会影响阴极保护，但是在长期运营之后还是会有一些影响。假如无法有效保护接地网，就会导致镀锌层根被腐蚀，漏失大量的阴极保护电流。

5 铜接地网技术的合理性

铜接地网的耐腐蚀性、导电性能、热稳定性都比较强，而且方便施工，降低维护工作质量。铜接地网设备的水平接地体截面和引下线分别为150mm2、200mm2，对比镀锌铜钢网能够使接地体截面降低，由于接地材质截面比较小，会使接地网接地电阻值得到增加，忽略了对接地网的整体性能影响。利用铜接地网焊接放热焊，能够连接点分子，避免出现腐蚀、松弛等情况。放热焊的操作比较简单，虽然具有较高的成本，但是焊点简单，能够可靠地连接铜接地网。

虽然铜接地网最开始投资高，但是在使用过程中的铜接地网的成本比较高。在接地网设计寿命不断增加时，变电所铜接地网年费用就会降低，和钢接地网对比优势更加明显，钢接地方案和铜接地的方案造价见表1、表2。

表1 钢接地网安装工程方案

表2 铜接地网安装工程方案

一般情况下，铜接地网的设计寿命为50年，钢接地网的设计寿命为20年，因江垭电站地处严重腐蚀地区，设计寿命定为15年。以50年为一个周期做经济对比分析，220kV 变电所铜接地与钢接地经济评价见表3。

表3 220kV 变电所铜接地与钢接地经济评价

由表3可知，虽然铜接地网的初总造价较钢接地网高，但是在设计寿命周期方面，铜接地网相对钢接地网的经济性优势非常明显[4]。

6 导体截面的计算

6.1 镀锌钢材料截面面积

接地引下线的最大接地短路电流为55.6kA，接地引下线与主接地网热稳定截面超过502.35mm2与376.76mm2。对腐蚀的影响进行考虑，利用年腐蚀系数进行验证。针对扁钢和圆钢等问题，具有相同的界面，土壤介质接触面不同，扁钢为50%左右。虽然腐蚀机理不完全相同，但是具有相同的腐蚀结果。另外，相关接地材料选择圆钢或者扁钢并没有太大的差别。因此，在设计防腐过程中，在使用热镀锌材料时要考虑设计年限。

6.2 镀铜钢材截面面积

如果使用镀钢圆钢，接地引下线与接地网热稳定性截面超过260mm2和195mm2。考虑腐蚀影响，可以使用19.6mm 的镀铜圆钢。由于镀铜圆钢具有比较小的C 值，性价比和镀铜绞线相比较差，所以利用镀铜钢绞线。

铜在大气中会产生氧化铜膜，此膜致密性和抗腐蚀性良好。铜的电子活动慢，具有较强的稳定性[5]。因此，对铜网寿命是否超过100年进行计算，能够忽略。通过分析抗腐蚀和寿命，接地体材料较良好的是铜。

7 结语

通过本文研究，镀铜钢材的电阻率、耐腐蚀性和热稳定性能等方面优于钢材。