镀铜接地网与钢及铜接地网的综合经济比较分析

镀铜接地网与钢接地网、纯铜接地网的技术经济比较2011 年 04 月目录1.概述 .32.技术比较 .33.经济比较 .83.1 钢接地体截面选择 .83.2 材料统计 .103.3 安装工程预算表 .11表 4 .12表 5 .13表 6 .153.4 指标及评价 .173.5 结论 .181.概述溪洛渡右岸送电广东 500KV 同塔双回直流输电工程是设计院重点项目之一，其安全性和可靠性始终放在设计的第一位，其中，接地网由于其隐蔽性和特殊性，材料的选择一直是设计人员考虑的重点。镀铜钢接地材料是一种新型工艺，在全球已经得到了广泛的应用，镀铜钢接地材料在抗腐蚀性和施工工艺等方面的优势，完全能够替代纯铜接地网和钢地网，使用寿命能达到 50 年以上，且后期无需维护和改造。镀铜材料采用连续电镀铜枝术，垂直接地极采用在直径 17.2 合金钢表面电镀 0.254 厚铜层有效保证 50 年寿命，水平网采用镀铜圆钢成圈供应有效减少焊点次数并提高可靠性，焊接采用世界先进的电子放热焊接，瞬间放热温度为 2700 多度不需要提供外接电源有效保证焊点的全熔合。地材料的革新，是电站接地网的寿命和可靠性的有力保证，是接地安全系统的一次飞跃。在整体经济比较方面，全站地网增加投资不是很大，从长远考虑，平均费用远远低于传统接地材料，值得长期全面的推广。随着电力系统的发展，对变电所接地设计的要求也越来越高。长期、可靠、稳定、经济的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障，符合国家所提出的可持续发展、变电站全寿命管理的宗旨。接地系统长期安全可靠运行的关键在于品质好的接地材料和可靠的连接。本报告首先从从技术角度比较分析了镀铜接地网、铜接地网和钢接地网的特点；其次，对镀铜接地网、铜接地网与钢接地网的经济性进行比较分析。2.技术比较耐腐蚀性：接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，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 1/101/50，而且电气性能和物理性能稳定。铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），对内部的铜有很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。钢材在地下发生的是点腐蚀，其腐蚀状况如下所示：图 1 某滨海城市接地镀锌扁钢在 3 年之内发生的点蚀情况（钢材表面布满腐蚀坑，边缘腐蚀成刀口状）图 2 某内陆城市电缆沟接地扁钢发生的大气环境中的点蚀图 3 某内陆城市变电站接地网（不连接设备埋设 180 天的点腐蚀情况，镀锌钢表面布满大量直径超过 3mm，深度超过 1mm 的点腐蚀坑）图 4 某滨海城市变电站接地网（不连接设备埋设 380 天的点蚀情况，镀锌钢表面布满直径超过 3mm，深度超过 2mm的大腐蚀坑）所以在增加钢接地体截面来防止因腐蚀而导致的截面减少，无法承载接地短路电流时，应采用钢材的点腐蚀速率，通过美国联邦标准局（NBS）在 1910 年至 1950 年做的金属材料腐蚀性研究报告 NO.579 可知，国际标准认定的钢材平均点腐蚀速率 0.43mm/年（如图所示），在钢材表面镀锌保护钢材的作用有限，国内热镀锌工艺处理的镀锌层厚度为0.050.06mm，锌在地下也发生点蚀，其平均点蚀速率约为 0.065mm/年，因此锌层一年后腐蚀殆尽。另外从该报告中可知，铜材没有点蚀的存在。 镀铜钢接地棒1）钢芯镀铜接地棒钢棒材料按 GB/T 905-1994冷拉圆钢六角钢尺寸、外形、重量及允许偏差，采用抗拉强度不低于 600N/mm2 的钢材制造。2）铜层厚度依据国外 UL467 标准要求：镀铜钢接地棒棒身任意一点的铜层厚度不能少于 0.25mm。铜层厚度可用符合 ASTM e376 标准的校准涡流（电磁）设备来测量。3）依据 UL467 附着力测试要求：将镀铜钢接地棒的一端斜切 45 度，夹在两块钢夹板之间或虎钳子之间，其间隙设置少于接地棒直径 1mm，以保证切削下足够的铜层，将棒和铜层联结的部分暴露出来。通过钢板或钳子剥下铜层是允许的，但是不允许有明显的外套和钢芯分离迹象是。4）依据 UL467 延展性测试要求：在室温（255C ）下，接地极的一段应该被加紧在夹具或钳口上，用一个垂直于镀铜钢接地棒的力在距离夹具 40 倍镀铜钢棒直径处，弯曲接地棒，使接地棒永久性弯曲成 180 度。镀铜层无剥落或翘皮开裂，表面无任何裂痕。 镀铜圆钢1)钢芯由冷轧低碳钢组成，采用电镀工艺，以保证铜和钢之间是分子联结而不是物理连接；镀铜层厚应0.25mm 以上，镀铜层要求：采用电镀的方法在钢芯外表先镀上金属镍，再在镍的表面镀上铜以保证铜和钢之间的粘合性，确保安装使用过程中，铜层不起翘不开裂不剥落；2)镀铜圆钢符合 IEC62305 和 EN62561-2 等相关雷电保护标准。3)抗拉强度超过 550N/mm4)镀铜圆钢通过 UL 标准要求，具有 UL 证书，该证书可通过 网站进行验证。5)延展性测试：在室温（25o5oC）下，接地棒的一端应该被加紧在夹具或钳口上，用一个垂直于镀铜圆钢的力在距离夹具 40 倍于镀铜圆钢弯曲处，使其永久性弯曲成 180 度，镀铜层应无剥落或翘皮开裂，表面无任何裂痕。6)铜附着力测试：将镀铜钢接地棒的一端斜切 45 度，夹在两块钢夹板之间或虎钳子之间，钢夹板之间或虎钳子之间的间隙设置少于镀铜圆钢直径 1mm，以保证切削下足够的铜层，将钢芯和铜层联结的部分暴露出来。在钢芯和铜层之间不允许有明显的分离迹象。 接地体连接方式只有可靠的、牢固的链接才能保证接地网的运行可靠性。目前，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。铜接地体的连接方式一般为放热焊接连接法，利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程时间很短，反映所产生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。目前铜接地体主要有以下两种种连接方式：（1）铜银焊连接法扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之问、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接都可以使用铜银焊连接法，常用的铜银焊接有乙炔焊、电弧焊等，但焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，特别是铜焊，即使是持有特殊工种上岗证，也比较容易出现一些焊接缺陷，无法从表面观察合格与否。使用铜焊时，尤其是大截面导体的铜焊，对于现场的操作和施工环境有比较高的要求，但是电力工程接地系统都是在野外，施工环境恶劣，无法满足铜焊所需的焊接环境。基于以上原因，铜银焊连接法在电力工程接地系统实际施工中很少应用。（2）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，整个过程需时很短（仅数秒），反应所产生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：3Cu2O+2AlAl 2O3+6Cu+热量放热焊接接头的特性：1. 外形美观一致；2. 连接点为分子结合，没有接触面，更没有机械压力，因此，不会松弛和腐蚀；3. 具有较大的散热面积，通电流能力与原导体相同；4. 接头电阻低，能承受故障大电流冲击，不至熔断。放热焊接可以完成各种导线间不同方式的连接，如直通型、丁字型、十字型等；还可以完成不同材质导线的连接。这种焊接方式操作简单、焊接速度快，而且接头的耐腐蚀性好、电阻低、连接可靠，在国际上获得了大规模的应用。放热焊接的优点：1. 焊接方法简单，容易掌握；2. 无需外接电源或热源；3. 供焊接用的材料、工具很轻、搬动方便；4. 焊接速度快捷，节省人工；5. 从焊接头的外观上便能鉴定焊接的质量；6. 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。在国外，放热焊接已通过 UL 标准严格论证，并被 IEEE Std80 大纲等规程中指定为接地导体的连接方式。综上所述，放热焊接是铜接地体的理想连接方式，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。3.经济比较3.1 钢接地体截面选择根据 IEEEstd80-2000 标准关于镀铜圆钢的计算推导、根据电网公司交流电气接地装置应用导则，以及电科院相关热稳定性试验数据，钢接地体的热稳定系数为 70，镀铜圆钢的热稳定系数为 135，纯铜的热稳定系数为 210。根据电流和短路时间的长短，就可以计算出在同等的条件下，不同材料所需的截面积。接地体截面选择忽略腐蚀的影响对铜接地体进行热稳定校验时，接地引下线的最小截面应满足下式： egtCIS式中： 接地引下线的最小截面，mm 2；g流过接地引下线的短路电流稳定值，A（根据系统 510 年发展规划，按系I统最大运行方式确定）；短路电流的等效持续时间，s；et接地引下线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短C路前接地引下线的初始温度确定。单相接地短路电流按 51kA 设计。短路等效持续时间 ofmett式中： 短路电流的等效持续时间，s；e主保护动作时间，s；mt断路器失灵保护动作时间，s；f开关固有动作时间，s；ot根据系统保护整定时间，短路等效持续时间取 0.4 秒， 纯铜接地材料所需截面计算如下（单位：mm 2）：6.1534.025gS纯铜水平网所需截面为引下线的 75%，即 Sg0.75=115.2所以当采用纯铜地网时，应当采用 505 的纯铜排作为接地引下线，水平接地体截面取150mm的镀锡铜绞线。镀铜钢接地材料所需截面计算如下（单位：mm 2）：9.2384.015gS镀铜水平网所需截面为引下线的 75%，即 Sg0.75=179.2所以当采用纯铜地网时，应当采用直径 18mm（截面积 254.34mm）的镀铜圆钢作为接地引下线，水平接地体取直径 15.8mm（截面积 195.97mm）的镀铜圆钢。钢引下线所需截面计算如下（单位：mm 2）：8.460.7051gS镀铜水平网所需截面为引下线的 75%，即 Sg0.75=345.6当采用钢地网方案时，除了考虑热稳定校验的因素外，还应当考虑钢材的年平均点腐蚀厚度 0.43mm/年。按照 15 年寿命考虑，钢材腐蚀厚度为：0.43*150 年=6.45mm。所以应当采用 10012 的扁钢作为接地引下线（要考虑引下线入地段的腐蚀情况而非单纯的大气环境腐蚀），水平接地体应当采用 10012 的扁钢。综上所述，镀铜与铜接地体的截面明显小于钢接地体。3.2 材料统计铜接地方案的材料统计结果见表 1，铜镀钢接地方案的材料统计见表 2，镀锌扁钢接地方案的材料统计结果见表 3，表 1 采用铜接地设计的材料表序号 名称 型号及规范 单位 数量 备注1 紫铜棒 20