镀铜钢接地应用省地省时(最终版).doc

配电网镀铜钢接地应用省地省时童雄敏 陈航 施建锁，永康市供电局摘要：在10千伏配电网运行中，接地装置的施工和维护常常遇到占地政策处理难、支出费用高的难题，直接影响施工效率和电网安全运行。2008年初，永康市供电局配网运行工区成立了接地技术改进QC小组，采用镀铜钢接地技术，取代角钢接地，把原来横向埋设的方式改为纵向深埋。改进后，安装接地装置不需再开挖长30米、宽0.6米的地块，只需在电杆基础边挖半径为0.05米的小圆即可垂直下插，既减少占地，又提高了接地安装效率。 关键词：镀铜钢 接地 减少占地 安装效率接地系统好坏直接影响到配网线路运行的稳定性和可靠性，然而在接地系统的施工和运行维护中常常遇到一些问题，严重影响施工效率和安全运行。1、传统接地装置存在的三类问题1.1开挖接地基础工程量大。 传统接地装置采用角钢作为接地体，2米长的角钢电阻为50欧姆左右，根据国家标准需将6根角钢垂直埋入地下,再用30米圆钢连接才能满足接地电阻和雷击电流释放要求。所以，安装接地装置时需开挖一条宽约0.6m、深0.8m、长30m的深坑。传统接地施工方法如下图所示： 传统接地施工方法示意图2米引下线电线杆5米5米0.6米开挖的部分角钢大 地圆钢开挖深坑耗时需5.5小时，安装角钢时只能靠人力敲击，耗时约0.5小时，善后处理繁琐，其中焊接及接头防腐处理约0.5小时，回填土石约0.5小时，完成一组接地平均需要7个小时。1.2土地征用政策处理难。安装一组接地需向政府部门申请，并交付一笔不少费用。剖开水泥路面，施工困难并影响交通。土地征用政策处理难，经常遇到群众阻拦，影响工程进度。永康电网近年来的接地政策处理困难之处呈逐年上升态式，2005年10处、2006年14处、2007年18处。2007年，永康市供电局在接地安装工程上支付的政策处理费用共计14.58万。由于土地日趋升值，导致土地征用政策处理越来越难,政策处理难点个数逐年增加,每年需支付政策处理费用逐年较大幅度上升。1.3接地体在土壤中易腐蚀。经多方取土检测，永康土壤电阻率25.m-50 .m，PH值5.06.3，酸性大，很容易腐蚀钢材。钢材腐蚀生成物三氧化二铁，易碎易剥落，不能隔绝腐蚀无法保护内部钢材不被腐蚀（铁锈是一种不导电的物质，它的存在会使接地电阻逐年升高）。同时，铁(Fe+2)相对于氢的腐蚀电位为-0.4V，相对于其他地下常见金属（如铜）而言，在发生双金属氧化还原反应时，作为负极（阳极）牺牲，会加快自身的腐蚀速度。2008年，永康市供电局对100组使用5年的接地体进行检测，检测发现腐蚀有35组，占总数的35%。这些接地体腐蚀严重，接地电阻达不到要求，需要更换接地体，加大运行人员的维护工作量。2、选用新型接地材料和性能对比为了减少接地施工、维护的工作量，提高工作效率和施工质量,减少接地施工相关费用支出，2008年1月，永康市供电局本着务实、创新的原则成立了接地技改QC小组进行攻关。QC小组攻关人员研究探寻到一种新型接地材料，要求其耐腐蚀性好，不用圆钢网连接，不用开挖地沟，只需垂直打入地下一定深度，接地电阻就能满足要求，又能克服传统接地的上面三类问题。经过多方查找和论证，QC小组初步选定镀铜钢和镀锌圆钢两种材料。2.1 两种新型材料的参数对比2.1.1导电性能在20C的温度下，铜的电阻率是17.2410-6（mm），钢的电阻率为13810-6（mm）。假设以铜的导电率为基准值1（即100%）， 则角钢和镀锌圆钢的导电率仅为8.6%，镀铜钢的导电率超过20%，而镀铜钢绞线的导电率为30%。 在雷电流等高频电流作用下，镀铜钢材质会产生集肤效应，导电性接近与纯铜，远远高于钢接地体。另外铜相对与真空的磁导率是1，钢为636倍，通过雷电流或故障电流时，铜导体的阻抗远小于钢接地体，因此由阻抗导致的地电位升高而产生的侧击概率会大大减少。2.1.2耐腐蚀性铜材耐腐蚀性能是钢材的十倍以上,是镀锌钢的三倍以上。镀铜钢的耐腐蚀性接近于纯铜，铜的表面会产生附着性较强的氧化物(铜绿Cu(OH)2),对内部的材料有很好的保护作用，阻断了进一步腐蚀的形成. 镀铜钢在欧美国家接地系统中普遍应用，对于这种接地材料的品质认证标准有UL467，该标准第11页第9章明确的规定了镀铜材料的厚度必须大于0.25mm，只有大于0.25mm的镀铜材料做地网才能保证地网40年免维护，在欧美国家的电网系统中只有通过了UL467标准认证的镀铜材料，才能入网运行。同时IEEE std80-2000交流变电站设计导则第40页第11章规定常用的接地材料，纯铜材料和镀铜材料为常用材料，可以埋入地下保证40年以上的使用寿命，热镀锌钢材只能用于设计寿命不超过15年的临时接地，且要定期检测接地电阻及锈蚀情况。2.1.3热稳定性国内导体的热稳定校验公式为：推导出相关的热稳定计算的公式为：在我国DL/T621-1997的标准中，铜的热稳定系数为210。可换算得出：30导电率镀铜钢绞线为176，镀铜圆钢为146，热度锌钢为70。在美国IEEEstd80中规定，热稳定系数即：30%导电率镀铜钢绞线的C值计算，将相关参数代入公式：镀锌钢的C值计算，将相关参数同样代入上面的公式后，得出其值约为70。通过镀锌钢的参数可以知道IEEE中的相关规定与国标中的相关规定是一致的。综上所述，30导电率镀铜钢绞线热稳定系数为176，20导电率镀铜圆钢热稳定系数为146，热镀锌钢为热稳定系数70。同等热稳定性，钢材需要截面与热镀锌钢相同，是纯铜的3倍、是30导电率镀铜钢绞线的2.5倍、是20导电率镀铜圆钢的2.3倍。 2.1.4 接地效果对架空线路杆塔的接地电阻和型式在电力行业标准DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合、DL/T621-1997交流电气装置的接地中，都提出了具体的要求，是设计、安装和改造架空线路杆塔接地的依据。总结不同土壤电阻率的设计方案，在参照国家标准DLT 5092-1997110500kV架空送电线路设计技术规程第9.0.11的要求,在雷季干燥时,每基杆塔不连地线的工频接地电阻,不宜大于表9.0.11所列数值（见下表,引自“表9.0.11 有地线的线路杆塔的工频接地电阻”）。土壤电阻率(m)1001005005001000100020002000工频接地电阻()1015202530注：1)如土壤电阻率超过2000m，接地电阻很难降到30时，可采用68根总长不超过500m的放射形接地体或连续伸长接地体，其接地电阻不受限制对接地系统基本要求是满足接地电阻的指标。接地电阻具体来说，实质上包含三个部分：a.接地导体本身电阻；b.导体和土壤的接触电阻；c.土壤的散流电阻。其中c.土壤的散流电阻最为重要，它是接地电阻的重要组成部分，这由土壤的电阻率决定。所以通常采用增大垂直接地极深度来减少土壤的散流电阻，从而降低接地电阻而不是增大垂直接地极直径来降低接地电阻。从物理过程上看，雷电流的幅值很大（从数十千安到数百千安），同时，雷电流的等值频率很高。所以，对于同一接地装置，由于雷电流的幅值大，会使地中的电流密度增大，从而提高了地中的电场强度（Ex=x =（Im/（2r2x）,在接地体表面附近尤其厉害。当地中电场强度超过土壤的击穿耐电强度时，会发生局部火花放电，使土壤的电导增大，而电阻率下降。试验证明，在土壤电阻率为500m，预放电时间为3-5s, 土壤的击穿场强为6-12kV/cm。因此，同样的接地装置在幅值很高的雷电冲击电流作用下，其接地电阻要小于工频电流下的数值。这一现象称为火花效应。另一方面，雷电流的等值频率很高，使接地体自身呈现出的电感特性，会阻碍雷电流向接地体（主要是指较长的水平接地体）远端流通，在接地体较长时，这种影响更是明显，从而使接地体得不到充分的利用，这样就使冲击电阻大于工频接地电阻。此现象称为电感效应。一般情况下，由于火花效应远大于电感效应，故1000 m时 a 0.333综上所述，镀铜接地网相对钢接地网来说，能够更好的泄放雷电流，保障线路安全。2.1.5 综合比较综上所述，角钢、镀铜钢棒以及镀锌圆钢接地系统的各项性能比较汇总如下：比较项目传统角钢接地系统镀铜钢棒垂直接地系统镀锌圆钢垂直接地系统工程费用材料费低施工费高(占地面积大)适中低接地材料钢材(镀锌圆钢和普通圆钢)镀铜钢镀锌圆钢导电性能导电性良好导电性好,是钢材的八倍导电性良好热稳定性热稳定系数70热稳定系数146热稳定系数70防腐性能钢材差镀锌钢一般镀铜钢的耐腐性是钢材十倍比扁钢好，约为扁钢的三倍接地效果不稳定,接地电阻会持续上升很稳定,接地电阻会保持在 一个较稳定的水准稳定性好于扁钢，但时效性低于镀铜钢使用年限5年40年10年评估结论通过综合比较,镀铜钢棒接地系统具有寿命长、性能稳、免维护等优异性能是传统接地方式无法比拟的。3、镀铜钢棒接地装置应用3.1装置制作根据实际情况，我们请厂家设计了镀铜钢接地装置，该装置由直径14.2mm，单根长度1.2m的镀铜钢接地棒、连接器组成，并可根据现场土壤条件灵活调整打入地下的总根数，一般情况下在永康土壤环境下只要将3-4根接地极连接起来打入地下，依靠单点接地就能满足接地电阻要求，如下图：图 15大 地电线杆，或箱变，柱上变压器等引下线接地极引下线电线杆镀铜钢接地装置实物图 镀铜钢绞线：铜层均匀，厚度大于0.25mm，导电率相当于纯铜的30。镀铜钢接地棒：17.2mm21.2m，铜层厚度0.254mm，导电性相当于纯铜的20。3.2实际应用3.2.1 接地电阻测试经检测永康地区的土壤电阻率约为40.m，根据国家有关标准，要求10kV配电线路电器设备的接地电阻小于10。为使镀铜钢接地装置达到该标准，永康市供电局进行了镀铜钢接地棒埋设数量与接地电阻的测试。用于测试的镀铜钢每根长1.2米，截面直径1.42厘米，经测试得出下表：安装根数接地电阻()118.3210.836.843.953.563从测试得知，要使接地电阻10,只要安装3-4根镀铜钢即可。3.2.2连接方法为了便于连接镀铜钢绞线与镀铜钢接地棒，永康供电局引进在铁路系统中普遍采用的化学CADWELD放热焊接技术。 放热原理:3Cu2O + 2Al 6Cu + Al2O3 + Heat (2537oC)采用放热焊接将镀铜钢绞线和镀铜钢接地棒连接，连接后两个导体视为同一个导体。CADWELD放热焊接是真正的分子结合，内部无空隙，接头电阻与导体一致，焊接过程简单快速，不需要外部电力,设备或特殊培训。3.2.3 现场安装图比较传统接地现场安装 镀铜钢接地现场安装 采用镀铜钢接地装置，安装时不需再开挖长30米、宽0.6米的地块，只需在电杆基础边挖半径为0.05米的小圆即可垂直打入，省地、省时、省费用。3.3 应用效果3.3.1接地电阻达到要求永康市供电局目前已经安装了26组镀铜钢接地装置，经测试，接地电阻均小于国家要求的10以下，下表为其中4处接地装置的详细安装情况：工程名称镀铜钢接地棒根数（根）实测接地电阻（）安装耗时（小时）后景颜238线22#杆安装避雷器 47.30.75杜山头941线学炉联络线10#杆安装真空开关35.80.3芝英914线南路支线19#杆安装真空开关47.80.6古山245线39#杆安装分段真空开关33.40.45唐东239线13#杆安装分段真空开关34.90.4 3.3.2经济效益(1)、传统接地需要6根1.5米长的758角钢依次连接起来打入地下，再用5根圆钢连接。角钢费用为 每根84元，每根角钢加工费21.5元，圆钢每根72.4元，总费用为:6（8421.5 ）+72.45995元，连接及人工费用为400元，共需9954001395元（不含政策处理费）（2）、采用镀铜钢接地需3根接地棒和3个连接器，费用为：2003603780元，连接及人工费用为150元，共需780150930元 仅算一次投资，则镀铜钢接地棒成本仅为传统接地的930/1395= 67%，重要的是可以节省政策处理费用。3.3.3社会效益通过镀铜钢接地应用，避免了城区道路开挖，每处节约土地使用面积近18平方米，减少供电企业与群众之间土地政策处理协调的矛盾，既节约费用又提高安装效率。参考文献：序号文献资料名称刊物名称1变电站接地装置防腐措施研究华北电力技术2上海地区变电站接地网改造华东