输变电工程防腐材料研究-接地网用铜钢复合材料及放热焊接 PPT课件

1 接地网用铜钢复合材料及放热焊接技术研究 输变电工程防腐材料研究 子项目1 2 3 1 概述 课题背景 坚强的智能电网 以新兴的材料技术来建立高效的智能输电网及保障输变电工程的安全可靠 接地技术系统化 标准化 先进化的程度 可以反映电力行业基础设施的配备程度 更是全面建设坚强智能电网的可靠保证 接地系统是电气系统不可或缺的基础 变电站的电气设备众多 昂贵 若没有完善的防雷与接地的保护 就有可能在雷击 意外的电气系统故障发生时损毁 其中 接地网材料腐蚀是导致变电站事故发生的重要因素 急需开发和应用新型接地防腐新材料 4 我国每年因接地网腐蚀严重改造的变电站众多 经济损失巨大 热镀锌钢镀层太薄 耐腐蚀性能差 导致热镀锌钢接地网寿命低下 部分腐蚀严重的区域在运行3 5年就需要开挖检修 十年后都会产生严重的腐蚀而不得不更换 见表1 1 从可靠性和经济效益来看 铜是首选的接地网防腐材料 铜质接地网已在发达国家的输变电工程中得到广泛应用 在我国新建500kV及以上变电站中也部分采用了铜接地网 铜的缺点 价格昂贵 属战略性资源 刚性不足等 急需开发接地网防腐新材料和新技术 提高接地网的设计寿命和可靠性 以保证电网安全运行 1 概述 课题背景 5 表1 1我国部分变电站开挖检修情况总结 表1 1我国部分变电站开挖检修情况总结 1 概述 课题背景 6 1 概述 课题背景 铜覆钢 CopperCladSteel 接地材料 导电性好 抗腐蚀性强 机械强度高 比镀锌钢的电阻率及压降低 节约能源 铜覆钢接地棒 已被国外发达国家应用于建筑 铁路 电力及石油化工等各行业领域 7 国内铜覆钢的生产历史较短 各厂家的生产工艺 产品质量 结构形式 产品规格等有所不同 缺乏相应的标准 产品质量和性能有待考核和规范 铜钢复合材料焊接工艺采用放热熔焊 但国产熔粉均为小企业生产 在接头质量等方面与进口产品存在一定差距 缺乏独立成熟的放热熔焊技术工艺体系 本项目对铜覆钢在接地网中的应用进行相应的研究工作 考核材料性能 规范产品质量和结构形式 构建成熟的放热熔焊技术体系 满足输变电接地网应用要求 并降低施工难度 以便推广应用 1 概述 课题背景 8 9 2 国内外铜覆钢接地材料调研 铜覆钢主要生产工艺 电镀 连铸 套管冷拉 简称冷拉 三种生产工艺各有优缺点 国内方面 国内企业生产历史较短 且各厂家生产工艺 产品质量 结构形式 产品规格都有所不同 生产及产品质量急需规范 国内没有相关的试验标准 导致产品质量无法保证 国外方面 美国从二十世纪七十年代开始进行铜覆钢 Copper CladSteel 接地棒的开发 标准化与应用工作 标准体系健全并进行了大量的应用 10 铜覆钢连接方式 铜银钎焊连接 压接线夹连接 螺栓连接 放热焊接 分子结合 熔点高 电阻低 最为适宜国产放热焊粉均为民营小企业生产 在使用性能等方面与进口产品存在一定差距 进口产品则价格较高 自主研发适用于低成本的放热焊粉 并对焊接工艺进行规范 才能构成我国独立的放热焊接技术工艺体系 2 国内外铜覆钢接地材料调研 11 2 铜覆钢接地材料调研 小结 1 铜覆钢在国外已得到广泛应用 配套标准比较完备 作为一种新型材料 铜覆钢在国内应用时间较短 没有相关标准依据 在电力行业水平接地网中还没有得到应用 2 由于我国没有铜覆钢这一新型复合材料的国家或行业标准 鉴于其良好的应用前景 建议有关部门制定产品标准 目前已国家电网公司已颁布企业标准 3 铜覆钢的产能已具备一定的规模 可以满足工程实际需要以及招标采购要求 12 试验材料 电镀铜覆钢 水平连铸铜覆钢 冷拉铜覆钢 基本性能 电气性能 腐蚀性能 力学性能电气性能试验内容及依据 测量电阻率 按IEEE80相关公式计算铜覆钢的热稳定系数C 电阻率 GB T3048 2 2007 电线电缆电性能试验方法第2部分 金属材料电阻率试验 热稳定系数 IEEEstd80 2000 交流变电站接地安全指南 计算获得 3 铜覆钢性能研究 13 3 铜覆钢性能研究 电气性能 表3 1不同工艺铜覆钢电阻率测试结果 14 3 铜覆钢性能研究 电性能 表3 2不同工艺铜覆钢计算的热稳定系数 注 1 铜热稳定系数取自GB50065 交流电气装置的接地设计规范 报批稿 2 热镀锌钢热稳定系数取自DL T621 1997 15 3 铜覆钢性能研究 力学性能 试验内容及依据拉伸试验 弯折试验拉伸试验 GB228 2002 金属材料室温拉伸方法 弯折试验 ANSIUL467 2007 接地和连接设备 16 3 铜覆钢性能研究 力学性能 弯折试验 冷拉铜覆钢 铜层厚0 5mm 裂纹 冷拉铜覆钢 铜层厚1 0mm 17 水平连铸铜覆钢 国产电镀铜覆钢 进口电镀铜覆钢 18 3 铜覆钢性能研究 腐蚀性能 电化学加速腐蚀试验取四种的典型土壤 鹰潭土壤 酸性红壤 赣东北 浙北及东南丘陵等南方代表性土壤 大庆土壤 碱性苏打盐土 西北 华北 东北盐碱地代表性土壤 塘沽土壤 滨海盐渍土壤 腐蚀性极强的代表性土壤 北京土壤 碱性黄土 华北地区代表性土壤 腐蚀介质 去离子水与土壤1 1混合 沉淀后下层的泥浆 参比电极 饱和甘汞电极 辅助电极 Pt电极利用外推法确定腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流icorr 利用icorr估算腐蚀速度考虑钝化 电解 去离子水对腐蚀速度的影响 估算的腐蚀速度大于实际腐蚀速度 19 3 铜覆钢性能研究 腐蚀性能 表3 4土壤性质检测结果 表3 5土壤腐蚀性评价 DIN50929 1985 20 3 铜覆钢性能研究 腐蚀性能 表3 6各材料在各种典型土壤中腐蚀数据 21 3 铜覆钢性能研究 腐蚀性能 表3 6铜覆钢腐蚀性评价及使用建议 注 根据实验分析和腐蚀数据调研 估算的平均腐蚀速度偏高 使用建议是非常保守的 22 3 铜覆钢性能研究 腐蚀性能 中性盐雾腐蚀试验 IEEEstd837TM 2002 GB T10125 1998 23 3 铜覆钢性能研究 腐蚀性能 腐蚀轻微 电阻率变化极低 耐蚀性优异 24 3 铜覆钢性能研究 小结 1 三种工艺的铜覆钢 其导电率分别可达27 冷拉 0 5mm 25 连铸 1mm 19 电镀 0 25mm cm 2 冷拉 连铸 电镀产品的热稳定系数分别可达146 137 119 可保证接地网的安全稳定 3 铜覆钢拉断力满足IEEE837标准要求 大部分产品弯折后铜层未开裂 4 热镀锌钢在各种土壤中的耐蚀性均很差 镀锌层在腐蚀性较低的土壤中也仅能使用3年 由此可见 使用热镀锌钢 接地网在运行一段时间后 其安全性无法得到保证 25 3 铜覆钢性能研究 小结 5 铜覆钢耐蚀性优异 在绝大多数土壤中的耐蚀性是满足要求的 特殊地区 如腐蚀性极强的海岸 可增加铜层厚度以满足设计要求 对于铜覆钢的铜层厚度以及使用年限建议如下 必要时宜按当地土壤的腐蚀数据进行设计 冷拉铜覆钢 弱腐蚀中性 碱性土壤0 5mm 强腐蚀中性 碱性土壤1mm 较低腐蚀性酸性土壤0 7mm 使用寿命满足50年 腐蚀极强区域 如滨海地区 铜层厚度1 2 1 5mm 使用寿命满足30年 水平连铸铜覆钢 中性 碱性土壤1mm 使用寿命50年 较低酸性土壤1 2mm 满足使用寿命50年 腐蚀极强区域 如滨海地区 铜层厚度1 2 1 5mm 使用寿命30年 电镀铜覆钢 铜层厚度为0 254mm 一般及较低腐蚀性区域使用满足50年 国产电镀铜覆钢应大力加强质量监控 26 4 放热焊剂的研制 放热焊优点接头导电性好 分子结合 熔点高 施工方便 野外环境施焊快捷方便 铜覆钢材料最适宜的连接技术之一 目前国内放热焊局限进口焊剂价格较高 国内小厂家质量较差 焊接接头熔点过低 施焊安全性低 各批次焊剂质量稳定性差 接头内部有气孔及夹渣现象 国产焊剂与进口产品差距较大 因此希望研制出性价比较高的放热焊剂产品 27 4 放热焊剂的研制 焊剂研制 放热焊接接头性能指标确定良好的导电性能良好的机械性能良好的耐蚀性能低气孔率高熔点成分影响因素分析 氧化铜 铝 造渣剂等焊接工艺影响分析 预热 模具清洁 开模时间等 表4 1焊剂成分 28 4 放热焊剂的研制 焊接工艺评定 29 4 放热焊剂的研制 接头缺陷 30 4 放热焊剂的研制 安全性分析 31 4 放热焊剂的研制 熔点分析 32 4 放热焊剂的研制 气孔率分析 国外品牌接头剖面 自研接头剖面 国内品牌剖面 33 4 放热焊剂的研制 小结 1 放热焊接头的服役条件较为苛刻 受到环境腐蚀及电流冲击的共同作用 且作为安全保障装置对于财产保护至关重要 故采用放热焊需严格依照操作规范 以保证放热焊接头内部组织均匀 成分符合要求 外观饱满 光洁 无缺肉夹渣 剖面无气孔 2 此外 根据相应的技术要求及特点 本单位投入较大力度开发具有自主知识产权产品 自研焊剂的综合水平已经达到国外同类产品水平 部分性能超过国外产品 具体高安全性 高熔点 低气孔率的特点 34 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 电气稳定性研究参考IEEEstd837 2002 变电站接地件永久性连接的质量鉴定中的循环试验 进行电流温度冲击 冰冻融化 短路电流冲击三个循环试验 35 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 电流温度试验后铜覆钢形貌 36 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 电流温度冲击试验前后电阻变化 37 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 冰冻融化试验将电流温度冲击试验后的试样 进行冰冻 融化试验 试样放入盛水的容器 水面高出试样25 4mm 放入温度冲击试验箱中冷却至 10 保温1小时后升温至20 保温1小时 为一循环 共进行10个循环试验 38 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 电流温度冲击试验前后电阻变化 39 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 国产电镀 40 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 故障电流冲击试验冰冻融化后的试样连接后进行故障电流冲击试验初始短路电流有效值为7 5kA 每次冲击4秒 共进行3次 41 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 水平连铸铜覆钢 冷拉铜覆钢 国产电镀铜覆钢 进口电镀铜覆钢 42 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 43 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 44 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 短路电流冲击后电阻变化 45 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 整个循环试验后 电流温度 冰冻融化 短路电流 后电阻变化 46 中性盐雾试验形貌见第3章 5 铜覆钢及放热焊接头性能研究 500h腐蚀试验后铜覆钢 含接头 电阻率变化 47 5 接头性能研究 小结 1 经电流温度循环试验后 冷拉及连铸产品表面仅有少量氧化铜 国产电镀铜覆钢 表面氧化铜层剥落较多 进口电镀铜覆钢氧化铜剥落现象较轻 各接头完好 各产品电阻变化率都极低 除一个国产电镀产品外 其他产品试验后与试验前的电阻比值均低于1 1 2 冰冻融化试验后 国产电镀铜覆钢出现表层铜起鼓现象 不利于电镀铜覆钢的耐腐蚀性能 其他产品形貌变化不大 各接头完好 各材料试验后电阻率极低 所有材料试验后与试验前的电阻比值均远低于1 1 3 短路电流冲击过程中 国产电镀材料温升明显 起鼓现象增加 冷拉铜覆钢部分区域铜层翘起 水平连铸铜覆钢完好 各接头完好 各材料试验后电阻率极低 所有材料试验后与试验前的电阻比值均远低于1 1 48 5 接头性能研究 小结 4 经热稳定性循环试验程序后 评价如下 a 各工艺铜覆钢及接头电阻变化最高也仅增加13 8 符合IEEE837中电阻增加值低于50 的标准要求 b 水平连铸铜覆钢试验后完好 产品质量优异 c 冷拉铜覆钢大电流冲击后部分区域铜层翘起 出于安全考虑 建议改进生产工艺 进一步提高铜层结合性 d 国产电镀铜覆钢铜层较薄 试验中鼓泡现象严重 氧化层脱落较多 对材料耐蚀性非常不利 不建议使用 e 进口电镀铜覆钢少量区域出现较小鼓泡 氧化层脱落较少 相比国产材料性能有一定优势 但出于安全考虑 建议进一步改善铜层质量 f 各接头经三个循环试验后都保持完好 接头热稳定性高 项目自研接头质量 性能均与进口接头相当 5 带接头的冷拉和连铸铜覆钢经500h盐雾试验 仅表层出现部分铜绿 接头腐蚀轻微 电阻率变化极低 具有非常好的耐蚀性 49 6 全寿命周期经济型和环境友好性研究 接地装置的全寿命周期按40年考虑 铜覆钢与热镀锌钢 铜的全寿命周期经济性对比分析 见下表 表6 1三种接地网的材料投资对比分析 注 1 按25 导电率计算 2 相同的土壤条件下的设计寿命对比 未考虑腐蚀极强的区域 如海岸 50 6 全寿命周期经济型和环境友好性研究 由表可见 在全寿命周期内 使用铜覆钢的材料费 与镀锌钢相比可节省45 左右 相同的设计寿命下与铜相比可节省15 与热镀锌比 使用铜覆钢接地网 不仅设计寿命提高 全寿命周期材料费降低 而且大幅减少了接地网开挖维修的次数和维修费用 隐形的全寿命周期经济性很大 与铜相比 使用铜覆钢不仅全寿命周期经济性好 而且节约了战略性铜材 可以看出铜覆钢是替代铜做接地装置的理想的资源节约型材料 51 6 全寿命周期经济型和环境友好性研究 表6 2变电站土壤中铜含量计算 GB T15618 1995 土壤环境质量标准 在土壤的三级标准中 为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值 铜含量不得超过400mg kg 52 6 全寿命周期经济型和环境友好性研究 1 使用铜覆钢的全寿命周期材料费 与镀锌钢相比可节省45 左右 相同设计寿命条件下与铜相比可节省15 2 与热镀锌比 使用铜覆钢接地网 不仅设计寿命提高 全寿命周期材料费降低 而且大幅降减少了接地网开挖维修的次数和维修费用 隐形的全寿命周期经济性更大 与铜相比 使用铜覆钢不仅全寿命周期经济性好 而且节约了战略性铜材 铜覆钢是变电站接地网理想的资源节约型材料 3 使用铜覆钢接地网 在变电站区域土壤中铜的平均含量满足国标要求 对于整个变电站区域土壤的危害性很低 对于附近农业用地的影响更可以忽略 53 7 变电站铜覆钢接地网设计及使用 设计截面确定使用铜覆钢做变电站接地网 截面设计依据DL T621 1997 交流电气装置的接地 附录C计算公式 其中C分别取167 40 导电率 144 30 导电率 136 30 导电率 119 20 导电率 接地线的最小截面积 mm2 热稳定系数 短路的等效持续时间 s 流过接地线的短路电流稳定值 A 54 7 变电站铜覆钢接地网设计及使用 铜覆钢使用原则 a 铜覆钢产品应经过一定的试验检测合格后方可进行使用 b 对于铜覆钢的铜层厚度以及使用年限建议如下 必要时宜按当地土壤的腐蚀数据进行设计 冷拉铜覆钢 弱腐蚀中性 碱性土壤0 5mm 使用寿命50年 强腐蚀中性 碱性土壤1mm 酸性土壤0 7mm 使用寿命50年 腐蚀极强区域 如滨海地区 铜层厚度1 2 1 5mm 使用寿命30 40年 水平连铸铜覆钢 中性 碱性土壤1mm 使用寿命50年 酸性土壤1 2mm 使用寿命50年 腐蚀极强区域 如滨海地区 铜层厚度1 2 1 5mm 使用寿命30 40年 电镀铜覆钢 铜层厚度为0 25mm 可在腐蚀性低的区域使用 在腐蚀严重区域必须按当地土壤腐蚀数据进行评估后确定是否满足设计要求 国产电镀铜覆钢应大力加强质量监控 55 8 结论与建议 铜覆钢的生产及采购 国内有多家公司具备生产铜覆钢的经验 其产品已在一些石化行业配电变电站进行了尝试性应用 经调研统计 铜覆钢的产能已具备一定的规模 由于我国目前没有制定对铜包覆钢这一新型的国家或行业标准 鉴于其良好的应用前景 根据本项目的研究成果编制了国网公司企业标准Q GDW466 2010 可根据此企业标准产品采购及质量规范 56 8 结论与建议 通过试验 结合IEEE80推荐公式 得到铜覆钢的热稳定系数 不同导电率的铜覆钢热稳定系数分别为167 40 导电率 144 30 导电率 136 25 导电率 119 20 导电率 较