浅谈铜质接地网-在变电所接地系统设计中的应用

1、 浅谈铜质接地网在变电所接地系统设计中的应用张德娟（盐城电力设计院有限公司）2010年10月 盐城浅谈铜质接地网在变电所接地系统设计中的应用张德娟（盐城电力设计院有限公司）摘 要 ：随着电力系统的发展，电网短路容量越来越大，对接地的要求也越来越高。长期、可靠、稳定的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障，而选择品质好的接地材料和可靠的连接是保障接地系统长期安全可靠的重要因素。主题词 ：变电所 铜质接地网 钢质接地网 长期以来，我国选用镀锌扁钢作为接地材料。这是因为解放初期，我国变电站的规模很小，由于经济和资源的原因，普遍采用钢质材料作为变电站的接地 (体)极的材料，这种做法

2、一直沿用到现在。上世纪八十年代末，全国各地相继出现了一些在系统发生接地故障时，因接地网原因，造成变电站高压串入控制室，烧毁控制室和保护盘柜的重大停电事故。根据国家电网公司统计资料，运行10年以上的变电所钢接地网均有不同程度的腐蚀，20年以上的更为严重。根据接地网事故的统计分析，地网腐蚀，接地体在故障时烧断是引发接地网事故的重要因素之一。为防止该类事故的发生，各地除加大接地体及接地引下线的截面外，还制定了相应的运行维护措施，如导通检查和开挖检查，有关院校开展了检测接地体腐蚀程度的分析研究。原国家电力公司“25项反措”对此给予了高度重视，并制订了一系列反措，同时也提出：接地装置腐蚀比较严重的枢纽变

3、电所宜采用铜质材料的接地网。 一、变电站接地系统采用铜接地的理由1、随着我国经济的快速发展，电力系统容量需求越来越大,短路电流也就越来越大;目前智能化的二次控制系统运用越来越广泛敏感性较高,相应对接地电阻接地系统散流接地系统热稳定等要求也越来越高.而铜质材料导电能力强、稳定性高、散热好，用于接地系统对这些性能将有很大的提高。2、当前中国土地费用不断升高,尤其是GIS的应用使变电站占地面积减小到原来的20%到40%,从水平接地电阻计算公式R1=*1/2/4*S 可看出,水平接地电阻增加到1.4到2.3倍,以水平为主的接地系统满足不了要求.从垂直接地电阻公式R2=(Ln(8L/D)-1) /2L可

4、看出,增加垂直接地极深度可有效解决这一问题.但角钢由于截面较大,很难打得很深,但铜镀钢接地棒最大可深入35米以上，可有效的降低接地电阻。3、随着经济不断发展,对供电可靠性要求越来越高。系统接地的可靠性和运行寿命是供电可靠的重要因素，由于铜质材料具有较强的稳定性，耐腐蚀，一般以铜为主的接地系统寿命基本可达到40年以上，从而可大大减少其运行维护，减少停电次数，提高供电可靠性。4、目前我国电力系统接地材料还大多采用镀锌钢，而其的耐腐蚀性较差, 锌层在不断腐蚀中,镀锌钢接地性能不稳定,只可用于设计10年寿命的接地系统。因此相关规程规定了严格的检查、试验项目。如要求钢接地每6年进行1次接地电阻测试,每8

5、年开挖检查一次， 这样在人工成本不断提高的当今，导致接地系统改造施工费用增加，材料还需更换。同时对市中心和室内站的开挖检查也不太可能。铜质材料接地因其耐腐蚀，寿命长，则运行维护工作量大大减少，大大降低总成本，从而铜接地系统越来越被国际同行所接受。中国加入WTO以后,经济发展迅速,外汇储备不断增加,进口铜越来越方便. 同时铜镀钢接地棒用铜量很少，性价比油然而见。目前在全球50%变电站采用铜镀钢接地棒,其中包括很多经济欠发达地区如：非洲苏丹,乍得,亚洲缅甸,柬埔寨,南美的海地等国家。二、铜与钢接地比较(一).腐蚀性比较1.铜材耐腐蚀性能是钢材的十倍以上,是镀锌钢的三倍以上. 铜的表面会产生附着性较

6、强的氧化物(铜绿Cu(OH)2),对内部的铜有很好的保护作用,阻断了进一步腐蚀的形成. 2. 钢材含有很多的杂质,除Fe以外,还含有C,S和P等. 所以在“微电池”和“宏电池”效应下,钢材是向内逐层腐蚀.镀锌钢有一定的防腐能力,但降低了导电性能和泄流速度,这对高频故障电流尤其明显. 3.钢接地系统寿命往往达不到设计要求,一般在10年左右. 如天津电力公司调查表明,天津地区钢接地系统年腐蚀率为1mm/a.220kV变电站接地寿命仅为5年.而铜接地寿命可达到40年以上. 4. 由于锌层在不断腐蚀中,镀锌钢接地性能不稳定,因此相关规程规定了严格的检查,试验项目.如要求钢接地每6年进行1次接地电阻测试

7、,每8年开挖检查一次.对市中心和室内站不太可能. 铜接地则运行维护工作量大大减少. (二).安全性比较1.铜接地的接触电势和跨步电压相对较小,人身更安全.铜材相对磁导率为1,钢材为636,接地系统的电位差随着相对磁导率的增大而增大. 2.铜抗腐蚀能力高,钢容易腐蚀. 一旦发生接地系统事故,就会造成地电位升高而出现“反击”现象,很快摧毁电网中的直流,保护,通信,低压线路等二次设备和低压系统,接着造成事故扩大,造成变压器,发电机等重要设备损坏. 3.铜接地系统地网均衡,泄流速度快,能减少“反击”等事故发生概率.(三).电气性能比较考虑到电阻,腐蚀和连接等因素的影响,其电气性能比较如下.1. 根据热

8、稳定条件,避免接地线,接地体熔化,铜材和钢材截面积之比为3:1. 2.根据导电电阻一致条件,则铜材与钢材的截面积之比为8:1.3. 根据集肤效应,铜材泄流能力是钢材的4倍.因此,综合各种因素比较,铜与钢两种接地材料的等效截面积之比为1:6以下.三、目前变电站接地系统存在的问题 1、接地体或接地引下线截面偏小接地体或接地引下线截面积偏小，焊接口长度不足或不牢固，造成动、热稳定容量不足。部分变电站接地网的地中水平连接线截面亦存在偏小现象。水平接地连接线截面的选择不仅应考虑热稳定，还应考虑锈蚀和对二次电缆的保护。2、 利用设备构架基础的钢筋作为接地引下线工程施工过程中钢筋焊接不良和存在个别漏接地现象

9、。由于这种接地引线非常隐蔽，运行中不易发现。当系统出现接地故障时，邻近故障点的操作箱、端子箱被故障点的高电位击穿烧坏，保护拒动，损坏主设备或扩大事故，类似这种情况在广东省就曾出现过。3、 接地引线与主地网中干线截面配合不合理在很多接地网设计或施工中，接地引线截面积小于主地网干线截面积，这是不安全的，因较小截面积的引线承受全部故障电流，易烧断，造成事故扩大，成了接地网中的薄弱点。 4、 忽视了接地网的防腐蚀问题由于和土壤直接接触，地下接地体、接地线(尤其是焊接口)的腐蚀和锈蚀严重。接地装置腐蚀使有效截面积逐年减小，当接地故障发生时，故障电流将这些薄弱点烧断而扩大事故。广东省电力试验研究所统计数据

10、表明，对运行10年及以上的130个35220kV变电站的接地网进行挖土检查，发现61个接地网均有不同程度的腐蚀，尤其是运行20年以上的接地网腐蚀严重，近20个变电站的接地网钢材腐蚀达到甚至超过了50。5、 重要设备未按要求使用两根或两根以上接地线一些重要设备(包括主控室、变压器开关等)未能按要求使用两根或以上的接地线分别焊于干线上。6、 忽视了地网的电位均衡问题在接地系统设计(包括设计规程)中，主要是考虑如何降低接地电阻，减少接地电压和跨步电压对人身的伤害；而实际上，由于地网内的电流密度分布不同、土壤电阻率不等、设备(包括主控室设备)引下地线过长等原因，在地网内存在着局部电位差，即接地网各点不

11、能视为等电位。有关的均衡实验表明，接地故障点的电位比地网边缘的电位要高。随着系统容量增大，故障电流相应增大，故障点与主地网的电位差将因此而增高，甚至可达数千伏，这对于二次回路、直流系统产生危害。因此应使主控室地电位与易发生故障的变电设备的电位尽量保持均衡。四、铜质接地网在变电所应用实例：近年铜质接地网在本地区逐步开始使用，如下110kV变电所（GIS）的设计图即为一应用实例：（设计图见附件）在此变电所接地网设计中主要依据了江苏省电力公司变电所铜质接地网应用导则。体会很深，受业也非浅。在进行变电所接地网设计和施工中还应考虑以下几点：1、一般情况下，GIS 装置只需要常规变电所设备所占土地面积的1

12、025。GIS外部发生故障时，人触摸GIS的金属外壳会产生两种接触电压。手脚的接触电压应满足：其中： 接地网最大接触电压，由人脚下的点所决定 GIS外壳上和外壳之间或这些外壳和任何水平或垂直支架之间金属到金属电压差（主要是感应产生的）的最大值。2、由于GIS的紧凑特性，其绝缘气体中发生电击穿时产生的高频暂态电压（电流）会耦合到接地系统，这些暂态电压（电流）可能引起短时间、高幅值的地电位升高。 3、因为GIS站的占地面积小，在总体接地设计中都必须考虑这些暂态电压（电流），GIS装置下应有接地网，接地网的网格应适当加密（推荐比常规网格加密1倍），GIS 四周的环形接地网增加相应的垂直接地极。4、G

13、IS的外壳应连接并多点接地，每个金属支架都应接地。每根接地引下线到GIS接地端子之间的连线尽量短。必要时，还可以使用与GIS装置对应点连接良好的接地的导电平台（接地板）。5、 GIS外壳与支架之间应直接连接。GIS的外壳应连接并多点接地时，每根引下线应直接连接到接地网上，其截面可按最大短路电流的70进行选择。 6、 GIS使用板式基础时，宜将基础的钢筋网连通(焊接点之间的距离一般不超过10 m)并尽可能多点与公共接地母线（主接地母线）相连，（前提是GIS地基内的加强钢筋和其他金属都不会由于局部过热而损坏基础）。7、GIS站的主接地网的周边应装有一定长度的垂直接地极，垂直接地极之间的距离一般不小

14、于两倍垂直接地极的长度。应校核接地网边缘和围墙或公共马路处的跨步电势。变电所所在地土壤电阻率较高时，紧靠围墙外的人行马路推荐使用沥青路面。此次应用为本地区变电站建设中首例使用铜质接地网，也为今后电力系统铜接地网的设计和施工提供了一定的借鉴作用。五、结论铜接地网施工方便。由于铜导线柔韧性比钢好，允许的弯度半径小，所以拐弯方便，穿管容易，能成卷供货，便于机械化施工，可加快工程进度。当然，由于铜材的造价要高于钢材的造价，采用铜接地网设计后，往往增加了变电站的工程投资。但与钢接地体相比，铜接地体具有导电性能、热稳定性能好和耐腐蚀能力强、施工方便、寿命长等优点，可加快工程进度，投运后减少检验维护工作量，并对土壤无污染。通过对220千伏、110千伏变电站铜、钢质接地网的建设费用、寿命期的运行费用进行综合比较分析可以发现，