鍍銅鋼系列
合金接地極
鍍錫銅系列
鋅包鋼系列
放熱焊接系列
石墨烯系列
接地五金件鍍銅鋼材料在變電站地網(wǎng)中的應(yīng)用
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摘要 本文從技術(shù)角度分析鍍銅接地網(wǎng)、銅接地網(wǎng)和鋼接地網(wǎng)的特點(diǎn)，并結(jié)合某500kV變電站工程的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，對(duì)鍍銅接地網(wǎng)、銅接地網(wǎng)與鋼接地網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，論證了銅覆鋼材料是現(xiàn)階段高侵蝕性環(huán)境下最合用的接地材料。
樞紐詞 銅覆鋼；變電站；接地材料
越來越多的變電站不得不建設(shè)在高侵蝕性的區(qū)域，若選用鍍鋅扁鋼作接地材料，地網(wǎng)往往迅速被蝕穿蝕斷；因此，設(shè)計(jì)通常選用銅作接地材料，但是銅不僅是一種重要戰(zhàn)略物資，而且我國(guó)銅資源儲(chǔ)量不足，不宜過多使用[1]；銅覆鋼材料綜合了兩種接地材料的長(zhǎng)處，是最合用的新型接地材料。
1 技術(shù)比較
1.1 耐侵蝕性
接地體的耐侵蝕性直接決定變電站地網(wǎng)的使用年限。接地體的侵蝕主要有面侵蝕和點(diǎn)侵蝕兩種表現(xiàn)形式，面侵蝕是指平均侵蝕，這種侵蝕的跟接地體的材質(zhì)和泥土侵蝕機(jī)能相關(guān)，速度比較不亂；點(diǎn)侵蝕主要存在于接頭等輕易產(chǎn)生電化學(xué)侵蝕的部位，點(diǎn)侵蝕的速度是平均侵蝕速度的4倍～60倍，是威脅接地網(wǎng)安全的主要侵蝕形式[2]。
鋼材本身的防腐能力很差，鋼接地體主要靠外層鍍鋅進(jìn)行防護(hù)。假如在施工過程中對(duì)焊接點(diǎn)等鍍層破壞的地方防護(hù)不夠，極易形成點(diǎn)侵蝕，變電所鋼接地網(wǎng)一般十年就需要進(jìn)行改造更換，很少能不亂工作十五年，即使大幅度的增大接地極截面也沒有用，由于點(diǎn)侵蝕的速渡過快，很輕易蝕穿、蝕斷水平地網(wǎng)。
銅接地體在泥土中的侵蝕速度大約是鋼材的1/10～1/50[3]，銅材被侵蝕后的產(chǎn)物為堿式碳酸銅，會(huì)牢牢吸附于銅材表面，阻斷侵蝕的進(jìn)一步進(jìn)行，還可以保護(hù)銅材不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)侵蝕。鍍層公道時(shí)，鍍銅鋼的耐侵蝕性和銅材相稱。銅或鍍銅鋼接地網(wǎng)可以不亂運(yùn)行達(dá)60年之久。
1.2 導(dǎo)電率
地網(wǎng)材料的導(dǎo)電率直接影響變電站地網(wǎng)的工頻電阻和沖擊電阻。按照國(guó)際退火銅尺度（IACS）劃定的導(dǎo)電率，尺度銅的導(dǎo)電率為100%，尺度鋼僅為10.8%，銅的導(dǎo)電率約是鋼的10倍。鍍銅鋼材料根據(jù)鍍層厚度不同，導(dǎo)電率約為20%～40%，遠(yuǎn)好于鋼質(zhì)接地材料。在高頻雷電流沖擊時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)體的集膚效應(yīng)更加顯著，鍍銅鋼接地材料的高頻導(dǎo)電特性比鋼接地材料上風(fēng)進(jìn)一步擴(kuò)大。
1.3 熱不亂性
接地材料的截面積主要取決于它的熱不亂性。表征材料熱不亂性特征的材料的熱不亂系數(shù)C。銅材的熱不亂系數(shù)為210，鋼材為70，而30%鍍銅鋼絞線約176。相同短路前提下，鋼接地體所需的截面積為銅材的3倍，是30%鍍銅鋼絞線的2.5倍。
1.4 施工難易度
變電站接地設(shè)計(jì)中，鋼接地網(wǎng)一般采用鍍鋅扁鋼作為水平地網(wǎng)材料，鍍鋅角鋼作為垂直地網(wǎng)材料；銅覆鋼地網(wǎng)一般采用鍍銅鋼絞線作為水平地網(wǎng)材料，采用鍍銅圓鋼作為垂直接地極。鍍鋅扁鋼受鍍槽長(zhǎng)度限制，每根長(zhǎng)度一般不超過6m，變電站的水平地網(wǎng)長(zhǎng)度通常在100m～300m左右，整個(gè)地網(wǎng)敷設(shè)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量的搭接接頭，而鍍銅鋼絞線每盤線的長(zhǎng)度可以達(dá)到200m，可大大減小接頭數(shù)目，不僅減少很多施工量，還可以進(jìn)步系統(tǒng)可靠性。作為垂直接地極鍍銅圓鋼接地棒比鍍鋅角鋼更輕易打入泥土深處，接地施工也更利便。
1.5 焊接可靠性
鍍鋅扁鋼的搭接主要靠電弧焊，接時(shí)因?yàn)楹更c(diǎn)溫度高，焊弧直接暴露在空氣中，當(dāng)空氣侵入時(shí)，液態(tài)金屬會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化、氮化反應(yīng)，還有大量金屬蒸發(fā)，而且空氣中的水分在電弧高溫下分解出的氫原子可以溶入液態(tài)金屬中，導(dǎo)致接頭氫脆[4]，塑性和韌度降低，甚至產(chǎn)生裂紋。另外，因?yàn)槭止ず附訒r(shí)，焊點(diǎn)直接暴露在空氣中，焊接后冷卻很快，各種冶金反應(yīng)難以達(dá)到平衡狀態(tài)，焊縫中化學(xué)成分不平均，且熔池中氣體、氧化物等來不及浮出，輕易形成氣孔、夾渣等缺陷，造成虛焊或者焊不透，影響接地體的導(dǎo)電性。同時(shí)，電弧焊的質(zhì)量受焊接工人的技術(shù)影響也比較大，不不亂因素較多。
鍍銅鋼材料的搭接主要靠放熱焊，放熱焊是在焊點(diǎn)附近放入焊藥后，利用夾件嚴(yán)密包裹焊點(diǎn)，反應(yīng)過程中，焊點(diǎn)基本不接觸空氣。另外放熱焊的焊接原理是接利用活性較強(qiáng)的鋁把氧化銅還原[1]，快速反應(yīng)放出大量的熱量，融合焊件端部，形成焊點(diǎn)，焊點(diǎn)的結(jié)合是一種分子合成，沒有接觸面、接觸電阻和機(jī)械應(yīng)力，不輕易松弛和侵蝕；焊點(diǎn)冷卻也是在夾件包裹中緩慢冷卻，焊點(diǎn)冶金反應(yīng)比較充分，可靠性更高。
2 經(jīng)濟(jì)比較
山東某500kV變電站所設(shè)計(jì)地網(wǎng)的基本情況如下：
1）變電站的長(zhǎng)220m，寬135m，地網(wǎng)總面積為29 700m2；
2）變電站單相接地及兩相短路時(shí)的最大短路電流水平為38kA；
3）水平地網(wǎng)安裝10m見方網(wǎng)格進(jìn)行敷設(shè)；
4）接地網(wǎng)設(shè)計(jì)使用年限60年。
經(jīng)熱不亂校驗(yàn)、接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)校驗(yàn)后，采用三種接地材料所做的接地網(wǎng)方案投資對(duì)比分析見表1。
從表1可見，銅材和鍍銅鋼材的投資基本相稱，一次性投資基本為熱鍍鋅鋼材價(jià)格的兩倍；但是全壽命周期總投資則僅為熱鍍鋅鋼材價(jià)格的一半左右；若是計(jì)入地網(wǎng)改造的設(shè)計(jì)、施工等用度，以及變電站停電帶來的隱形損失，則銅材和鍍銅鋼材的全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性上風(fēng)更大。
3 鍍銅鋼材料在接地應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的題目
1）若室內(nèi)接地網(wǎng)或者設(shè)備接地引下線采用鍍鋅扁鋼材料，與主接地網(wǎng)進(jìn)行熱熔焊之后，直接構(gòu)成原電池侵蝕，因此埋入地下的鍍鋅扁鋼接地材料必需在表面做進(jìn)一步防腐處理；
2）鍍銅鋼絞線做接地極時(shí)，輕易泛起散股、斷股題目，設(shè)計(jì)時(shí)熱不亂截面需考慮一定的工程裕度；
3）鍍銅圓鋼因?yàn)閱胃霎a(chǎn)長(zhǎng)度受限制，一般不超過6m，作為水平地網(wǎng)材料使用時(shí)則會(huì)產(chǎn)生焊點(diǎn)過多的題目。
4 結(jié)論
綜上所述，鍍銅鋼材既繼續(xù)了銅材的耐侵蝕性，又大量節(jié)約了銅材；它的主要技術(shù)指標(biāo)介于銅和鍍鋅鋼材之間，比鍍鋅鋼材有較大上風(fēng)。鍍銅鋼材用作地網(wǎng)材料固然初期投資較鍍鋅扁鋼要高，但是全壽命周期看經(jīng)濟(jì)性仍優(yōu)于鍍鋅扁鋼，因此，鍍銅鋼材是一種優(yōu)良的新型地網(wǎng)材料。鍍銅鋼絞線 電解離子接地極 鍍銅扁鋼 鍍銅接地棒 打入式鍍銅離子接地極 銅覆鋼圓線
樞紐詞 銅覆鋼；變電站；接地材料
越來越多的變電站不得不建設(shè)在高侵蝕性的區(qū)域，若選用鍍鋅扁鋼作接地材料，地網(wǎng)往往迅速被蝕穿蝕斷；因此，設(shè)計(jì)通常選用銅作接地材料，但是銅不僅是一種重要戰(zhàn)略物資，而且我國(guó)銅資源儲(chǔ)量不足，不宜過多使用[1]；銅覆鋼材料綜合了兩種接地材料的長(zhǎng)處，是最合用的新型接地材料。
1 技術(shù)比較
1.1 耐侵蝕性
接地體的耐侵蝕性直接決定變電站地網(wǎng)的使用年限。接地體的侵蝕主要有面侵蝕和點(diǎn)侵蝕兩種表現(xiàn)形式，面侵蝕是指平均侵蝕，這種侵蝕的跟接地體的材質(zhì)和泥土侵蝕機(jī)能相關(guān)，速度比較不亂；點(diǎn)侵蝕主要存在于接頭等輕易產(chǎn)生電化學(xué)侵蝕的部位，點(diǎn)侵蝕的速度是平均侵蝕速度的4倍～60倍，是威脅接地網(wǎng)安全的主要侵蝕形式[2]。
鋼材本身的防腐能力很差，鋼接地體主要靠外層鍍鋅進(jìn)行防護(hù)。假如在施工過程中對(duì)焊接點(diǎn)等鍍層破壞的地方防護(hù)不夠，極易形成點(diǎn)侵蝕，變電所鋼接地網(wǎng)一般十年就需要進(jìn)行改造更換，很少能不亂工作十五年，即使大幅度的增大接地極截面也沒有用，由于點(diǎn)侵蝕的速渡過快，很輕易蝕穿、蝕斷水平地網(wǎng)。
銅接地體在泥土中的侵蝕速度大約是鋼材的1/10～1/50[3]，銅材被侵蝕后的產(chǎn)物為堿式碳酸銅，會(huì)牢牢吸附于銅材表面，阻斷侵蝕的進(jìn)一步進(jìn)行，還可以保護(hù)銅材不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)侵蝕。鍍層公道時(shí)，鍍銅鋼的耐侵蝕性和銅材相稱。銅或鍍銅鋼接地網(wǎng)可以不亂運(yùn)行達(dá)60年之久。
1.2 導(dǎo)電率
地網(wǎng)材料的導(dǎo)電率直接影響變電站地網(wǎng)的工頻電阻和沖擊電阻。按照國(guó)際退火銅尺度（IACS）劃定的導(dǎo)電率，尺度銅的導(dǎo)電率為100%，尺度鋼僅為10.8%，銅的導(dǎo)電率約是鋼的10倍。鍍銅鋼材料根據(jù)鍍層厚度不同，導(dǎo)電率約為20%～40%，遠(yuǎn)好于鋼質(zhì)接地材料。在高頻雷電流沖擊時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)體的集膚效應(yīng)更加顯著，鍍銅鋼接地材料的高頻導(dǎo)電特性比鋼接地材料上風(fēng)進(jìn)一步擴(kuò)大。
1.3 熱不亂性
接地材料的截面積主要取決于它的熱不亂性。表征材料熱不亂性特征的材料的熱不亂系數(shù)C。銅材的熱不亂系數(shù)為210，鋼材為70，而30%鍍銅鋼絞線約176。相同短路前提下，鋼接地體所需的截面積為銅材的3倍，是30%鍍銅鋼絞線的2.5倍。
1.4 施工難易度
變電站接地設(shè)計(jì)中，鋼接地網(wǎng)一般采用鍍鋅扁鋼作為水平地網(wǎng)材料，鍍鋅角鋼作為垂直地網(wǎng)材料；銅覆鋼地網(wǎng)一般采用鍍銅鋼絞線作為水平地網(wǎng)材料，采用鍍銅圓鋼作為垂直接地極。鍍鋅扁鋼受鍍槽長(zhǎng)度限制，每根長(zhǎng)度一般不超過6m，變電站的水平地網(wǎng)長(zhǎng)度通常在100m～300m左右，整個(gè)地網(wǎng)敷設(shè)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量的搭接接頭，而鍍銅鋼絞線每盤線的長(zhǎng)度可以達(dá)到200m，可大大減小接頭數(shù)目，不僅減少很多施工量，還可以進(jìn)步系統(tǒng)可靠性。作為垂直接地極鍍銅圓鋼接地棒比鍍鋅角鋼更輕易打入泥土深處，接地施工也更利便。
1.5 焊接可靠性
鍍鋅扁鋼的搭接主要靠電弧焊，接時(shí)因?yàn)楹更c(diǎn)溫度高，焊弧直接暴露在空氣中，當(dāng)空氣侵入時(shí)，液態(tài)金屬會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化、氮化反應(yīng)，還有大量金屬蒸發(fā)，而且空氣中的水分在電弧高溫下分解出的氫原子可以溶入液態(tài)金屬中，導(dǎo)致接頭氫脆[4]，塑性和韌度降低，甚至產(chǎn)生裂紋。另外，因?yàn)槭止ず附訒r(shí)，焊點(diǎn)直接暴露在空氣中，焊接后冷卻很快，各種冶金反應(yīng)難以達(dá)到平衡狀態(tài)，焊縫中化學(xué)成分不平均，且熔池中氣體、氧化物等來不及浮出，輕易形成氣孔、夾渣等缺陷，造成虛焊或者焊不透，影響接地體的導(dǎo)電性。同時(shí)，電弧焊的質(zhì)量受焊接工人的技術(shù)影響也比較大，不不亂因素較多。
鍍銅鋼材料的搭接主要靠放熱焊，放熱焊是在焊點(diǎn)附近放入焊藥后，利用夾件嚴(yán)密包裹焊點(diǎn)，反應(yīng)過程中，焊點(diǎn)基本不接觸空氣。另外放熱焊的焊接原理是接利用活性較強(qiáng)的鋁把氧化銅還原[1]，快速反應(yīng)放出大量的熱量，融合焊件端部，形成焊點(diǎn)，焊點(diǎn)的結(jié)合是一種分子合成，沒有接觸面、接觸電阻和機(jī)械應(yīng)力，不輕易松弛和侵蝕；焊點(diǎn)冷卻也是在夾件包裹中緩慢冷卻，焊點(diǎn)冶金反應(yīng)比較充分，可靠性更高。
2 經(jīng)濟(jì)比較
山東某500kV變電站所設(shè)計(jì)地網(wǎng)的基本情況如下：
1）變電站的長(zhǎng)220m，寬135m，地網(wǎng)總面積為29 700m2；
2）變電站單相接地及兩相短路時(shí)的最大短路電流水平為38kA；
3）水平地網(wǎng)安裝10m見方網(wǎng)格進(jìn)行敷設(shè)；
4）接地網(wǎng)設(shè)計(jì)使用年限60年。
經(jīng)熱不亂校驗(yàn)、接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)校驗(yàn)后，采用三種接地材料所做的接地網(wǎng)方案投資對(duì)比分析見表1。
從表1可見，銅材和鍍銅鋼材的投資基本相稱，一次性投資基本為熱鍍鋅鋼材價(jià)格的兩倍；但是全壽命周期總投資則僅為熱鍍鋅鋼材價(jià)格的一半左右；若是計(jì)入地網(wǎng)改造的設(shè)計(jì)、施工等用度，以及變電站停電帶來的隱形損失，則銅材和鍍銅鋼材的全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性上風(fēng)更大。
3 鍍銅鋼材料在接地應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的題目
1）若室內(nèi)接地網(wǎng)或者設(shè)備接地引下線采用鍍鋅扁鋼材料，與主接地網(wǎng)進(jìn)行熱熔焊之后，直接構(gòu)成原電池侵蝕，因此埋入地下的鍍鋅扁鋼接地材料必需在表面做進(jìn)一步防腐處理；
2）鍍銅鋼絞線做接地極時(shí)，輕易泛起散股、斷股題目，設(shè)計(jì)時(shí)熱不亂截面需考慮一定的工程裕度；
3）鍍銅圓鋼因?yàn)閱胃霎a(chǎn)長(zhǎng)度受限制，一般不超過6m，作為水平地網(wǎng)材料使用時(shí)則會(huì)產(chǎn)生焊點(diǎn)過多的題目。
4 結(jié)論
綜上所述，鍍銅鋼材既繼續(xù)了銅材的耐侵蝕性，又大量節(jié)約了銅材；它的主要技術(shù)指標(biāo)介于銅和鍍鋅鋼材之間，比鍍鋅鋼材有較大上風(fēng)。鍍銅鋼材用作地網(wǎng)材料固然初期投資較鍍鋅扁鋼要高，但是全壽命周期看經(jīng)濟(jì)性仍優(yōu)于鍍鋅扁鋼，因此，鍍銅鋼材是一種優(yōu)良的新型地網(wǎng)材料。鍍銅鋼絞線 電解離子接地極 鍍銅扁鋼 鍍銅接地棒 打入式鍍銅離子接地極 銅覆鋼圓線
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