连铸铜覆钢系列复合材料是智能电网全寿命、接地装置的首选材料

连铸铜覆钢系列复合材料是智能电网全寿命、免维护

接地装置的首选材料

2015-03-26

国家电网接地装置的安全性和稳定性在电网建设中作用越来越重要，接地装置所使用的材料质量不仅关系到国家电网中重大设备的运行安全，也关系到电力行业人员的人身安全。国家十二五规划纲要明确提出，要加强对国家的电网建设，大力发展高压和超高压的智能电网,然而电网的输变电工程对接地装置提出了更高的要求。目前国家电网中国电力科学研究院已经将一种与智能电网持续可匹配的接地装置作为主要的研发

课题。

一、目前接地网存在的问题

以往我国主要采用镀锌钢作为接地材料，铜是国家战略储备资源，效仿苏联老大哥的做法提出了以钢代铜，以铝代铜。

但是镀锌钢接地网存在两大主要问题：

1、容易腐蚀

1）、镀锌钢接地网腐蚀严重。根据武高所等权威研究机构对全国电力系统的接地进行的调查显示：镀锌钢接地网使用寿命仅为7－15年，达不到60年要求。

2）、电焊时的高温破坏镀锌层，导致地网接头腐蚀严重。

2、降阻困难。

1）、许多工程项目其土壤电阻率较高，占地面积较小，难以实现接地低阻值要求。

2）、采用各种降阻材料，易加速对接地主网的腐蚀。

二、解决方案

在防腐蚀和降阻之间是一组矛盾，针对这组矛盾提出了一下解决方案：

1、解决接地网易腐蚀的主要方法：

1）、采用不易腐蚀的金属复合材料（如：铜覆钢系列金属复合材料）

2）、增大热镀锌钢的锌层厚度及截面

3）、提高材料连接的可靠性（如对铜覆钢材料采用放热熔接的连接方式）

2、解决降阻困难的主要方法

1）、人工改善土壤电阻率（换土、加降阻剂）

2）、选用降阻效果好的接地极（电解离子接地极、石墨模块）

3）、扩大变电站地网的面积

4）、外引接地

5）、增加地网的埋设深度（深井接地方式）

6）、利用自然接地体

三、国家电网全寿命、免维护的接地装置采用铜覆钢代替传统镀锌钢的优势在于：

高导电性：铜覆钢接地体具有交变电流下的“集肤效应”，具有纯铜材料的高导电性能，而镀锌钢的导电率仅为8.6%。

高热稳定性：同等热稳定性需求时，镀锌钢材料所需的截面积是铜覆钢材料的2倍；若考虑腐蚀等因素时，其截面积需增加3-4倍。

高耐腐蚀性：铜在土壤中的腐蚀是钢的1/10至1/50，且电气性能稳定。

高经济性：全寿命周期费用，铜覆钢与镀锌钢相比可节省47%以上，与纯铜相比可节省20%以上。

四、国家电网权威试验及要求

随着铜覆钢材料在接地领域凭借其优良的使用性能，目前被广泛应用，2010年国家电网出台了Q/GDW466-2010《电气工程接地用铜覆钢技术条件》、国家电网Q/GDW467-2010《接地装置放热焊接技术导则》两个国网企业标准。近2年国家电网公司相继出来两个文件:a、基建设计〔2011〕222号《关于进一步规范输变电工程接地设计有关要求的通知》；b、基建设计[2012]136号《关于印发<国家电网公司依托工程基建新技术推广应用实施目录（2012年版第一批）>的通知》。

以上文件已经明确提出了采用连铸铜覆钢作为智能电网全寿命、免维护接地装置的主要使用材料，也对其性能指标提出以下要求：

1）、导电率：国网企业标准规定的导电率不低于20%，连铸铜覆钢在使用放热焊接

2）、铜层厚度：根据国家电网基建设计〔2011〕222号文规定铜层厚度≥0.8mm，确保接地装置使用寿命60年以上，强腐蚀地区还应根据土壤腐蚀试验结果加大铜层厚度或加大截面积。

3）、表面质量：铜层应光滑平整，无明显缺陷。

4）、拉伸性能：铜覆钢抗拉强度（绞线为公称抗拉强度）≥300MPa。

5）、弯折性能：经弯折试验后铜层不应出现裂纹、裂缝、凹坑等现象。

6）、结合性能：结合力试验后不应出现铜层与钢的分离，表面的铜被试验器具所剥落的现象是允许的。

7）、电气-腐蚀性能：试验后，铜覆钢试样最终电阻增加值不超过50%，中间过程每个试验环节电阻增加不超过15%，试验结束后铜覆钢试样表层不应有裂纹、裂缝、凹坑、鼓泡和其他有碍于材料腐蚀性能的缺陷。

五、目前市场上的铜覆钢材料主要生产工艺比较：

1、电镀工艺(也称镀铜)：

优点：一次采购成本较低

缺点：采用冷镀工艺，原多为有氰电镀，因氰化物有毒，环评也通不过；现在多采用先镀镍再镀铜工艺，否则铜钢没有亲和力镀不上去。该工艺导致：a、铜层较薄，一般≤0.3mm；b、残留电解液，经过退火还原，表面的铜层会气鼓；c、会形成原电池反应，导致铜覆钢材料内部电化学腐蚀；d、对环境污染较大。

2、冷拉工艺(也称套管包覆工艺)：

优点：工艺简单，铜层厚度可以控制，无污染，加工成本低

缺点：a、结合力差，铜层易剥离；b、铜钢之间存在乳化剂会有电化学腐蚀，易形成原电池效应；c、无法实现大长度生产的产品（受外面紫铜套管长度的限制）。

3、连铸工艺：

优点：a、铜钢之间实现冶金分子结合；b、铜层厚度任意控制，产品品种多；c、可以实现大长度大直径覆铜；d、无污染；e、无电化学腐蚀及原电池效应；f、全寿命、免维护。

缺点：工艺复杂，加工的成本相对较高，但是随着工艺的进一步改进，加工成本正在逐步降低。

根据国家电网公司文件（基建设计〔2011〕222号《关于进一步规范输变电工程接地设计有关要求的通知》）指出：1、接地材料设计选型要充分考虑到土壤的腐蚀情况，用于接地工程用的铜覆钢材料的铜层厚度不应小于0.8mm。在土壤腐蚀较强地区，若选用铜覆钢材料，应电化学试验的结果加大铜层厚度或截面积，由于采用电镀工艺生产的铜覆钢的铜层不大于0.254mm，工程设计中应慎重选用该类型工艺产品；2、由于工艺限制，套管冷拉铜覆钢容易出现覆铜层不连续，影响接地装置的使用寿命，工程设计中应慎重选用该类型工艺产品。

因此，可以看出连铸工艺生产的铜覆钢在同行业中的优势，其工艺特点满足了国家电网的接地装置全寿命、免维护的要求，未来采用连铸铜覆钢作为接地材料将是一种趋势。