接地材料的选择

浅谈接地材料的选择

一、 选择接地材料时关键要考虑导体的热稳定性；导体在土壤中的腐蚀情况；导体的导电性能及材料的价格等因素。下面我对较常用的接地材料从这几方面来进行分析比较：

1、热稳定性能

在有效的接地系统中，流入接地网的短路电流一般在几千安培到几十千安培的范围，这样强大的短路电流流过接地网导体向地中流散，将在导体中产生很高的热量，另外短路电流时间很短，一般只有零点几秒，在这样短的时间内产生的热量来不及散入周围的土壤介质中，几乎全部热量都用来使导体升温：p

C νρE =?T 式中E 为短路电流产生的能量；ν为接地导体的体积；ρ和?T 分别为导体的电阻率及吸收能量E 后的温升；p C 为导体的定压比热。

当温度超过一定值以及在土壤中自然冷却后，导体的机械性能就会剧烈下降，特别是在导体之间的连接处，如果再遇到短时大电动力作用，导体就会遭到破坏，地网材料之间的连接将直接关系到地网运行的稳定性，（采用热熔焊接连接是最佳选择，热熔焊接是通过铝热还原反应，瞬间产生2800——3200度的高温，将须连接两端的材料完全融合在一起，达到完全的分子结合的效果，且熔接部位截面大于导体，截流量比原导体大）。当短路电流很大，导体温度很高，达到金属材料的熔点时，导体将被熔断，这两种原因都有可能使接地网导体断裂、接地网解体，大大降低地网的可靠性。每一种导体材料都具有它自己的熔点，允许最高温度及熔点温度愈高，是热稳定性能愈好，铜的短时最高允许温度为300℃，熔点为1083℃；钢的短时最高允许温度为400℃，熔点为1550℃，因此钢的热稳定性比铜好。

1、 导体在土壤中的腐蚀率

埋在土壤中的金属将被腐蚀，这种腐蚀，属于电化学腐蚀的范畴。溶有盐和其他矿物质的土壤水起电解质溶液的作用，但土壤腐蚀比电解质腐蚀更复杂，由于腐蚀的作用导体直径不断减小，接地网的热稳定性能及导电性能都会不断降低，超过一定的年限导体就会被腐蚀断裂，接地网形同虚设造成事故，因此，在选择导体材料时，应考虑选用耐腐蚀的材料。据有关文献表明，镀锌钢在土壤中的腐蚀率为铜的2～3倍，可见铜的耐腐蚀比较好。

2、 导体的导电性

在大型接地网中，当强大的短路电流经接地网导体流散到土壤中时，由于导体本身电阻的存在，使得接地网各部分电位不相同。据文献记载，接地网尺寸愈大，土壤电阻率愈低，导体电阻率愈高，各部分导体的电位差就愈大。此外，由于钢的电阻率约为铜电阻率的8倍，在同样大的短路电流作用时，钢发热要严重得多，导体升温也要高得多，对热稳定性不利，铜的导电性要好得多。

3、

接地材料

①、铜导体

裸铜是常用的接地导体，除了具有很好的导电性外，铜导体还具有耐地下腐蚀的优点，因为相对于其他可能的埋在地下的金属，铜是阴极，但是铜接地体的热稳定性较差，还会造成重金属污染。在北美，电镀铜的钢棒用作垂直接地体或接地网的导体。

②、镀锌扁铁

镀锌钢用作接地网材料，在国内很常见，主要是其造价相对较低，热稳定性较好，且受传统思维束缚。当然我们应该充分注意接地网本身的腐蚀，地网的导电性及后期带来的维护费用。据有关文献表明，铜材和钢材的截面积比为1：3。电阻率比为1：8。

③、电镀铜导体

单独的铜接地导体比较昂贵，同时钢性差（热稳定性差）用于垂直接地极时，只能采用钻机钻孔的方式施工（施工麻烦）。目前国际上采用特殊工艺制成的电镀铜的钢导体广泛作用于接地装置及变电站垂直接地极接地线。

过去由于加工工艺问题，只能将铜层压扎在钢导体上形成铜包钢导体，这种铜包钢导体虽比镀锌钢耐腐蚀，但由于工艺问题使得铜层和钢导体之间存在缝隙，（在通电情况下会产生原电磁反应）因而铜包钢接地导体已被电镀铜的钢接地体逐步取代，相比铜包钢接地导体，电镀铜的钢接地体具有很好的防腐性能，但其加工工艺要求很高，英国BS7430和美国的Ul467标准规定电镀铜接地导体的铜镀层要求至少为0，25毫米。目前国内只有为数不多的几家公司能达到这一要求，如新昌县雷鹰科技发展有限公司，波兰的Galmar公司等。

电镀铜接地极是用特殊的电镀技术将99.9%的纯铜均用覆盖到低碳钢芯上，使铜与钢完全分子结合。它具有铜层厚，粘合度好，不剥离等特点。它的优点是抗拉强度大，耐腐蚀性强，有稳定的低电阻及良好的可塑性，既有铜等同的性能又兼有钢材特性。

电镀铜接地极深埋地下后无论是自然腐蚀或是电化学反应都有极强的保护性。接地棒与接地线连接采用热熔焊接，使接地装置完全处在铜的保护之下，成为真正的免维护接地装置。

4. 纳米碳扁钢

接地装置施工及验收规范(GB50169—2006)3.2.5规定：接地装置应采用热镀锌钢材，或适当加大截面。由于锌的标准还原电极电势（－0.7630V）比铁的标准还原电极电势（－0.0360V）低，在锌和铁构成的腐蚀原电池中，锌作为牺牲阳极保护了地网。热镀锌镀层厚度有限，对碳钢的防腐年限较短。为解决地网的防腐问题，国内外采取多种方案都不理想：加大钢材截面仍不能满足地网30年有效运行寿命的要求，即使成倍增大扁钢截面积，地网寿命也不可能成倍增加。使用铜材则会造成土壤重金属污染。另外，牺牲阳极保护地网在线监测难度很大。根据牺牲阳极的发电量和碳钢在特定土壤腐蚀环境中的最佳保护电流密度，可方便地计算出地网被保护的年限。该工艺广泛应用于石油管道、钢桩码头和大坝闸门等重防腐工程。其缺点是电流密度在线监测麻烦。保护电流密度太小，地网腐蚀依然存在；保护电流密度太大（即所谓过保护），地网在过电流作用下将发生电解腐蚀！其他阴极保护法存在同样的问题。

纳米碳防腐导电涂料，它是在石墨防腐导电涂料及镍粉防腐导电涂料挂网运行多年经验基础上推出的第二代产品。纳米碳防腐导电涂料具有优良的导电性、防腐性、耐冲击性和热稳定性。纳米碳与高分子以几乎同一数量级的粒径相互渗透，二者无明显界面，因此纳米碳能提高涂料的导电性能和封闭性能。涂料固化后，电解质溶液无法渗透到涂层内部，因而纳米碳涂料的防腐性能优于一般涂料。在中性点直接接地的交流输电系统中，故障时会有数十千安的短路电流经地网入地（持续时间0.1S左右）。由于纳米碳材料的耐高温性能优异，因而纳米碳防腐导电涂料顺利通过了30KA、2S的热稳定性试验。一旦地网遭受雷电或短路事故形成的大电流冲击，纳米碳防腐导电涂层不会被烧毁。有较高的安全可靠性。

5、材料的综合比较

目前，铜的价格约为钢材的10倍，铜和钢接地网各有优缺点，钢的热稳定性比铜好，且更经济，一般使用寿命为10～15年，但要考虑后期维护和地网的运行安全。铜的导电和抗腐蚀性比钢强，采用铜接地时接地导体不用考虑腐蚀，因此，接地导体只要满足热稳定性要求就可以，另外，采用铜接地网无后期维护费用，但是造价较高。

从性能上分析，铜材的导电率约为钢材的8倍，因此，铜截面可选得比钢材小，铜材的抗腐蚀性能优于钢材，在同等条件下，其使用寿命比钢材长，从长远利益看采用铜导体减少了由于接地材料腐蚀引起的接地电阻升高，更换接地材料等不利因素和费用最加，年平均费用低，但是价格高和热稳定性差。目前国内普遍采用的接地网材料是铜和钢两种，而国外大部分采用铜及电镀铜的钢导体，尤其是镀铜钢棒因其综合性能能好而被广泛用于接地材料。

从经济技术比较，我们不难看出镀铜棒，纳米碳扁钢是最佳的防雷接地材料。镀铜棒和纳米碳扁钢在地网建设中现已被广泛使用，他们的综合特性也决定了国内越来越多的地网建设中受到欢迎。

参照文献

1．电力系统接地技术

2．实用电力接地技术

3．高电压技术