铜接地网在变电所中的应用

用铜作为接地材料在电力变电所中的应用陈维军【摘要】通过对铜的性能分析，首先简要介绍了铜接地体的截面及连接方式选择，然后提出铜接地网实施的优化措施，并结合工程实践，通过铜接网及扁钢接地网的技术经济比较，提出铜接地网技术先进，可靠性高，经济上可行。

【关键词】铜接地网选型变电所概述随着电力系统的发展，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，接地系统长期安全可靠运行的关键在于选择品质好的接地材料和可靠的连接。

目前，江苏地区的变电所均使用镀锌扁钢作为接地材料，500kV及220kV变电所中的主接地网采用-60×8（截面480mm2）的镀锌扁钢，引下线采用-80×8（截面640 mm2）的镀锌扁钢。

而北京、上海、浙江、山东等地区已开始选用热稳定性能好、导电性能强、耐腐性强的铜材做接地，其连接采用先进的放热熔接技术。

在国外，铜材作为接地材料已有超过100年的历史，而且是唯一的选择。

1.性能介绍与热镀锌钢接地体相比，铜接地体在导电性能、耐腐蚀性和施工便利方面有很大的优越性。

1.1铜接地体导电性能好铜和钢在20˚C时的电阻率分别是17.24×10-6（Ω.mm）和138×10-6（Ω.mm），由此可见铜的导电率是钢的8倍。

铜的熔点为1083˚C，短路时最高允许温度为450˚C，而钢的熔点为1510˚C，短路时最高允许温度为400˚C。

从热稳定性上看，截面相同时，铜材较好。

1.2铜的耐腐性强接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，在多数情况下，这两种腐蚀同时存在。

接地体在地下的腐蚀速度受土壤的电阻率、含水量、含氧量、酸碱度、电解质、杂散电流及土壤的压实情况影响。

铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），对内部的铜起了很好的保护作用，阻断了腐蚀的形成，对同在地下的其它金属（钢结构、水管、气管、电缆护套等），铜作为阴极不会受腐蚀，腐蚀的是后者。

钢材是逐层被腐蚀的，镀锌层有一定的抗腐蚀性，钢材经过热镀锌后的抗腐蚀能力提高1倍左右，但反而降低了导电性能，由于集肤效应对高频故障电流尤为明显。

同时无法避免接头部位经过高温电弧焊接加工后的点腐蚀情况，一般只能保证10年。

而铜腐蚀不存在点蚀情况，属表面均匀腐蚀，铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/5~1/10。

铜接地网截面选择时可不再考虑腐蚀的影响。

1.3 铜接地网施工方便由于铜导线柔性好，允许的弯度半径小，所以拐弯方便，穿管容易。

铜导线的机械强度高，能成卷供货，便于机械化施工。

由于采用放热焊接，操作方便，加快了施工进度，节省了人工费用，简化了施工工艺。

更重要的是保证了铜接地网的连接质量。

我国变电所接地体之所以采用钢，其主要原因是当时我国由于自身铜储探明量的不足，为节约有色金属，在20世纪50～60年代曾提出“以钢代铜，以铝代铜”，所以一度大量选用钢材和铝材，这种做法一直得到很好的推广和认同。

2. 设计选型2.1 计算条件计算用故障电流原则上应按变电所远景最大运行方式，站内发生接地故障时的故障电流，当系统情况不是十分明确时，根据江苏省电力公司有关文件，500kV 系统单相接地短路电流按63kA 设计，220kV 单相接地短路电流按50kA 设计。

短路等效持续时间o f m e t t t t ++≥式中： e t —短路电流的等效持续时间，s ； m t —主保护动作时间，s ；f t —断路器失灵保护动作时间，s ；o t —开关固有动作时间，s ；目前江苏省220kV 系统线路保护配置基本采用“11，901”系列保护，各套装置均设有高频、距离和零序电流保护。

距离保护和零序保护各有三段，后备保护为近后备。

根据系统保护整定时间，短路等效持续时间500kV 系统建议取0.35秒，220kV 系统取0.7秒。

2.2 截面选择接地体热稳定校核中未考虑腐蚀时，变电所接地引下线的最小截面应满足下式：e g g t CI S ≥式中：g S —接地引下线的最小截面，mm 2；g I —流过接地引下线的短路电流稳定值，A （根据系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定）；e t —短路电流的等效持续时间，s ；C —接地引下线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地引下线的初始温度确定。

流过接地引下线的短路电流稳定值g I 和短路电流的等效持续时间e t 在计算条件中已明确 由规程DL/T621－1997《交流电气装置的接地规程》附录C 表C1查得铜的热稳定系数为210，则铜接地引下线的截面计算如下（单位：mm 2）：对500kV 系统48.17735.021063000=≥g S对220kV 系统20.1997.021050000=≥g S根据电缆厂提供的产品样本，一般选用的铜接地体规格有25mm 2、50mm 2、75mm 2、95mm 2、120mm 2、150mm 2、200mm 2、240mm 2等多种不同型号的多股裸铜线和铜排。

根据上述计算，500kV 及220kV 变电所铜接地引下线的截面取200mm 2。

水平接地体截面根据《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）规定，取接地引下线的75％，即取150mm 2。

2.3 接地体连接方式选择变电所的接地网金属导体存在着大量的连接，铜导体之间以及铜和扁钢之间如何连接，如不能很好的解决这一问题，将大大制约铜材接地的使用和发展。

目前主要有以下4种连接方式：（1）铜银焊连接法扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之问、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接都可以使用铜银焊连接法，常用的铜银焊接有乙炔焊、电弧焊等，但焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，特别是铜焊，即使是持有特殊工种上岗证，也比较容易出现一些焊接缺陷，无法从表面观察合格与否。

基于以上原因，铜银焊连接法在电力工程接地系统实际施工中很少应用。

（2）压接线夹连接法裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接大多使用压接线夹连接法。

但这种方法比较适用于两条裸铜绞线一对一连接，无法做好十字交叉连接。

如要十字交叉，则要求有特殊十字接线线夹，或者要先形成接地铜排和接地线夹，处理好两者之间的接触面后，再使用螺栓连接法。

（3）螺栓连接法扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接还可用螺栓连接，它是和压接线夹连接法的相互补充。

但螺栓连接处的接触标准应按现行国家标准《电气装置工程母线装置施工及验收规范》的规定处理。

压接线夹法和螺栓连接法在施工现场应用最为广泛，这和我国的电力施工技术工人的认识和训练程度有着密切的关系。

（4）放热焊接连接法放热焊接也称为火泥熔接，放热焊接利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程需时很短（仅数秒），反应所放出的热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成。

铜基放热反应的一般公式是：3CuO+2Al→Al2O3+3Cu+热量（2735˚C）放热焊接的作业程序：a)将导线和熔模清理干净，再将导线熔接处喷灯加热，然后把导线放入熔模内；b)扣紧把手以固定模具，把金属盘放入模具内；c)把焊接剂倒入模具内，将引燃剂撒在焊接剂及模具边上；d)盖上盖子并点火，待金属凝固后，将模具打开，清除熔渣，便可进行下一个焊接。

放热焊接接头的特性：a)外形美观一致；b)连接点为分子结合，没有接触面，更没有机械压力，因此，不会松弛和腐蚀；c)具有较大的散热面积，通电流能力与导体相同；d)熔点与导体相同，能承受故障大电流冲击，不至熔断。

放热熔接连接法可以完成各种导线间不同方式的连接，如直通型、丁字型、十字型等;还可以完成不同材质导线的连接；甚至可以实现导体间不同形状的连接；这种方法接头有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好卜接触电阻低，已逐步得到推广应用。

放热焊接的优点：a)焊接方法简单，容易掌握，无需外接电源或热源；b)供焊接用的材料、工具很轻、搬动方便；焊接速度快捷，节省人工；从焊口的外观上便能鉴定焊接的质量；c)可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢，包括不锈钢及高阻加热热源材料。

其缺点是价格贵，基层施工人员对其特性认识不足。

在国外，放热焊接已通过UL标准严格论证，并被IEEE Std80大纲等规程中指定为接地系统中埋地导体地连接方式。

在国内，放热焊接技术已通过国家电力公司武汉高压研究所、浙江电力试验研究所等部门产品质量监督检验中心地检验，并已应用在电力系统的重点工程。

3.优化措施由于铜材的造价要高于钢材的造价，采用铜接地网设计后，往往提高了变电所的工程投资，在充分研究了铜的特性后，可采取以下措施降低接地网投资：（1）采用铜接地网，设备引下线的截面仅为200mm2，水平接地体截面仅为150mm2；较采用镀锌扁钢的接地网，接地体的截面大为减小。

（2）采用镀锌扁钢设计的接地网，考虑到扁钢会腐蚀锈短，为保障可靠的接地，按《二十五项反错要求》重要设备需采用双接地引下线，且应接入主接地网的不同网格。

采用铜接地网后，可以不考虑接地引下线的腐蚀，因此可以选用单接地引下线。

（3）为减少水平搭接焊接点，水平接地体选用成卷的铜绞线，同时便于运输。

考虑变电所的美观，设备引下线选用50×4的铜排。

（4）加深设计深度，适当减少焊接点，控制投资。

4.工程实例比较本文以苏州220kV XY变电所的接地网设计为例，对铜接地网与钢接地网设计的技术、经济两方面进行比较。

采用扁钢接地设计的材料表见表1，采用铜接地设计的材料表见表2表1 采用扁钢接地设计的材料表表2 采用铜接地设计的材料表根据表1、表2所列材料，并考虑相关费率后，取：扁钢5319元/吨，铜37041元/吨；铜接地单个焊接点费用120元。

经计算，采用铜接地网初期投资费用合计为905857元，采用扁钢接地网初期投资费用合计为631523元；铜接地网接地电阻计算值为0.136Ω,而扁钢接地网接地电阻计算值为0.134Ω。

为便于在同等条件下比较，可通过增大铜接地网面积，获得与扁钢接地网同等接地电阻，通过计算，费用需增加3.5%，铜接地网补偿接地电阻后的投资为937562元，采用铜接地网投资约增加30.60万元，约48.46%。

但采用扁钢接地的变电所投运10年左右，均需投巨资开挖检查改造，同时接地网改造施工难度大，常在变电所不停电的情况下进行，需生产运行、施工及设计单位几方协同，消耗了大量的人力、物力；同时扁钢的焊接接头的抗腐蚀性能及通流能力远远不及铜接地网的放热焊接接头。

综合考虑铜接地网不需改造，从长远利益考虑是值得投资的。

5.结论综上所述，与钢接地体相比而言，铜接地体具有导电性能、热稳定性能好，耐腐蚀能力强，施工方便，可加快工程进度，寿命长，投运后减少了检验维护工作量，并对土壤无污染，但初期投资有所增加，但从长远利益考虑，采用铜接地网是合理的。