牵引变电所铜接地网与钢接地网的比较

2011-06-27郑修斌

电气化铁道 2011年6期

郑修斌

0 概述

随着电气化铁路的快速发展，对牵引变电所接地设计的要求也越来越高。国内传统接地体均采用钢材质，其主要原因是国内自身铜材短缺。为节约有色金属，传统牵引变电所接地原则上“以钢代铜”，长期以来该做法得到推广和认同。在铁路建设中，目前大部分牵引变电所接地仍然使用镀锌扁钢作为接地材料，而国外客运专线则选用热稳定性能好、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焊接技术。本文试图从技术经济方面，通过事例论证其利弊，从而给出一个科学合理的结论。

1 技术比较

结合铜接地网和钢接地网的特点，笔者从铜和钢性能、接地体截面选择、接地体连接方式、接地点布置等方面进行比较。

1.1 性能比较

分别从导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面比较铜接地体与热镀锌钢接地体的差异。

1.1.1 导电性能

铜和钢在20˚C时的电阻率分别是17.24×10-6和 138×10-6（Ω·mm），因此铜的导电率是钢的 8倍。即铜接地体导电性能较钢接地体好。

1.1.2 热稳定性

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。因此，接地体截面相同时，铜材热稳定性较好。同等热稳定性能时，钢接地体所需的截面积为铜材的3倍。

1.1.3 耐腐性

接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀2种形式，在多数情况下，这2种腐蚀同时存在。铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/10～1/50，是镀锌钢耐腐蚀性的3倍以上，且电气性能稳定。

铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），该氧化物能够对内部的铜起很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。当铜与其他金属（钢结构、水管、气管、电缆护套等）共存地下时，铜作为阴极不会受腐蚀，腐蚀的是后者。钢材是逐层腐蚀，镀锌层具有一定的抗腐蚀性。

钢接地体接头部位经过高温电弧焊接加工后会出现点腐蚀情况，一般最多只能保证10年。而铜腐蚀不存在点腐蚀，寿命较长。

可见，铜接地体的耐腐性显著优于钢接地体。

1.1.4 铜接地体施工方便

设计推荐水平主网采用铜绞线，由于铜绞线柔性好，允许的弯度半径小，所以拐弯方便，穿管容易。铜线的高机械强度，使其能够成卷供货，便于机械化施工。搭接处采用放热焊接，操作方便，加快施工进度，节省人工费用，简化施工工艺，更重要的是保证了铜接地网的连接质量。

设计推荐垂直地网采用铜镀钢接地棒，由于接地棒截面大大小于角钢，在作垂直接地施工时工作量减小，并能垂直深入土壤，使通过加大垂直接地深度来降低接地电阻成为一种可能。

综上所述，铜接地体与热镀锌钢接地体相比，铜接地体在导电性能、热稳定性能、耐腐蚀性、接点焊接质量和施工便利方面有显著的优越性。

1.2 截面选择

（1）钢接地体截面选择。一般牵引变电所接地的主接地网采用50 mm×4 mm（截面200 mm2）的镀锌扁钢，垂直接地极采用50 mm ×5 mm（截面250 mm2）的镀锌角钢。

（2）铜接地体截面选择。忽略腐蚀的影响，对铜接地线进行热稳定校验时，铜接地线的最小截面应满足下式：

式中，Sg为接地线的最小截面，mm2；Ig为流过接地线的短路电流稳定值，A；te为短路电流的等效持续时间，s；C为接地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线的初始温度确定。

计算用故障电流原则上应按变电所远景最大运行方式、所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，220 kV单相接地短路电流按50 kA设计。

短路等效持续时间

式中，te为短路电流的等效持续时间，s；tm为主保护动作时间，s；tf为断路器失灵保护动作时间，s；to为开关固有动作时间，s。

根据保护整定时间，短路等效持续时间建议取0.6 s。

由规程DL/T621-1997《交流电气装置的接地》附录C表C1查得铜的热稳定系数为210，则铜接地线的截面计算如下（单位：mm2）：

对220 kV系统

根据电缆厂提供的产品样本，一般选用的铜接地体规格有25，50，75，95，120，150，240 mm2等多种不同型号的多股裸铜线和铜排。

考虑腐蚀因素，并留有充分的裕度，220 kV变电所铜接地线的截面均取200 mm2（铜排）。水平接地网截面按照《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）规定，取接地线的75%，即水平接地体截面取150 mm2（裸铜绞线）。

综上所述，铜接地体的截面显著小于钢接地体。

1.3 接地体连接方式

变电所的接地网金属导体存在着大量的连接，只有可靠的、牢固的连接才能保证接地网的运行可靠性。

1.3.1 钢接地体的连接方式

目前，钢接地体之间的连接均为传统的电弧焊接方式，高温电弧会破坏接地体接头部位的镀锌层，有可能导致点腐蚀的出现，严重影响接地体的寿命。此外，电弧焊接连接不是真正的分子性连接，焊接点对于接地体的导电性能也有影响。

对于钢接地体能否采用放热焊接连接法，设计也作过研究与尝试，由于钢接地体设计截面过大，未能被采用，主要原因是：大型、非标模具制造困难，造价高；焊粉用量大；由于钢接地体本身防腐性能差，提高焊接质量意义不大；焊接点较多，费用太高。

1.3.2 铜接地体的连接方式

目前铜接地体主要有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间、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，特别是铜焊容易出现焊接缺陷，无法从表面观察焊接质量，因此，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。但该方法比较适用于2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，则要求有特殊的十字接线线夹，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，该方法与压接线夹连接法互为补充。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。目前，压接线夹法和螺栓连接法在施工现场应用最为广泛。

（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。

放热焊接的作业程序：a.将导线和模具清理干净，再将模具用喷灯加热以去除水分，然后把导线放入模具内；b.扣紧夹具以固定模具，把钢片放入模具内；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。

放热焊接接头外形美观一致；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；具有较大的散热面积，通电流能力与导体相同；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，如普通钢铁、铜、镀锌钢、铜镀钢等之间的连接；甚至可以实现导体间不同形状的连接，如铜导线与铜镀钢接地棒的连接、铜导线与铜板的连接、铜导线与接地镀锌钢管的连接、导线与钢筋的连接以及导线与槽钢的连接。该方法接头有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好且接触电阻低，已逐步得到推广应用。

放热焊接的优点是焊接方法简单，容易掌握；无需外接电源或热源；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；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。其缺点是价格高，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的连接方式。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的检验，并已应用在电力系统的重点工程。

综上所述，放热焊接是铜接地体的理想连接方式，虽然价格高，但其方便快捷的操作、优秀的焊接质量是其他连接方式不可实现的。正是因为具备这样可靠、牢固的连接方式，铜接地体的性能比钢接地体更胜一筹。

1.4 接地点布置

采用镀锌扁钢设计的接地网，考虑到扁钢会锈蚀，为保障可靠的接地，按《二十五项反措要求》：变压器中性点应采用双接地引下线、重要设备及设备构架宜采用双接地引下线，且应接入主接地网的不同网格。

采用铜接地网后，可以忽略接地引下线的腐蚀、增强了引下线的热稳定性，因此对于除变压器中性点以外的接地引下线建议选用单接地引下线，不仅能够满足接地可靠性要求，还能够降低投资。

2 经济比较

2.1 材料统计

相同一座牵引变电所，钢接地方案的材料统计结果见表1，铜接地方案的材料统计结果见表2。

表1 采用钢接地设计的材料统计表

表2 采用铜接地设计的材料统计表

经计算，采用钢接地方案的造价约25万元；采用铜接地方案的造价约48万元（其中焊接点造价约7万元）。

2.2 指标及评价

采用“年费用法”对2种接地方案进行经济评价。“年费用法”是指将技术方案在分析期内的总费用（包括投资及经营费用）按资金回收系数（总费用为终值时，则按偿债基金系数）平均分配到使用年限的每年的费用，并比较年费用的大小，以年费用小的方案为优。年费用不但包含了年经营费用，而且还包含了投资因素，即包含了资金（或建设投资）的恢复费用，因此采用“年费用法”计算是本评价的最优选择。

年费用通用计算公式为