腐蚀性地质条件下电力工程接地设计的铜覆钢材料选择探讨

王伟

摘要：本文主要综合各方面因素并结合一些针对性的试验结果就中等腐蚀性地质条件下电力工程接地设计的铜覆钢接地材料选择作了一些探讨。

关键词：腐蚀性地质条件；电力工程；接地设计；接地材料；铜覆钢

中图分类号：F407文献标识码： A

电力系统中变电站的电气设备众多且价格昂贵，若没有完善的防雷与接地的保护，就有可能在雷击、过电压等意外的电气系统故障发生时损毁。本文将综合各方面因素就腐蚀性地质条件下电力工程接地设计的铜覆钢接地材料选择作一些探讨。

1电力工程接地应用现状

表1我国部分变电站开挖检修情况

近几年，我国电力设施建设的规模越来越大，另一方面，由于地质条件影响以及接地设计方面的缺限，每年因接地网腐蚀严重改造的变电站众多，经济损失巨大。从接地设计时接地材料的选择上来看，热镀锌钢镀层太薄，耐腐蚀性能差，导致热镀锌钢接地网寿命低下，部分腐蚀严重的区域在运行3-5年就需要开挖检修，十年后都会产生严重的腐蚀而不得不更换。从可靠性和经济效益来看，铜是首选的接地网防腐材料，铜质接地网已在发达国家的输变电工程中得到广泛应用。在我国新建220kV及以上变电站中也部分采用了铜接地网。

2铜覆钢接地材料应用分析

铜覆钢导电性好、抗腐蚀性强 、机械强度高，比镀锌钢的电阻率及压降低，另一方面由于节省了铜的使用率，可大量节约资源。目前铜覆钢接地棒，已被国外发达国家应用于建筑、铁路、电力及石油化工等各行业领域。国内铜覆钢的生产历史较短，各厂家的生产工艺、产品质量、结构形式、产品规格等有所不同，缺乏相应的标准，产品质量和性能有待考核和规范。铜钢复合材料焊接工艺采用放热熔焊，但国产熔粉均为小企业生产，在接头质量等方面与进口产品存在一定差距，缺乏独立成熟的放热熔焊技术工艺体系。因此，应进一步加强铜覆钢在接地网中的应用进研究，通过提高性能满足输变电接地网应用要求，以便推广应用。

2.1不同工艺铜覆钢的电阻率试验

下表2是通过试验对不同工艺铜覆钢电阻率的测试结果。

表2不同工艺铜覆钢电阻率的测试结果

2.2铜覆钢腐蚀性能试验

(1)取新疆的典型戈壁土壤：角砾、圆砾，具有中弱以上腐蚀性

(2)腐蚀介质：去离子水与土壤1：1混合、沉淀后下层的泥浆。

(3)参比电极：饱和甘汞电极；辅助电极：Pt电极

利用外推法确定腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流icorr，利用icorr估算腐蚀速度。考虑钝化、电解、去离子水对腐蚀速度的影响，估算的腐蚀速度大于实际腐蚀速度。

（4）试验结果：三种工艺的铜覆钢，其导电率分别可达27%（冷拉，0.5mm），25%（连铸，1mm），19%（电镀，0.25mm）μΩ·cm。冷拉、连铸、电镀产品的热稳定系数分别可达146，137， 119。可保证接地网的安全稳定。铜覆钢拉断力满足IEEE 837标准要求，大部分产品弯折后铜层未开裂。热镀锌钢在各种土壤中的耐蚀性均很差，镀锌层在腐蚀性较低的土壤中也仅能使用3年，由此可见，使用热镀锌钢，接地网在运行一段时间后，其安全性无法得到保证。铜覆钢耐蚀性优异，在绝大多数土壤中的耐蚀性是满足要求的，特殊地区（如腐蚀性极强的海岸），可增加铜层厚度以满足设计要求。对于铜覆钢的铜层厚度以及使用年限建议如下，必要时宜按当地土壤的腐蚀数据进行设计：

①冷拉铜覆钢：弱腐蚀中性/碱性土壤0.5mm、强腐蚀中性/碱性土壤1mm、较低腐蚀性酸性土壤0.7mm，使用寿命满足50年；腐蚀极强区域（如滨海地区），铜层厚度1.2～1.5 mm，使用寿命满足30年。

②水平连铸铜覆钢：中性、碱性土壤1mm，使用寿命50年；较低酸性土壤1.2mm，满足使用寿命50年；腐蚀极强区域（如滨海地区），铜层厚度1.2～1.5 mm，使用寿命30年。

③电镀铜覆钢：铜层厚度为0.254mm，一般及较低腐蚀性区域使用满足50年，国产电镀铜覆钢应大力加强质量监控。

2.3接头性能试验

为了更好的了解接头性能，特选择了具有典型代表性的工艺接头进行针对性试验，试验程序和标准严格执行相关标准，试验结果如下。

（1）经电流温度循环试验后，冷拉及连铸产品表面仅有少量氧化铜，国产电镀铜覆钢，表面氧化铜层剥落较多，进口电镀铜覆钢氧化铜剥落现象较轻，各接头完好。各产品电阻变化率都极低，除一个国产电镀产品外，其他产品试验后与试验前的电阻比值均低于1.1。

（2） 冰冻融化试验后，国产电镀铜覆钢出现表层铜起鼓现象，不利于电镀铜覆钢的耐腐蚀性能，其他产品形貌变化不大，各接头完好。各材料试验后电阻率极低，所有材料试验后与试验前的电阻比值均远低于1.1。

（3）短路电流冲击过程中，国产电镀材料温升明显，起鼓现象增加，冷拉铜覆钢部分区域铜层翘起，水平连铸铜覆钢完好，各接头完好。各材料试验后电阻率极低，所有材料试验后与试验前的电阻比值均远低于1.1。

（4）经热稳定性循环试验程序后，评价如下：

a. 各工艺铜覆钢及接头电阻变化最高也仅增加13.8%，符合IEEE 837中电阻增加值低于50%的标准要求；

b. 水平连铸铜覆钢试验后完好，产品质量优异；

c. 冷拉铜覆钢大电流冲击后部分区域铜层翘起，出于安全考虑，建议改进生产工艺，进一步提高铜层结合性；

d. 国产电镀铜覆钢铜层较薄，试验中鼓泡现象严重，氧化层脱落较多，对材料耐蚀性非常不利，不建议使用；

e. 进口电镀铜覆钢少量区域出现较小鼓泡，氧化层脱落较少，相比国产材料性能有一定优势，但出于安全考虑，建议进一步改善铜层质量；

f．各接头经三个循环试验后都保持完好，接头热稳定性高，项目自研接头质量、性能均与进口接头相当。

（5）带接头的冷拉和连铸铜覆钢经500h盐雾试验，仅表层出现部分铜绿，接头腐蚀轻微，电阻率变化极低，具有非常好的耐蚀性。

3接地材料全寿命周期经济性对比分析

接地装置的全寿命周期按40年考虑。铜覆钢与热镀锌钢、铜的全寿命周期经济性对比分析，见下表3。

表3 三种接地网的材料投资对比分析

注：（1）按25%导电率计算；

（2）相同的土壤条件下的设计寿命对比，未考虑腐蚀极强的区域（如海岸）。

由表可见，在全寿命周期内，使用铜覆钢的材料费，与镀锌钢相比可节省45%左右，相同的设计寿命下与铜相比可节省15%。与热镀锌比，使用铜覆钢接地网，不仅设计寿命提高、全寿命周期材料费降低，而且大幅减少了接地网开挖维修的次数和维修费用，隐形的全寿命周期经济性很大；与铜相比，使用铜覆钢不仅全寿命周期经济性好，而且节约了战略性铜材。可以看出铜覆钢是替代铜做接地装置的理想的资源节约型材料。

结论：铜覆钢接地材料在保证腐蚀性地质条件下电力工程接地系统的安全与稳定方面具有良好的性能，而且又具有较好的经济性优势。在电力工程中大力推广和使用铜覆钢接地材料具有良好的社会和经济效益。

参考文献：

[1] 韩钰,聂京凯,马光等.接地装置连接用放热焊剂的优化研究[C].//第十一届电站焊接学术讨论会论文集.2010:195-198.

[2] 聂京凯,孔晓峰,陈新等.铜质或铜覆钢材料的放热焊研究[J].热加工工艺,2012,41(11):136-139.DOI:10.3969/j.issn.1001-3814.2012.11.045.

[3] 韩晓萌,张亮.铜覆钢材料在接地系统中的应用[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(35).