±800 kV宁浙线铜覆钢接地装置应用

余朝胜，郑智光

(福建省电力勘测设计院，福建 福州 350003)

1 概述

由于线路的雷击闪络率与铁塔塔形、接地电阻及线路沿线地形等诸多因素有关，它们影响着直流线路的绕击闪络率和反击闪络率，进而决定线路的防雷性能。接地系统是维护电力系统正常运行，保障人身和设备安全，防止雷电和静电危害等必不可少的措施。输电线路杆塔良好的接地是确保故障电流顺利泄放，且不产生高电位差危及设备和人身安全的重要保障。在输电线路铁塔保护角已经确定的情况下，提高接地装置使用寿命；在雷击输电线路杆塔时，为了导泄雷电流入地以减小塔顶电位，需对杆塔接地电阻进行限制等措施。

2 工程概况

宁东(灵州)—浙江(绍兴)特高压直流输电线路(以下简称宁浙线)长约1720 km，途经宁夏、陕西、山西、河南、安徽、浙江6省(自治区)，杆塔所处的位置不同，土壤及地下水的腐蚀程度也存在差异。本工程在宁夏地区的约7 km位于盐中腐蚀地段，安徽及浙江省界附近土壤电阻率较大。因此对不同地区不同土壤的腐蚀情况的杆塔需采用不同的接地措施。

3 常用接地装置方案

对于本工程的腐蚀地段、安徽与浙江省界线路部分杆塔的接地电阻高于2000Ω·mm，该段为全线反击闪络的薄弱环节，宜尽可能减小杆塔的接地电阻。目前对于善接地电阻的措施，常用的接地装置有镀锌圆钢＋接地模块(以下简称接地模块)、镀锌圆钢＋离子接地极(以下简称离子接地极)。

接地模块的优点是近年来已应用于多条500 kV及220 kV线路，对于部分少雨、地质较差地区，能有效降低接地电阻。缺点是部分地形狭窄，敷设场地受限的塔位，采用模块数量过多，使用很不方便且降阻不明显；接地模块与金属导体的连接部分较容易发生腐蚀。

离子接地极的优点是安装方便；电极单元水平安装，开挖量少。缺点是岩石地基开挖困难，其电介质及离子缓释材料，对自身金属部分有腐蚀作用，对土壤及周边环境造成破坏。

对于易腐蚀地段及特殊地段目前采用的新型接地装置是铜覆钢接地装置。

4 铜覆钢接地装置

4.1 运行经验

美国联邦标准局NBS铜覆钢的腐蚀性研究，从1910年到1955年，实施一个大规模的地下腐蚀的研究。这个研究中包括了在全美国的128个测试地点采集的36500个样本，代表了333种不同的铁的，有色金属的和具有保护镀层的材料。依据试验结果，该实验室的专家认为，只有电镀铜厚度为0.25 mm的钢棒以及不锈钢棒的抗腐蚀速度可以被接受。另外，从8～13年在43种不同土壤中铜试品的测试结果中的41 种计算，得到30年的平均点蚀深度为0.17 mm，因此一些国际标准都将铜覆钢棒的铜镀层的要求确定为至少0.25 mm，包括英国BS7430和美国的UL467。目前国网公司的企业标准《电气工程接地用铜覆钢技术条件》Q/GDW466—2010，已于2011年6月2日开始实施。铜覆钢材料连接应采用放热焊接型式，放热焊剂应满足《接地装置放热焊接技术导则》(Q/GDW 467—2010)技术要求。

目前国内输电线路接地装置大多采用经热镀锌防腐的Φ12圆钢，在土壤腐蚀较严重的区域则采用抗腐蚀性强的铜覆钢。铜覆钢具有导电性能好、抗腐蚀性强、机械强度高以及电阻率小的特性，仅在土壤中含有高量的有机硫化物和高酸性时，铜才会产生点蚀，当铜层达到一定厚度时使用寿命超过30年。铜覆钢作为替代铜材料的一种新型接地材料为腐蚀严重地区线路、不易更换接地装置地区的接地型式设计提供了新的选择。

4.2 材料特点

镀铜钢接地装置是在圆钢的钢芯外表面先镀镍，以增强铜分子的电镀紧密性；然后采用先进的电镀工艺镀上铜层，以确保钢芯表面铜层厚度均匀(需达到国际UL467 规定)。电镀后的铜与钢要求为分子渗透，达到结合紧密，随意弯折刮擦铜层不剥落的效果。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)。若以铜的导电率为100%，标准1020钢的导电率仅为10.8%，因此铜的导电率是钢的10倍左右。而30%导电率铜覆钢圆线导电率为30%，40%导电率铜覆钢圆线导电率为40%，均远较钢接地体好。尤其是在集肤效应下，高频时镀铜钢绞线导电性能远远优于钢材。即铜接地体导电性能较钢接地体好。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，铜覆钢接地材料热稳定性更好。

根据《电气工程接地用铜覆钢技术条件》附录D，铜包覆钢在不同土壤中的腐蚀速度按见表1的参考值计算。

表1 腐蚀速度 单位 ( mm/a)

按使用寿命在30年，镀铜厚度0.254 mm满足在Ⅲ极强腐蚀腐蚀等级要求。

铜覆钢的优点：铜层与钢棒达到分子型结合，接地棒深入土壤时，不会弯曲、破裂；铜层均匀，含铜纯度高，钢芯强度高；耐腐蚀性强，不会脱节、翘皮、开裂；④导电性能好，电气性能稳定；采用铜覆钢接地体可以减少土石方的开挖及青苗赔偿，同时由于接地网的接地体锈蚀情况减少，提高了设备整体的运行安全性；运用新型接地材料，其设计降阻效率高，对于高电阻地段设计中减少了1/3水平接地体的长度，使土方的开挖量大为减少；设计使用放热焊接工艺，非常适合野外施工的需求，大大提高了工作效率，有效缩短了施工工期。铜覆钢的缺点是工艺要求高，生产成本高，尤其是设备投资大；山地输运及施工过程摩擦损坏铜层。

4.3 接地装置图

对于接地电阻高于2000Ω·mm的地段，目前一般在镀锌圆钢水平射线的基础上增加接地模块与离子接地极的方案，而铜覆钢接地装置采用的是铜覆钢水平射线+铜覆钢垂直接地棒+煅烧石油焦炭(以下简称铜覆钢)，以电阻6000Ω·mm接地装置为例，三者的接地装置见图1～图3。

图1 接地模块装置图

图2 铜覆钢接地装置图

图3 离子接地极装置图

4.4 施工工艺

铜覆钢接地装置的水平敷设与普通镀锌圆钢的施工方案是一样的。对于河网泥沼、水田、开发区等接地体更换比较困难的地段，一般考虑直接用铜覆钢圆钢替换镀锌圆钢，其接地方案与镀锌圆钢方案及施工方案基本类似，主要区别是铜覆钢水平接地体之间的连接采用放热焊焊接。

铜覆钢接地装置的针对山地岩石较多的地方，在水平接地体每隔10 m增加1处垂直接地棒(总长5 m，一般由两根组装而成)。按不同的地质情况可采用气动凿岩机、内燃式凿岩机或液压潜孔钻机等小型便携钻孔设备进行打孔，垂直接地棒施工流程主要是：① 首先，开挖一直径为Φ50.5 mm，深度为5 m的孔，通常采用气动凿岩机或内燃凿岩机进行施工。具体尺寸严格依据方案设计；② 将少量的混水搅拌均匀的煅烧石油焦炭类降阻材料灌入孔底，条件允许可采用压力灌浆设备进行压力灌浆；③ 将垂直接地棒插入孔内，且保持垂直状态，继续灌入搅拌均匀的降阻材料，直至将深孔完全灌满、密实，且不再下沉为止。

考虑到铜覆钢材料易被偷盗，建议露出地面的接地引下线采用镀锡防盗

5 全寿命周期分析

全寿命周期成本( Life Cycle Costs，LCC )管理，是指从设备、项目的长期经济效益出发，全面考虑设备、项目或系统的规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修、改造、更新，直至报废的全过程，即从整个项目生命周期出发进行思考，侧重于从项目决策、设计、施工、运行维护等各阶段全部造价的确定与控制，使LCC最小的一种管理理念和方法。

5.1 一次投资费用分析

本工程主要在土壤电阻率高电阻地段，射线加垂直接地极的接地装置型式对设备故障时工频泄流有作用，以下分别采用接地模块、离子接地极和铜覆钢＋煅烧石油焦炭(以下简称铜覆钢)进行比较，其中铜覆钢接地圆钢单价按40元/m，铜覆钢垂直接地棒单价按90元/m，接地模块按400元/块，离子接地极按1800元/套，土石方单价按70元/m3，镀锌圆钢综合价按5800元/t考虑，接地模块接地装置和离子接地极接地装置使用寿命按20年，铜覆钢接地装置按使用寿命按30年，资金折现率取8%，施工安装等费用按设计定额取费，暂不考虑因减少占用土地而减少的青苗赔偿或林木砍伐费用。经计算各方案一次投资费用见表2和图4。

表2 一次投资费用比较 (单位：万元/基)

图4 不同土壤电阻率时一次投资费用比较

从图4及表2的一次投资费用可以看出，铜覆钢接地装置的费用最高，离子接地极次之，接地模块最低。

5.2 全寿命周期费用分析

宁浙线对采用接地模块与离子接地极的考虑全寿命周期的投资费用分析，对于高电阻地段一般情况下不考虑中、强腐蚀情况，由于接地模块、离子接地极的水平接地射线均采镀锌圆钢，在大于2000Ω·mm的地区一般为山地或高山大部分为微弱或弱腐蚀，本次经济比较时根据沿线电力公司的运行经验，其使用寿命按20年，铜覆钢使用寿命按30年进行年费用分析比较。经计算见表3。

表3 年费用比较 (单位：万元/基)

图5 不同土壤电阻率时年费用比较

由表3及图5可知，铜覆钢接地装置的经济性由于接地模块及离子接地极。

同时根据图5可知，当土壤电阻率大于2000Ω·mm时，离子接地极＜接地模块＜铜覆钢，即采用铜覆钢接地装置最经济。从比较数据也可以看出土壤电阻越高，铜覆钢接地优势越明显。另外表3未考虑林木砍伐费用，由于采用镀锌钢接地采用水平接地方式，接地沟槽开挖面积大，而铜覆钢采用水平加垂直接地方式，开挖范围较小，考虑政策处理费用增加因素，铜覆钢与接地模块、离子接地极接地的初次投资的费用差将更小。

6 结论及建议

铜覆钢接地装置在于防腐蚀增加使用年限及减少运行维护和青苗赔偿、林木砍伐等方面具有的优势，对于上述对±800 kV宁浙线通过年费用分析表明铜覆钢接地装置在全寿命周期内较优具有经济性，可满足国网公司资源节约型和环境友好型电网的要求。

由于铜覆钢接地装置在特高压输电线路未有运行经验，建议如下：①对于接地装置露出地面的接地引下线部分表面应镀锡防盗；②根据线路在土壤腐蚀程度，若选用铜覆钢材料，应根据电化学试验的结果加大铜层厚度或加大截面积；③适用范围建议对局部高电阻、中强腐蚀或接地装置更换困难等地段进行试用，以进一步积累运行经验后推广。

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