铜材料在输电线路防雷接地中的应用

康淑丰，杨 阳，张明旭，耿三平，刘 远，王震洲

（1.国网河北省电力公司检修分公司，河北石家庄 051000；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050051；3.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018）

当前，电网规模不断扩大，输电线路运行维护里程长，范围广，输电容量日益增加，线路走廊环境复杂，地质条件多样，气候差异较大，许多沿海和山区线路处于腐蚀严重的地质区域，导致接地网连接部分腐蚀加速，这些地区遇有雷电活动时，防雷接地对于输电线路的安全稳定运行至关重要［1－4］。随着国家对智能电网要求的提出，电网发展向着小型智能网络化发展。在接地网设计中接地网向着小面积发展，故接地电阻要达到运行要求，对接地材料导电要求越来越高［5－10］。如不对接地网材料进行升级，由雷击造成的事故会不断增多，影响电网安全稳定运行。

1 接地系统概述

良好的接地网电阻应尽量小，接地电阻越小，雷击电流、故障电流就越能安全地通过接地网流入大地。DL／T 621－1997和GB 50169－2006对接地电阻均有相应的要求；同时接地网应具备较好的防腐能力［11－15］。目前各供电公司运行的接地网为镀锌钢地网较之以镀铜为接地网材料的新型材料缺点比较明显，两者的技术参数比较如表1所示。

表1 接地极参数表Tab.1 Parameters of grounding electrodes

2 传统镀锌接地网存在的问题

经过对国家电网各个地市公司所运行维护的接地网进行大量试验可知，接地网普遍存在腐蚀问题，接地网的电阻随着运行时间变久，接地电阻不断增大，不能满足运行要求。本次试验抽取某省检修公司500kV 输电线路5 基铁塔对电网中运行的镀锌接地棒进行接地网电阻的抽样测量。利用ZC－8 型接地电阻测量仪测量其接地电阻。测量原理如图1所示。镀锌接地网电阻抽样测量数据如表2所示。

图1 ZC－8型接地电阻测量仪测量接地电阻原理Fig.1 ZC－8grounding resistances tester

表2 镀锌接地网电阻抽样测量数据Tab.2 Galvanization grounding resistances sampling results

因为传统的热镀锌钢接地棒导电率只有8.6%，当输电线路或杆塔受到雷电冲击，有高频电流通过接地棒时，传统镀锌接地棒往往因为电阻过高不能满足要求而造成线路跳闸故障。雷击短路发生的同时，由于冲击电流的电弧热效应引起导地线温升，其温升由于电弧作用点很小温升很高，能达到400 ℃以上，已经超过镀锌钢接地棒允许通过的短路最高温度。镀锌接地网的施工过程中，采用的电焊工艺为表面搭接，不仅焊接工序繁琐且接头中间有空隙，故接头电阻高。镀锌接地网在土壤中同时受到电化学和化学腐蚀，影响其电气性能，大幅升高了接地网的电阻值，严重影响输电线路的防雷能力。

通过以上分析和试验数据可以看出，采用镀锌接地棒的接地网存在电阻普遍升高，大于运行电阻要求的问题，不对接地网材料进行升级，由雷击造成的事故将会不断增多。

3 新型镀铜接地棒的提出

3.1 镀铜接地棒的性能分析

铜是优秀的导电体，铜材料的导电率能达到100%，经试验得出采用钢镀铜的材料导电率为20%，而镀锌钢只能达到8.6%，其导电性能远好于镀锌钢。当遇有雷电高频电流时，采用镀铜接地棒冲击接地电阻性能比采用镀锌钢好很多。

通过耐腐蚀性试验可知铜在土壤中耐腐蚀性能是钢材的10～50倍，且电气性能稳定。由于铜会在其表面生成附着性极强的氧化铜，对其本体产生保护作用，能阻断对铜本体的腐蚀。同时，铜与其他金属共存时，作为阴极不会受到腐蚀，所以镀铜钢的耐腐蚀性能较之镀锌钢接地棒在耐腐蚀性方面优势明显。

新型水平网导体材料采用镀铜圆钢或呈卷装的镀铜扁钢，引下线采用镀锡铜圆钢或镀锡铜扁钢。镀铜圆钢具有一定的柔度，其允许的弯度半径小，拐弯方便，穿管容易，使用焊粉量较小；镀铜圆钢具有高机械强度，使其能够成卷供货，长度一般为30m／卷，质量约30kg，长度也可以根据设计需要任意裁剪，接点少，电气性能优异，同时有利于防腐。

3.2 镀铜接地棒连接方式优化设计

针对镀锌钢接地棒在焊接过程中易发生虚焊的情况，镀铜接地棒采用放热焊接工艺。热焊接工艺利用铜材料分子结合方式，使焊点内部无杂质和空气，保证焊点为纯铜，所以接头电阻与导体电阻一致。

新型垂直接地体采用镀铜钢接地棒，垂直接地体长度可以通过连接器无限加长，依据国家电力标准DL／T 621—1997，单点垂直接地棒电阻计算公式为

由此可知，通过加大垂直接地深度使降低接地电阻成为一种可能。

在实际应用中，新型镀铜钢接地棒前端配有尖头，用以击碎风化岩层，因其截面大大小于角钢，故垂直冲击压强极大，无需开挖地表，属于微创式安装。在施工中通过增加垂直接地长度就可达到降阻目的。放热焊接工艺如图2、图3所示。焊接成功后效果如图4所示。

图2 放热焊接工艺Fig.2 Exothermic welding process

图4 焊接成功后镀铜钢接地棒Fig.4 Copper－surfaced grounding steel rod

4 应用效果

4.1 镀铜接地棒接地效果分析

某电力公司运行维护的500kV 的Ⅰ，Ⅱ线处于沿海地区，接地体受盐碱等腐蚀严重，接地体钢筋直径减小、甚至腐蚀断开现象严重。该区段杆塔接地在原设计中采用甲1 接地形式，工频电阻为15 Ω，经过近8年的运行，接地网腐蚀严重，接地状况急需改善。故项目组选择在N64—N121区段应用新材料镀铜钢接地棒进行接地改造。

2013－10－16—2013－10－18，项目组完成对N64—N121区段杆塔接地改造、验收，经现场对接地网的检查、测试，接地安装工艺符合要求。2014－01—2014－04，对该区段接地电阻进行雷雨季节前的几次测试，测试结果均小于4Ω。由于是同一地段土壤性质相同，且同样在良好天气下测量，所以土壤电阻率影响可以忽略。测量结果如表3所示。

表3 镀铜接地网接地电阻数值Tab.3 Copper－surfaced grounding resistances sampling results

经过近9个月的运行表明，该线路接地改造区段运行状况良好，接地性能稳定可靠。项目组完成的新材料在输电线路防雷接地中的应用效果明显。

4.2 镀铜接地棒使用效益比较

根据目前市场价格情况，镀锌扁钢初次投入成本比较低，但整个设备设计年限材料费用加上施工费用，成本却是最高的。纯铜耐腐蚀性能较高，但价格昂贵，几乎是镀锌扁钢的2倍。对于500kV 输电线路接地系统，新型镀铜材料接地材料施工费用比传统的镀锌钢接地增加费用不到1／5，以单基塔为单位，镀锌钢接地材料施工费用为4 000 元／基，每10年更换一次，费用为400元／（基·年）。而镀铜材料30年只需更换一次，费用为4 800元／基，为普通镀锌材料的1／3，则费用为160元／（基·年），可以大大降低运行成本。目前某检修公司共运行500 kV 线路的7 012基铁塔，如能全部改造成新型镀铜材料为接地材料，则年节约费用为7 012×400－7 012×160元≈168.29万元。

新型镀铜接地系统在30年内可以提供安全可靠的运行状态，给输电线路在雷雨季节安全运行提供保障，避免了每10年进行地网改造的工作，为输电线路的可靠运行提供了安全保障。采用镀铜接地棒不仅解决了因接地系统不合格给安全运行带来的隐患，减少因雷电造成的线路故障，而且为电网维修提供重要的先进技术手段，为电网安全稳定运行提供有力的技术支持。运行维护单位通过对新型接地系统的各种数据进行汇总，并与传统接地系统进行对比分析，可为输电线路运行分析及隐患的判断提供参考依据，为科学制定状态检修测量方案提供准确的指导。线路实际安装效果如图5所示。

图5 实际应用效果Fig.5 Picture of application

5 结 语

使用镀铜材料对传统的镀锌接地棒组成的接地网进行改造和更换，将其应用在500kV 输电线路的防雷接地实际中，运行后的试验结果表明，由钢芯和覆盖钢芯外侧的电解镀铜层组成的接地棒，耐腐蚀性好，接地电阻适合其采用的放热焊接工艺，能满足接头电阻与导体电阻的一致要求，铜质焊点具有耐腐蚀性。同时接地体采用的镀铜接地棒，其垂直接地体长度可通过连接器无限延长，相邻两个接地棒的对接处套置密封加固环，可以避免安装过程旋转变形，使得降阻效果更为突出。

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