铜覆钢技术在输电线路接地装置中的应用探讨

摘 要：对比了常用接地材料的优缺点，介绍了铜覆钢技术的优点并提供了工频接地电阻的简易计算方法。

关键词：铜覆钢；腐蚀；接地电阻

接地系统是电气系统不可或缺的基础，目前输电线路在电网中的作用越来越重要，若无完善的防雷与接地的保护，就有可能在时雷击发生跳闸事故。其中，因接地材料腐蚀而引起的跳闸是导致电网事故发生的重要因素，因此急需开发和应用新型接地防腐新材料。

1 接地体受腐蚀破坏的原因

接地体腐蚀是发生在金属表面与周围介质之间，按其腐蚀机理讲，腐蚀可分为化学腐蚀、物理腐蚀和电化学腐蚀。

接地体在土壤环境中腐蚀，主要是电化学腐蚀。

电化学腐蚀是因金属表面与周围介质发生电化学作用而引起的，即腐蚀原电池作用，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。

埋设在土壤中的金属接地体发生腐蚀，受以下因素的影响：

①土壤孔隙度

土壤的孔隙空间包含着空气和水，较大的孔隙度有利于氧和水分的保持，这是腐蚀发生促进因素。

②土壤湿度

土壤的水分对腐蚀影响很大，当土壤含水量大于85%时，氧的扩散渗透受到了阻碍，腐蚀减弱。当土壤含水量小于10%以下时，由于水分的缺乏，阳极极性和土壤电阻比加大，腐蚀速度又急速降低。

③土壤温度

土壤温度受昼夜温差的形响。温差大很容易在金属上凝结水分微粒，且因温差电池的形成，加快腐蚀。

④土壤的酸度（PH值）

大部分土壤的酸度PH值处于6～7.5范围之内属于中性。也有PH值为3～6的酸性土，如沼泽土、腐植土。还有PH值为7.5～9.5的碱性土，如盐碱土。随着土壤PH值的减少和增大，土壤腐蚀的速度都增加。

⑤土壤含盐量

通常土壤中含盐量约为80～150OPPm ，一般情况下，土壤的可溶盐增加导电性也增加，从而增大了土壤的腐蚀速度。

⑥ 土壤电阻率

土壤电阻率直接受土壤孔隙度、湿度、温度、酸度、含盐量和有机质的影响，因此土壤电阻率是反应某些土壤理化性质的一个综合指标。

一般土壤腐蚀性与电阻性是反相关，与电导率是正相关。但电阻率并不是影响腐蚀的唯一因素，多数情况下土壤腐蚀性可用土壤电阻率来衡量。（参见下表）

2 当前常用的两种接地材料对比

当前常用的接地体材料有热镀锌钢、铜两种。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，见下表。

除去防腐能力差的缺点外，镀锌钢接地体还存在着施工工艺质量难以保证、维护管理工作量大缺点。接地体是隐蔽工程，施工空间狭小，地网布线、焊接作业等受到诸多限制，因此地网的施工工艺问题也长期困扰建设单位.主要存在搭接面不够.焊接质量良莠不齐等问题。

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500kV及以上变电站中也部分采用了铜接地网。但铜接地体具有价格昂贵缺点，且属战略性资源，刚性不足等。

综上所述开发接地网防腐新材料和新技术，提高接地网的设计寿命和可靠性，以保证电网安全运行。

3 铜覆钢防腐技术

铜覆钢是一种双金属复合材料，芯棒材料是钢，外层材料为电解铜。它是利用工频电炉将电解铜熔化，同时将处理干净的钢棒（或钢绞线）在氮气保护下加热到较高温度后，快速通过铜液并在出口处结晶成为连铸铜覆钢棒，再拉制成不同规格的铜覆钢导体。其特点如下。

（1）导电性能好：铜覆钢材料的电导率约为镀锌钢材的2倍。在疏导同样大小电流的情况下，铜覆钢的截面积理论上可比镀锌钢材减小。

（2） 抗 腐 蚀性强：传统镀锌钢材的锌层厚度只有0.00 6 mm，因腐蚀引起的年失重率高达2.0%，在常规环境下只能保持10年左右的使用寿命。因此，镀锌钢导体地下的使用寿命在短期的接地工程中是可行的，但作为永久性接地体，还不太合适。

铜覆钢导体的铜层厚度>0.8mm（国网公司最新下发了关于铜覆钢接地材料铜层厚度的文件要求，以往有铜层厚度0.23mm的产品），且铜在大气中易产生起保护作用的氧化铜膜。此氧化铜膜致密性较好，稳定性较强，腐蚀较缓慢，年失重率不超过0.2%，使用寿命为50年以上。这种寿命年限，几乎可称为是"免维护"的。因此，就腐蚀或寿命而言，尤其在恶劣的地质条件下铜覆钢是最优的接地材料之一。

（3）机械强度高：传统镀锌钢导体在打人地下时，由于与土壤摩擦，镀锌层很容易脱落，使接地极抗腐蚀性降低，最终导致接地装置过早失效，危及人身和设备的安全。铜覆钢导体由于铜层厚度大，铜层结合度高，抗拉强度3 600 MPa，因此在与土壤的摩擦中不会影响其防腐性能。

（4） 电阻率及压降小：从测试得知，接地导体的长度小于2.5 m时，流散电阻增加很多；反之，流散电阻则减少得并不显著。换句话说，接地电流经2.5 m长的接地导体后，基本能流散完。接地电阻是接地导体金属表面与土壤的接触电阻，加上接地导体自身的内阻之和。当接地电流、接地导体与土壤接触电阻不变时，接地体和接地引下线的金属内阻不同所造成的结果就不同了。根据计算和实测，铜覆钢导体的电阻率及压降，均小于镀锌钢导体。

由上可见，铜覆钢导体性能优异，因此从工程长远利益来看，作为接地导体是有很大优势的，尤其在永久性的接地工程中，其发展趋势将逐步取代传统的接地材料。

4接地电阻简易计算公式：

单组接地极接地电阻： R垂=ρ（ln8L/D -1）/ 2πL：

多组接地极并联接地电阻：Rn = R （1+ ρ（1/2+1/3+…+1/n）/πRS）/n

5 工程实例

220kV港城变～如东环港风电线路位于江苏如东沿海围垦滩涂，根据沿线环境及水质、土壤取样检测分析报告，发现由于线路所经地区气候变化范围大，气温变化范围-10℃～43℃，相对湿度变化范围15%～100%，地形复杂，沿海滩涂面积大，既包含晒盐池、海水养殖场等高盐碱水域，又包含农田、淡水养殖场等低盐碱土地和水域，根据所取地下水水质分析结果，水质类型为C1·HCO3-Na·Mg型，PH值为7.63，[SO42-]含量为54.56mg/L，[HCO3]含量为976.00mg/L，[Cl-]含量为9000.00mg/L，[Ca+]含量为240.48mg/L，[Mg+]含量为666.15mg/L，[NH4+]含量为3.78mg/L，[Na+]含量为4664.63mg/L，矿化度为15700mg/L。

地下水在长期浸水条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀，在干湿交替条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀，对钢结构具中腐蚀，故采用铜覆钢接地技术。

特别提出的是，应将铜覆钢接地材料露出地面的部分表面进行镀锡处理，使其外观与普通镀锌钢接地一致以防盗。

6 结束语

综上所述，作为沿海高腐蚀性地区的接地材料 ，铜和镀铜钢不论在技术性、经济性还是运行可靠性等方面，都比镀锌钢有更大的综合优势和推广价值。其中

镀铜钢与铜相比还具有以下优点。

a）一次性投资与年费用都相对较低 ，这在前文已经述及。

b）铜是相 对 稀 缺的有色金属资源，大量使用铜材不符合我国构建节约型和谐社会的发展理念。特别是有可替代产品的条件下。

C）由于客观社会环境的影 响 ， 铜 作为接地材料存在更大的盗窃风险，而镀铜钢的镀层厚度较小，本身含铜量就很少，经济价值有限，另一方面，由于采用了电离工艺，镀铜层与钢芯形成分子结合，即使被盗.也很难将二者分离，给"废品"再利用造成难以克服的困难。所以，镀铜钢的盗窃风险是很低的。因此，综合各方面因素考虑 ，建议将镀铜钢作为沿海高腐蚀性地区接地装置技术发展的主要应用方向。

参考文献：

[1]GB 50065-2011， 交流电气装置的接地设计规范

[2]DL/T 620-1997， 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合

[3]赵雪松，山西电力系统接地装置现状及今后选材建议，：山西电力，2008年第6期

作者简介：

曹岑（1980-），男，江苏南通人，高级工程师，主要从事送配电线路设计、施工管理工作。