某变电站接地网铜覆钢绞线防腐性能测试研究

辛玲玲，李延伟，姜炯挺，钱洲亥，何毅帆

（1.浙江天洁环境科技股份有限公司杭州分公司，杭州 310005；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014；3.国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315016；4.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

某变电站接地网铜覆钢绞线防腐性能测试研究

辛玲玲1，李延伟2，姜炯挺3，钱洲亥2，何毅帆4

（1.浙江天洁环境科技股份有限公司杭州分公司，杭州 310005；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014；3.国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315016；4.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

铜覆钢品质优劣直接决定着接地网系统的使用寿命及运行安全，加强铜覆钢材质的入网品质测试意义重大。对某变电站送检铜覆钢绞线样品目视检查、SEM扫描外观形貌，发现其表面存在大量腐蚀点。EDS分析发现腐蚀产物主要为Fe和Cu氧化物的混合物，表明腐蚀已局部深至基体钢材。对铜镀层厚度进行多点EDS元素mapping分析，发现镀铜层厚度仅为0.025 mm左右，远低于电力行业标准中关于铜镀层不小于0.25 mm的规定。采用四电极法测试其电阻，计算出电阻率及相对导电率，该铜覆钢绞线样品仅能符合行业标准中最低等级铜覆钢电阻率及相对导电率的要求，即相对导电率不小于15%（20℃）。综合评估，该铜覆钢样品防腐性能不合格，难以满足铜覆钢接地网免维护要求，甚至将发生严重电偶腐蚀，不应采用。

接地网；铜覆钢；防腐性能；铜镀层；电阻率

0 引言

接地系统是确保电力系统和电气设备安全运行以及人身安全的重要措施。由于接地装置的主要部分埋在地下，土壤腐蚀是其最主要的腐蚀形式，具有很强的隐蔽性。目前，国内外采用的接地材料主要有碳钢、镀锌钢、铜、铜覆钢、钢外涂防腐导电涂料等。碳钢和镀锌钢这2种接地电极材料易发生土壤腐蚀，存在腐蚀速率快、开挖检查周期短、可靠性差、难以达到设计使用寿命等问题，正逐步被其他材料所替代。纯铜的耐土壤腐蚀性能优良，但其成本较高，且质地柔软不易施工。铜覆钢材料由于具有良好的导电性能、较高的机械强度，尤其是外部包覆的铜层具有良好的抗腐蚀性能，运行寿命可达60年[1]，在部分发达国家已被广泛地应用于接地装置中。在我国，接地装置的防腐蚀性和可靠性已日益受到重视，但对于铜覆钢接地电极材料性能尚缺乏认识，缺乏规范的入网性能检测，这使得铜覆钢在我国的普及应用缺乏相关的参考依据。

以下通过对某变电站送检的铜覆钢绞线样品进行外观形貌、镀层厚度及相对导电率等指标测试，检验了该铜覆钢接地绞线的综合性能，评价样品防腐性能要求，并评估投运后腐蚀发展的可能性，可为变电站铜覆钢绞线的实践应用提供检验依据[2-6]。

1 检测及评价内容

1.1 检测对象及范围

检测对象为某供电公司送检的变电站接地网铜覆钢绞线样品，样品长2.21 m，直径1.8 cm，由37根细铜覆钢丝绞合而成。

检测主要评估该送检铜覆钢绞线样品的镀铜层性能、基体金属现状以及绞线的电气性能等。

1.2 主要仪器及检测内容

检测所用主要仪器及具体内容如下：

（1）NiKon数码相机，用于记录绞线表观状态。

（2）钢卷尺，用于测量绞线长度（精度为1 mm）。

（3）游标卡尺，用以测定绞线直径（精度为0.01 mm）。

（4）SEM（扫描电镜仪），用以检测镀层厚度及表观形貌。

（5）EDS（能谱仪），用于分析锈样元素及锈下元素。

（6）FLUKE 1625型电阻测试仪（测量范围为0.001～3 000 Ω）， 用于测量绞线电阻。

2 检测方法及结果

2.1 表观形貌及锈样分析

图1 铜覆钢绞线表观形貌及锈样分析

观察铜覆钢表面铜层的原始形貌及腐蚀点横截面形貌（见图1），对锈样及锈下金属进行EDS元素分析，分析结果如下：

铜覆钢样品的表层绞线附着一层均匀的灰色氧化膜，为铜镀层正常氧化所致。外层钢绞线局部位置、内部绞线的铜镀层表面存在大量腐蚀点（见图1（a）黑点处），腐蚀面积约占铜镀层表面积的10%以上。推测认为可能是由于绞线表层铜镀层厚度较薄或不均匀、所处环境比较潮湿，导致腐蚀破坏的发生。

图1（a）中腐蚀点微观形貌如图1（b）所示。进一步对图1（b）所示的局部锈蚀区域进行EDS分析，发现锈样主要为Fe和Cu氧化物的混合物（见图2），锈下金属为Fe基材（见图3）。说明绞线表面铜镀层破坏严重，存在较多腐蚀点，部分区域已腐蚀至内钢芯。表明该绞线镀层已局部失效，无法有效保护内钢芯。当外界条件（如截面暴露、环境潮湿）满足发生电偶腐蚀时，由于铜镀层和内钢芯的电位差及尺寸差异，将诱发铜覆钢绞线形成“大阴极-小阳极”的电偶腐蚀形态，导致铜覆钢绞线局部快速腐蚀断裂。

2.2 铜镀层厚度测试

图2 锈样EDS元素分析结果

图3 锈下金属EDS元素分析结果

从铜覆钢样品中随机取出3根单根细铜覆钢丝，对其进行EDS元素mapping分析，以精确检测各钢丝表面铜镀层厚度。结果如图4所示，镀层厚度介于0.019—0.029 mm之间（见表1）。

根据现行国标GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》、行标DL/T 1342-2014《电气接地工程用材料及连接件》以及国家电网公司企标Q/GDW 466-2010《电气工程接地用铜敷钢技术条件》，规定应用于接地网的各类铜覆钢铜厚度不应低于0.25 mm。而《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（国家电网生技[2012]352）以及《关于进一步规范输变电工程接地设计有关要求的通知》（国家电网基建设计[2011]222号）更是要求铜覆钢接地材料的镀铜层厚度不低于0.8 mm。

该送检铜覆钢绞线样品的铜镀层厚度远小于标准规定值，仅为行业标准值的1/10左右，不足国网公司要求值的5%，因此判定该铜覆钢绞线的镀层厚度不合格。

表1 绞线样品铜镀层厚度

2.3 电阻率测试结果

在送检铜覆钢绞线样品中，随机抽取3根单根细绞线样品，采用四电极法测试其电阻，并按照DL/T 1342-2014的要求计算电阻率及相对导电率。

在测量电阻的同时记录环境温度，按式（1）校正到20℃时的电阻值R20，并按式（2）计算出相应的电阻率ρ20。

式中：Rm为测量电阻值；α20为20℃电阻温度系数；对于电镀铜覆钢，α20取0.003 78；Am为环境温度。式中：S为截面积；L为测试长度。

将式（2）代入式（3），计算出相应的相对导电率C。

根据上述方法得到铜覆钢绞线的计算结果见表2。

表2 绞线样品电阻率测试结果

由表2可知，该铜覆钢绞线样品仅满足DL/T 1342-2014中关于CCS××15规格铜覆钢电阻率及相对导电率（20℃）的规定，即相对导电率不小于15%，但不满足其他更高规格铜覆钢电阻率及相对导电率的规定。

3 铜覆钢绞线性能综合评估

根据检测结果，对该铜覆钢绞线进行防腐性能综合评估，评估结果见表3。

表3 铜覆钢绞线综合评估结果

符合标准要求的铜覆钢材料具有诸多优点：抗拉强度大、耐腐蚀强；既有铜的优良导电性能，又能节省成本[7]。但品质不合格的铜覆钢材料存在重大安全隐患，若镀层厚度过薄，在运输或者安装过程中难免会因为磕碰引起镀层的损伤乃至缺失，导致镀铜层与基体碳钢直接暴露于腐蚀介质，从而诱发电偶腐蚀。在有破损的铜覆钢材料处，铜片腐蚀产物Cu2+将加剧碳钢基体的腐蚀，腐蚀反应为Cu2++Fe→Fe2++Cu；并且由于铜层表面积远大于破损裸露的碳钢基体表面积，将形成“大阴极-小阳极”腐蚀电池，腐蚀将集中于碳钢裸露处，其腐蚀速率将会极大加速[8]。在此情况下，铜覆钢材料有在极短时间内发生锈蚀断裂的可能，进而导致材料的寿命大幅降低。

4 结论及建议

通过对铜覆钢绞线样品目视检查、SEM扫描外观形貌以及EDS元素分析，发现铜覆钢内部绞线的铜镀层表面存在大量腐蚀点，局部腐蚀点已深至基体钢材。对铜镀层厚度进行EDS元素mapping分析，发现镀层厚度约0.025 mm，远低于标准中关于铜镀层不小于0.25 mm的规定，因此导致镀层较易出现破损，进而发生腐蚀。另外，铜镀层厚度不合格也降低了绞线的相对导电率。因此，该铜覆钢样品性能不合格，不应采用。

根据检测结果，建议尚未安装的样品返厂处理；已安装的铜覆钢需定期检测接地电阻，必要时进行开挖检查，加强防腐处理；应加强入场样品的监督管理，严格按照相关标准进行验收。

[1]孙艳，张琴．变电站接地网选用铜覆钢绞线的设计与分析[J]．电力与能源，2014，35（3）∶314-320．

[2]DL/T 1342-2014电气接地工程用材料及连接件[S]．北京：中国电力出版社，2014.

[3]GB/T 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法 第2部分 金属导体材料电阻率试验[S]．北京：中国标准出版社，2007.

[4]GB/T 3048.4-2007电线电缆电性能试验方法 第4部分：导体直流电阻试验[S]．北京：中国标准出版社，2007.[5]Q/GDW 466-2010电气工程接地用铜敷钢技术条件[S]．北京：中国电力出版社，2010.

[6]GB/T 50065-2011交流电气装置的接地设计规范[S]．北京：中国计划出版社，2011.

[7]何莉，孙双魁．浅议铜覆钢接地材料在变电站的应用[J]．青海电力，2014，33（2）∶35-38．

[8]沈晓明，钱洲亥，祝郦伟，等．浙江地区变电站土壤腐蚀性调查研究[J]．浙江电力，2017，36（2）∶53-57．

[9]赵艳鹏.主接地网材料的选择及应用[J].机械管理开发，2017（8）∶95-96.

[10]文习山，宋周，谭波，等.铜覆钢接地导体的电气性能[J].高电压技术，2015（2）∶608-614.

[11]李文杰.变电站双层立体复合地网研究[J].低碳世界，2016（13）∶36-37.

[12]杨庆刚.江苏电网接地问题探讨[J].江苏电机工程，2015（2）∶82-84.

[13]王宏波.思居110 kV变电站的接地材料选型及降阻研究[J].电子世界，2014（13）∶49-51.

[14]赵立飞.镀铜钢材料在变电站地网中的应用[J].科技传播，2012（20）∶142-143.

[15]杨国雄，李文飞，邓庆祥.铜覆钢接地材料土壤腐蚀特性分析[J].广东气象，2015（5）∶76-77.

Research on Corrosion Resistance Performance of Copper Coated Steel Strand for Substation Earth Mat

XIN Lingling1， LI Yanwei2， JIANG Jiongting3， QIAN Zhouhai2， HE Yifan4

（1.Zhejiang Tengy Environmental Technology Co.， Ltd.Hangzhou Branch， Hangzhou 310005， China；2.E.Energy Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310014， China；3.State Grid Ningbo Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315016， China；4.Zhejiang Electric Power Company Power Research Institute， Hangzhou 310014， China）

The service life and operation safety of earth mat depend on corrosion resistance performance of copper coated steel.Thus it is important to test the material quality of copper coated steel before it is used.It was found that there were a lot of corrosion sites on the surface of copper coated steel samples from a substation via visual inspection and SEM scanning.By EDS analysis，it was found that the corrosion products were Fe and Cu oxides，indicating that the corrosion is locally deep into the base steel.The thickness of the copper coating was analyzed using multi-point EDS element mapping analysis，and the coating was found merely 0.025 mm thick，far lower than the power industry standard requirement that the copper coating should not be thinner than 0.25 mm.The resistivity and relative conductivity were measured by a four-electrode resistance measurement.The copper-coated steel strand sample can only meet the requirements of the lowest-class resistivity and relative conductivity， namely the relative conductivity is not smaller than 15%（20℃）.The comprehensive assessment shows that the copper coated steel samples were not qualified in corrosion resistance performance and can not meet maintenance free requirement of copper-coated steel earth mat or even lead to severe galvanic corrosion，and it should not be used in substations.

earth mat； copper coated steel； corrosion resistance performance； copper coating； resistivity

10.19585/j.zjdl.201709009

1007-1881（2017）09-0044-04

TM862+.3

B

杭州意能电力技术有限公司科技项目（EPRD2017-07）

2017-06-15

辛玲玲（1975），女，工程师，从事电力化学、工业大气污染治理工作。

李延伟（1985），男，工程师，从事电力设备的腐蚀与防护研究。（通讯作者）

（本文编辑：方明霞）