變電站常用接地材料性能比較

選擇接地材料時(shí)關(guān)鍵要考慮導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性;導(dǎo)體在土壤中的腐蝕情況;導(dǎo)體的導(dǎo)電性能及材料的價(jià)格等因素。下面對(duì)較常用的接地材料從這幾方面來(lái)進(jìn)行分析比較：

一、熱穩(wěn)定性能

在有效的接地系統(tǒng)中，流入接地網(wǎng)的短路電流一般在幾千安培到幾十千安培的范圍，這樣強(qiáng)大的短路電流流過(guò)接地網(wǎng)導(dǎo)體向地中流散，將在導(dǎo)體中產(chǎn)生很高的熱量，另外短路電流時(shí)間很短，一般只有零點(diǎn)幾秒，在這樣短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量來(lái)不及散入周圍的土壤介質(zhì)中，幾乎全部熱量都用來(lái)使導(dǎo)體升溫：ΔΤ=E/(ν*ρ*Cp)

式中E為短路電流產(chǎn)生的能量;ν為接地導(dǎo)體的體積;ρ和ΔΤ分別為導(dǎo)體的電阻率及吸收能量E后的溫升;Cp為導(dǎo)體的定壓比熱。

當(dāng)溫度超過(guò)一定值以及在土壤中自然冷卻后，導(dǎo)體的機(jī)械性能就會(huì)劇烈下降，特別是在導(dǎo)體之間的連接處，如果再遇到短時(shí)大電動(dòng)力作用，導(dǎo)體就會(huì)遭到破壞，地網(wǎng)材料之間的連接將直接關(guān)系到地網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，(采用熱熔焊接連接是最佳選擇，熱熔焊接是通過(guò)鋁熱還原反應(yīng)，瞬間產(chǎn)生2800-3200度的高溫，將須連接兩端的材料完全融合在一起，達(dá)到完全的分子結(jié)合的效果，且熔接部位截面大于導(dǎo)體，截流量比原導(dǎo)體大)。當(dāng)短路電流很大，導(dǎo)體溫度很高，達(dá)到金屬材料的熔點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)體將被熔斷，這兩種原因都有可能使接地網(wǎng)導(dǎo)體斷裂、接地網(wǎng)解體，大大降低地網(wǎng)的可靠性。每一種導(dǎo)體材料都具有它自己的熔點(diǎn)，允許最高溫度及熔點(diǎn)溫度愈高，是熱穩(wěn)定性能愈好，銅的短時(shí)最高允許溫度為300℃，熔點(diǎn)為1083℃;鋼的短時(shí)最高允許溫度為400℃，熔點(diǎn)為1550℃，因此鋼的熱穩(wěn)定性比銅好。

二、導(dǎo)體在土壤中的腐蝕率

埋在土壤中的金屬將被腐蝕，這種腐蝕，屬于電化學(xué)腐蝕的范疇。溶有鹽和其他礦物質(zhì)的土壤水起電解質(zhì)溶液的作用，但土壤腐蝕比電解質(zhì)腐蝕更復(fù)雜，由于腐蝕的作用導(dǎo)體直徑不斷減小，接地網(wǎng)的熱穩(wěn)定性能及導(dǎo)電性能都會(huì)不斷降低，超過(guò)一定的年限導(dǎo)體就會(huì)被腐蝕斷裂，接地網(wǎng)形同虛設(shè)造成事故，因此，在選擇導(dǎo)體材料時(shí)，應(yīng)考慮選用耐腐蝕的材料。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)表明，鍍鋅鋼在土壤中的腐蝕率為銅的2～3倍，可見(jiàn)銅的耐腐蝕比較好。

三、導(dǎo)體的導(dǎo)電性

在大型接地網(wǎng)中，當(dāng)強(qiáng)大的短路電流經(jīng)接地網(wǎng)導(dǎo)體流散到土壤中時(shí)，由于導(dǎo)體本身電阻的存在，使得接地網(wǎng)各部分電位不相同。據(jù)文獻(xiàn)記載，接地網(wǎng)尺寸愈大，土壤電阻率愈低，導(dǎo)體電阻率愈高，各部分導(dǎo)體的電位差就愈大。此外，由于鋼的電阻率約為銅電阻率的8倍，在同樣大的短路電流作用時(shí)，鋼發(fā)熱要嚴(yán)重得多，導(dǎo)體升溫也要高得多，對(duì)熱穩(wěn)定性不利，銅的導(dǎo)電性要好得多。

四、接地材料

1.銅導(dǎo)體

裸銅是常用的接地導(dǎo)體，除了具有很好的導(dǎo)電性外，銅導(dǎo)體還具有耐地下腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橄鄬?duì)于其他可能的埋在地下的金屬，銅是陰極，但是銅接地體的熱穩(wěn)定性較差，還會(huì)造成重金屬污染。在北美，電鍍銅的鋼棒常用作垂直接地體或接地網(wǎng)的導(dǎo)體。

2.鍍鋅扁鐵

鍍鋅鋼用作接地網(wǎng)材料，在國(guó)內(nèi)很常見(jiàn)，主要是其造價(jià)相對(duì)較低，熱穩(wěn)定性較好，且受傳統(tǒng)思維束縛。當(dāng)然我們應(yīng)該充分注意接地網(wǎng)本身的腐蝕，地網(wǎng)的導(dǎo)電性及后期帶來(lái)的維護(hù)費(fèi)用。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)表明，銅材和鋼材的截面積比為1:3;電阻率比為1:8。

3.電鍍銅導(dǎo)體

單獨(dú)的銅接地導(dǎo)體比較昂貴，同時(shí)鋼性差(熱穩(wěn)定性差)用于垂直接地極時(shí)，只能采用鉆機(jī)鉆孔的方式施工(施工麻煩)。目前國(guó)際上采用特殊工藝制成的電鍍銅的鋼導(dǎo)體廣泛作用于接地裝置及變電站垂直接地極接地線。

過(guò)去由于加工工藝問(wèn)題，只能將銅層壓扎在鋼導(dǎo)體上形成銅包鋼導(dǎo)體，這種銅包鋼導(dǎo)體雖比鍍鋅鋼耐腐蝕，但由于工藝問(wèn)題使得銅層和鋼導(dǎo)體之間存在縫隙，(在通電情況下會(huì)產(chǎn)生原電磁反應(yīng))因而銅包鋼接地導(dǎo)體已被電鍍銅的鋼接地體逐步取代，相比銅包鋼接地導(dǎo)體，電鍍銅的鋼接地體具有很好的防腐性能，但其加工工藝要求很高，英國(guó)BS7430和美國(guó)的Ul467標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電鍍銅接地導(dǎo)體的銅鍍層要求至少為0.25毫米。目前國(guó)內(nèi)只有為數(shù)不多的幾家公司能達(dá)到這一要求，如河南凱威電氣公司，美國(guó)的艾力高公司等。

電鍍銅接地極是用特殊的電鍍技術(shù)將99.9%的純銅均用覆蓋到低碳鋼芯上，使銅與鋼完全分子結(jié)合。它具有銅層厚，粘合度好，不剝離等特點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度大，耐腐蝕性強(qiáng)，有穩(wěn)定的低電阻及良好的可塑性，既有銅等同的性能又兼有鋼材特性。

電鍍銅接地極深埋地下后無(wú)論是自然腐蝕或是電化學(xué)反應(yīng)都有極強(qiáng)的保護(hù)性。接地棒與接地線連接采用熱熔焊接，使接地裝置完全處在銅的保護(hù)之下，成為真正的免維護(hù)接地裝置。

我國(guó)普遍使用的接地材料有鍍鋅鋼、純銅、銅覆鋼等,其中鍍鋅鋼使用范圍達(dá)到90%以上。這是由于我國(guó)銅資源不豐富和沿用前蘇聯(lián)技術(shù)體系造成的,而歐美等西方國(guó)家則普遍使用銅質(zhì)接地網(wǎng)或銅覆鋼接地網(wǎng)。隨著技術(shù)進(jìn)步及對(duì)電網(wǎng)服役可靠性要求提高,我國(guó)目前一些重點(diǎn)或大型項(xiàng)目也逐步開(kāi)始采用銅質(zhì)或銅覆鋼接地材料鋪設(shè)接地網(wǎng)。銅質(zhì)或銅覆鋼接地材料的連接普遍采用的方法是放熱焊(即熱劑焊,在電力行業(yè)內(nèi)沿用直譯為放熱焊)。放熱焊是通過(guò)引燃劑(或電火花)引燃焊劑,焊劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)放出大量熱量并同時(shí)還原出填充金屬的焊接方式,填充金屬最終在模腔里冷卻形成接頭,屬于自蔓延高溫合成技術(shù)的一種。放熱焊焊接速度快、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單,是野外施工高效、簡(jiǎn)便的連接方式。電氣連接用放熱焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)系統(tǒng)研究較少,目前高端產(chǎn)品均為引進(jìn)國(guó)外品牌,如Erico、Gamma等，國(guó)產(chǎn)的如凱威熱熔焊KAIWEIWELD。

五、材料的綜合比較

目前，銅的價(jià)格約為鋼材的10倍，銅和鋼接地網(wǎng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，鋼的熱穩(wěn)定性比銅好，且更經(jīng)濟(jì)，一般使用壽命為10～15年，但要考慮后期維護(hù)和地網(wǎng)的運(yùn)行安全。銅的導(dǎo)電和抗腐蝕性比鋼強(qiáng)，采用銅接地時(shí)接地導(dǎo)體不用考慮腐蝕，因此，接地導(dǎo)體只要滿足熱穩(wěn)定性要求就可以，另外，采用銅接地網(wǎng)無(wú)后期維護(hù)費(fèi)用，但是造價(jià)較高。

從性能上分析，銅材的導(dǎo)電率約為鋼材的8倍，因此，銅截面可選得比鋼材小，銅材的抗腐蝕性能優(yōu)于鋼材，在同等條件下，其使用壽命比鋼材長(zhǎng)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益看采用銅導(dǎo)體減少了由于接地材料腐蝕引起的接地電阻升高，更換接地材料等不利因素和費(fèi)用最加，年平均費(fèi)用低，但是價(jià)格高和熱穩(wěn)定性差。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的接地網(wǎng)材料是銅和鋼兩種，而國(guó)外大部分采用銅及電鍍銅的鋼導(dǎo)體，尤其是鍍銅鋼棒因其綜合性能能好而被廣泛用于接地材料。

從經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，我們不難看出鍍銅棒是最佳的防雷接地材料。鍍銅棒在地網(wǎng)建設(shè)中現(xiàn)已被廣泛使用，他們的綜合特性也決定了國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的地網(wǎng)建設(shè)中受到歡迎。

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