摘要：本文介绍了铜覆钢接地装置简介及在电力工程中的发展历程，与热镀锌接地装置进行经济技术比较，结合沧州地区土壤及地下水为中强度腐蚀的特点，将铜覆钢接地装置广泛应用于特高压直流线路中，简述锡盟~泰州±800kv直流输电线路工程河北段线路的应用情况，简述放热焊接的优点。
关键词：特高压线路；接地装置；铜覆钢；热熔焊接
Abstract：This paper introduces the copper cladding steel grounding device and it's application in electric power engineering in the development process，and comparison with hot dip galvanized grounding device in economic and technical.The copper cladding steel grounding device is widely used in UHV DC lines combined with the intensity of Cang zhou area in soil and groundwater for corrosion characteristics.Describes the XiMeng ~ Taizhou ±800kV DC transmission line project，the application of the hebei section of the line，and the advantage of exothermic welding.
Key words：UHV DC；Grounding device；copper-clad steel；Exothermic welding
0 引言
锡盟~泰州±800kV直流输电线路工程为国家大气污染防治行动计划中规划的“十二条重点输电通道”的重要组成部分，线路的长期稳定运营和建设经济性尤为重要，而铁塔接地装置良好是线路稳定运行的重要组成部分。接地装置由接地体和接地引下线组成。其中，埋入地下与大地直接接触的金属导体部分称为接地体，铁塔与接地体起连接作用的金属导体称为接地引下线。
工程河北段线路均途径沧州地区，该地区地下水及土壤属中强度腐蚀，由此，对接地网及接地装置防腐性能有较高要求。经国网公司研究决定，河北段线路全线采用铜覆钢作为铁塔接地装置。这是铜覆钢接地装置在特高压线路工程中得到大范围应用，以往多在土壤高电阻率的变电工程中使用。本文结合有关文献，叙述铜覆钢接地装置在河北段线路工程中的应用历程，总结本工程特高压线路应用的经验，为今后特高压线路工程设计施工具有十分重要的意义。
1 铜覆钢简介及应用历程
1.1铜覆钢简介
铜覆钢（copper-clad steel）：钢芯体的表面被铜均匀包覆的材料，包括铜覆钢棒材（仅用于垂直接地极）、铜覆钢板材以及铜覆钢线材（包括圆线及绞线）。按照制作工艺，具体子类可分为连铸铜覆钢（continuous casting copper-clad steel）及电镀铜覆钢（electroplating copper-clad steel）。铜覆钢材料是为了替代纯铜而开发的一种新型材料，同时具备铁的高强度、价格低廉，铜的高耐蚀性以及高导电率等优点，综合性能高、成本较低，成本较纯铜接地装置经济。锡盟~泰州线路工程河北段利用铜覆钢材料高导电率及耐腐蚀能力强的优点，采用电镀铜覆钢作为接地材料。
1.2铜覆钢接地装置发展历程
随着电力线路电压等级的不断升高，系统容量不断增大，对接地装置的安全性、可靠性提出了更高要求。接地装置腐蚀是造成接地系统发生事故的主要原因之一，选用抗腐蚀能力强的接地材料显得尤为重要。
国外的传统做法是采用纯铜作为接地材料，但纯铜昂贵，并属于战略性资源，在中国不适于大面积做为接地装置使用。美国联邦标准局（NBS）从 1910 年到 1955 年，进行接地体的耐腐蚀性研究，在全美国的128个测试地点采集的36500个样本，代表了 333 种分别尤铁，有色金属和具有保护镀层构成的金属材料。试验结果表明，只有电镀铜厚度为 0.25mm 的钢棒以及不锈钢棒的抗腐蚀速度可以被接受。另外，持续8~13 年的统计数据，取43种在不同土壤中铜试品的测试结果，其中的41种经计算，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材料的铜镀层的厚度确定为至少0.25 mm。
在我国，铜覆钢材料多应用于土壤高电阻率地区的变电站接地网，由于特高压工程具有电压等级高，容量大，停电窗口期少等特点，结合地区土壤地下水腐蚀强度，铜覆钢接地装置已应用于特高压线路中，灵州~绍兴±800kV直流输电线路工程中，已应开始使用铜覆钢材料作为接地体。
2 地质情况分析及与热镀锌钢接地装置比较
金属材料的土壤腐蚀极大影响电力系统的稳定运行，因而其耐腐蚀性能已成为特高压接地装置设计中的重要参数，为满足接地体大电导率、耐高温、耐大电流冲击和机械强度稳定可靠的使用要求，现今特高压工程中常用的接地材料有镀锌钢与铜覆钢。
2.1本工程地质情况
内蒙古锡盟～江苏泰州±800kV特高压直流输电线路工程（河北段）线路长度约120km，途经河北省沧州6市、县。杆塔采用水平排列方式的自立式铁塔，单回路架设，基础采用的型式均为灌注桩基础。依据《关于内蒙古锡盟-江苏泰州±800kV特高压直流输电工程初步设计的评审意见》及《锡盟-江苏±800kV特高压直流输电线路10包岩土报告施工图》，河北段线路途径区域地形平坦，线路沿线大部分地段目前稳定地下水位埋深在0.50～4.40m之间，部分地基土对对混凝土结构具中等腐蚀性，对混凝土结构中钢筋具有微中等腐蚀性；地下水埋深较浅，对混凝土结构具中等腐蚀性，对干湿交替环境下混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀性，对长期浸水混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。对线路沿线N3711、N3768、N3795、N3824、N3867、N3902、N3949处取得地下水样7件进行了水质分析。依据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001（2009年版））相关规定，判定线路沿线场地环境类型为Ⅱ类。
得出结论：线路沿线部分地段水土对混凝土及混凝土结构中的钢筋具腐蚀性，设计时对基础结构应根据水土的腐蚀性等级采取必要的防腐措施。
2.2与镀锌钢接地体技术经济比较
结合2.1所叙述地质情况，得出结论为该地区对地埋接地体有较强的腐蚀性，材料选择时应相应考虑金属材料在北方碱性土壤中的防腐特性。根据《5种接地金属材料在北方碱性黄土中的腐蚀行为》的试验结果，镀锌钢的腐蚀最严重，其腐蚀速度比纯铜高10倍以上；不锈钢材料的腐蚀程度则远低于纯铜及铜覆钢，表现出良好的耐蚀性；铜覆钢作为铜钢复合材料，在土壤中的自腐蚀电位较纯铜负，其腐蚀速度高于纯铜；镀层较薄的电镀铜覆钢的腐蚀速度又高于镀层较厚的连铸铜覆钢，这与2种铜覆钢制备工艺所造成的铜钢结合强度不同有关。金属试样土壤埋置1a的腐蚀速度见表2.2-1。
同时考虑材料电气、经济性及机械性能，现就铜覆钢与镀锌钢接地体做比较。
2.2.1短路时物理性能分析
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℃短路时最高允许温度为450℃；而钢的熔点为1510℃，短路时最高允许温度为400℃。因此，接地体截面相同时，铜覆钢接地材料热稳定性更好。
2.2.2经济性比较
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2.2.2的参考值计算。
表 2.2.2纯铜在不同土壤腐蚀等级条件下
镀铜厚度0.254 mm足在Ⅲ极强腐蚀腐蚀等级下使用30年的要求。
镀锌钢在同等土壤条件下腐蚀速度为铜覆钢的近10倍，接地体使用3-5年应进行大修。
经对工程建设期内材料市场价格调研得出，铜覆钢接地体市场价格按20元/m计算，φ12镀锌钢圆钢接地体市场价格按6元/m计算，接地体敷设均按接地施工图计算，在全寿命期30年内，镀锌钢每5年进行一次大修处理，材料费用铜覆钢为20元/m，镀锌钢为36元/m，仅材料费用支出可减少80%，镀锌钢供需大修更换6次，施工成本按土石方工程70元/m3，每基塔按开挖23 m3计算，每基塔节约开支9660元。
综上所述，考虑到特高压工程短路电流大，带电运行周期长，政治意义重大，一旦出现事故可能造成重要负荷中心停电及区域电网解裂的恶性事故，以及材料成本及全寿命经济性分析，本工程宜使用铜覆钢接地材料。
铜覆钢具有以下优点：1、耐腐蚀性强，不会脱节、翘皮、开裂，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；2、导电性能好，电气性能稳定；3、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；4、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；5、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：1、工艺要求高，镀铜厚度严格要求。2、建设初期一次投资大。4、生产成本高，尤其是生产设备投资大。3、技术标准及实验严格，实验过程及理论计算复杂。
3 铜覆钢接地装置在本工程的应用
3.1施工方法
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相同。接地引下线采用镀锡圆钢，施工图见图1、图2、图3所示。
3.2热熔焊应用
3.2.1工艺原理
放热焊接也称“铝热焊接”，是一种简单、高效率、高质量的金属连接工艺，近几年在国内开始大量生产和使用。放热焊接利用金属化合物化学反应热作为热源，通过过热的（被还原）熔融金属，或间接加热工作，在特制的石墨模具的型腔中形成一定形状、尺寸，符合工程需求的熔焊接头，最后冷却凝结来实现焊接的工艺。当前，放热焊接已经普遍取代了以往金属之间的机械连接方法。模具结构与反应式如图4所示。
3.2.2放热焊接的优点
1、熔接点的载流能力（熔点）与导体相同，具有良好的导电性能，经检测，焊接前后的直流电阻比率变化率接近与零。这是任何一种传统连接方式无法比拟的。
2、焊接点是分子结合，永久，不老化。
3、焊接点象铜一样不受腐蚀影响。
4、不会受到高浪涌电流的损伤。试验表明，在短时间大电流的冲击下，导体先于熔焊接头熔化。
5、操作方便、简单。无需专业人员。
6、装备简单、轻便，携带方便，操作方便。
7、与传统的机械连接工艺比较，放热焊接是真正的分子焊接，导体不会被破坏并且没有接触面，导体交界面的整体有效性没有改变。
参考文献：
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[2]卢云深，祝志祥，韩钰，赵蕊5种接地金属材料在北方碱性黄土中的腐蚀行为——材料设计
[3]马光，韩钰，聂京凯，陈新，李现兵 电气工程接地用铜覆钢腐蚀性能研究——华东电力
[4]何莉，孙双魁 浅议铜覆钢接地材料在变电站的应用——青海电力
[5]电气工程接地用铜覆钢技术条件- Q／GDW-1466-2014接地装置放热焊接技术导则 Q／GDW 467-2010
论文作者:朱立佳
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/17
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