邱庆臣
（江苏德能电力设计咨询有限公司 江苏南京 200018）
摘要：接地是变电站不可缺少的电气安全技术，接地是否合理，不仅影响电力系统的正常运行，而且也影响电气设备和人身的安全。
关键词：变电站；接地装置；选择
引言
接地网是变电站不可缺少的重要组成部分，变电站的接地直接关系到电气设备的安全和人身安全。随着城市建设的飞速发展，变电站需求数量也随之增加。电力系统容量迅速扩大，而由于城市的土地供应相对稀缺，要求新建变电站工程尽量压缩占地面积。故在新建变电站工程的设计中，如何设置接地网、减缓接地网的快速腐蚀对保证电力系统正常运行具有至关重要的作用。
1、项目概况
110kV 某变电站终期规模 3×50MVA，110kV 侧采用扩大内桥接线，中性点直接接地，3 回 110kV 架空进线，10kV 采用单母线 4 分段接线，共 36回馈线。经计算流经接地装置的最大接地短路电流Ig为 2.65KA。
根据地勘报告结果，场地浅层平均土壤电阻率ρ按 50Ω.m 估算，场地地下水对接地体具有弱腐蚀性。本文通过接地电阻的计算，结合变电站实际情况，通过对变电所接地材料全寿命周期理念分析以及防腐蚀特性分析，合理选择接地材料，并采取一定的防腐蚀措施。
2、接地网接地电阻计算
根据《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T50065-2011）附录 A.0.4，复合网的接地电阻采用以下简易计算式计算：
=0.46Ω （1）
ρ-土壤电阻率（Ω.m）
S-接地网的总面积（m2）
经过计算，110kV某变电站最大入地短路电流为 2.65kA，接地网地电位升高值为 1219V，能够满足《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065-2011）第 4.2.1 条规定。
3、以镀锌扁钢、角钢为主要接地体的接地网
当前在很多地区，变电站接地网大部分仍采用以热镀锌扁钢、角钢为主要接地体，以普通电焊为主要联结方法。该类型地网材料费较低但腐蚀较快。
根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下式要求
（2）
式中热稳定系数 C 取 70（钢），te 取 0.6s，计算所得接地体最小截面为 29.3 mm2。采用钢接地体的防腐方法一是热镀锌，主要利用高温热浸时所形成的锌合金层本身的防腐特征，二是加大钢材截面，考虑每年平均腐蚀 0.065mm，30年后腐蚀厚度为1.95mm。并预留一定裕度，主地网导体选用截面为 60×8 的热镀锌扁钢。经计算30年腐蚀后的截面为351.2mm2，理论上热镀锌钢接地装置寿命可达 30 年。但实际上.由于钢材存在点蚀，而点蚀速度比年平均腐蚀率高几倍，因此，热镀锌钢接地装置10年便有可能腐蚀断。项目所在地气候湿润，土壤含水量较高，腐蚀性较强。根据经验，对类似变电站地网检查分析，埋于地中的镀锌钢接地体一般在 4~10 年就已腐蚀严重，需要更换，特别是采用普通电焊的连接处由于破坏了镀锌层，腐蚀得更快。
3.1以普通扁钢加降阻防腐剂为主要接地体的接地网
该类型地网水平接地体使用普通扁钢，以普通电焊为主要联结方法，为防止该层地网接地体的腐蚀在水平接地体的四周加降阻防腐剂进行防腐处理。
3.1.1 使用降阻防腐剂后接地电阻计算：
接地线的最小截面计算同类型一接地网，由于接地体四周有降阻防腐剂保护，主地网导体可选用截面为 60×8 的热镀锌扁钢。
接地体四周加降阻防腐剂后接地电阻采用下式计算：
Rg2=Rg1kfKp （3）
式中 Rg1——未施加降阻剂时的工频接地电阻，Ω；
Rg2——施加降阻剂以后，接地装置的接地电阻，Ω；
Kf——降阻剂的降阻系数，其值与施加降阻剂的截面尺寸有关；
Kp——大型地网的屏蔽系数，一般为1.2—1.4。
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取降阻剂的施加尺寸为0.3×0.2，则kf =0.4，
故Rg2=Rg1kfKp =0.46×0.4×1.3=0.2392Ω，接地电阻可满足要求。
3.1.2 降阻防腐剂的选择：
使用高效降阻防腐剂可以起到降阻和防腐的双重效果。优质的降阻防腐剂对钢接地体的表面平均年腐蚀率≤0.03mm/a，可保证至少40年的使用寿命，有的降阻防腐剂理论上甚至可达到 100 年以上。
4、以铜或铜镀钢为主要接地体的接地网
采用铜做接地材料的特点是耐腐性能高，导电性远高于钢材。但单纯的使用纯铜做地网材质，地网的造价高昂，且施工难度较高，故可采用新型材料即铜镀钢材质替代纯铜，镀铜钢材质相对纯铜而言，价格较为低廉，容易打入地下。因而它结合了钢的硬度和铜的高导电性、耐腐性。且从节约资源的角度来说，铜镀钢与铜材料相比，则可以节约大量的有色金属材料资源。
根据UL 等国际标准规定镀铜材料的厚度在0.25毫米以上可确保其40年以上的使用寿命。但在选择镀铜钢材料时应注意镀铜工艺以保证铜层是以分子形式附着到高强度钢心上，而且铜皮不破裂或脱落。铜镀钢接地体与铜一样，在搭接处采用放热焊接，采用放热焊接可保证接头处良好的导电性和抗腐蚀性。
4.1 镀铜钢接地网的接地电阻计算：
由于镀铜钢绞线或镀铜圆钢柔性好，允许的弯度半径小，而铜镀钢接地棒截面大大小于角钢，能方便地垂直深入土壤，在接地施工方面工作量小，根据110kV某变电站占地面积小的实际情况可采用水平地网与垂直地网相辅助的复合地网，水平接地体采用镀铜钢绞线或镀铜圆钢，垂直地网采用铜镀钢接地棒，在全站水平网的周围共安装17组垂直接地极，单组垂直接地极长度为3米。
根据式（2）计算接地线的最小截面，其中铜镀钢材料热稳定系数C取164，计算得 S g≥12.5 mm2，选取80mm2 镀铜钢绞线和直径20mm，长度为3米的铜镀钢接地棒。
采用铜镀钢接地体的地网接地电阻计算同式（1）得：R≈0.46Ω，接地电阻能够满足要求。
4.2 铜接地网的腐蚀与牺牲阳极保护法：
接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，在多数情况下，这两种腐蚀同时存在。铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/10~1/50，铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），能够对内部的铜起很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。铜有很高的稳定性和抗腐蚀性。因此铜完全可以满足各种接地设施的使用寿命要求。
但变电站接地网采用铜接地体时存在电化学腐蚀，会加快站内构架钢筋和其它钢材的腐蚀程度。故在接地网设计时应考虑对上述电化学腐蚀的防护方法。
综上所述，铜接地体本身有着很强的抗腐蚀能力，通过采用牺牲阳极保护方法如在地下埋设锌块等活泼金属的措施可防护电化学腐蚀对变电站内构架钢筋和其它钢材构成的危害。
5、接地材料寿命周期造价分析
（1）主接地网一次性投资成本
根据本变电站总平面布置图，通过计算确定三种类型材料的主接地网材料数量，其中作为主接地网的水平接地线的长度三种类型相当，约为2100米，再根据三种接地网特点辅以相应的垂直接地体。成本由低到高依次为镀锌钢、铜镀钢、普通钢加降阻防腐剂。
（2）更换改造成本
由于镀锌钢材接地网的腐蚀原因，无法满足变电站使用寿命要求，根据调查分析，镀锌钢材地网每10年需更换一次。而采用铜镀钢材料或普通钢施加降阻剂后均可保证 40 年以上的使用寿命。
变电站采用不同接地材料构成的接地系统综合性能比较见下表：
比较内容镀锌钢普通钢加降阻防腐剂铜镀钢
初期成本少较多较多
使用寿命10年40年以上40年以上
耐腐蚀性较差好好
后期维护需更换免维护免维护
可靠性一般较好好
施工工艺简单较复杂简单
综合性能低中高
结束语
从一次投资的成本来看，镀锌钢材料最便宜，但结合变电站全寿命周期（至少 30 年）来看，镀锌钢需定期维护，并且10年后就得更换地网，更换地网费时费力，重新敷设接地装置需开挖场区，破坏道路及场区覆盖，敷设完毕重新恢复比起初期投入成本，增加了许多，因此按全寿命周期分析接地材料采用镀锌钢并不经济。
普通钢施加降阻防腐剂与铜镀钢材料相比，采用铜镀钢材料接地网投资略少，且普通钢施加降阻防腐剂施工工艺较为复杂，难以保证施工效果，且市场上降阻防腐剂质量参差不齐，稳定性和长效性无法保证，对环境与地下水的影响难以评估，相比较采用铜镀钢材料接地网可靠性更高。
采用铜镀钢材料接地网能够具有很强的抗腐蚀能力，适用于110kV本变电站的土壤条件。通过采用牺牲阳极保护方法如在地下埋设锌块等活泼金属的措施可防护电化学腐蚀对变电站内构架钢筋和其它钢材构成的危害。
故通过对以上三种材料的性能及全寿命结果分析，本期工程接地网宜选用铜镀钢接地材料。随着铜镀钢接地材料技术的发展，其制作工艺的成熟，制造成本的降低，应用铜镀钢作为接地材料是将来的一种发展趋势。
参考文献：
[1] 水利电力部西北电力设计院编.电力工程电气设计手册电气一次部分.中国电力出版社，1989年12月.
[2] 王洪泽、杨丹、王梦云. 电力系统接地技术手册.中国电力出版社，2007年.
[3] 中国电力科学研究院.交流电气装置的接地设计规范.中国计划出版社，2012年6月.
论文作者:邱庆臣
论文发表刊物:《河南电力》2018年15期
论文发表时间:2019/1/17
标签：变电站论文; 钢材论文; 防腐剂论文; 镀铜论文; 截面论文; 地网论文; 电阻论文; 《河南电力》2018年15期论文;