1、变电站接地方案变 电 站接 地 方 案艾力高商贸（上海）有限公司2010年04月 上海1.概述良好接地的必要条件良好的接地系统应具备以下两个主要条件：1、提供一个尽可能低的低电阻对地路径（接地电阻），接地电阻越低,雷电流, 浪涌和故障电流就可越安全地消散到大地；过电压值就越低。2、接地导体应具有良好的防腐能力并能重复通过大的故障电流，接地系统的寿命应不小于地面主要设备的寿命。一般至少要求30年以上寿命。长期、可靠、稳定的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障。接地系统长期安全可靠运行的关键在于正确选择合适的接地材料和可靠的连接。我国接地系统现状目前我国传统接地体大多采用钢材
2、质，其主要原因是我国的早期电力系统设计技术多借鉴前苏联相关技术，另外我国自身铜储探明量的不足，加上西方国家过去对我国的封锁，中国不容易取得铜。为节约有色金属，在20世纪5060年代提出“以钢代铜，以铝代铜”，所以一度大量选用钢材和铝材。而国外（除前苏联国家，中国和印度以外），以铜材以及铜镀钢材料作为主要接地材料已有超过100年的历史，而且被相关的国际标准（如：IEEE和IEC）推荐为主要的接地材料。目前，我国大部分地区仍然使用镀锌扁钢作为接地材料，但几十年的实践证明镀锌钢并不能解决接地装置腐蚀问题，象华北电网天津北郊500KV变电站投运8年后开挖检查发现，接地装置腐蚀严重，有的甚至已被腐蚀断，
3、不得不投巨资更换成铜接地装置。还有，北京房山变电站，大同二电厂等大型500kV变电站投运10-11年后，因腐蚀严重均重新更换了原镀锌钢接地装置。由于是重新铺设接地装置，恢复路面和绿化等工作花费了不少资金，因此整个改造工程比新建接地装置所需费用增加很多。我国解放前，曾大量采用铜质材料作为接地材料， 如天津塘沽110kV变电站，上海杨树浦电厂等，经检查，其接地装置至今仍然合格，至今仍可使用。在外资投资的工厂，电厂的变电站中，大量使用铜质材料接地装置，如秦山核电站，连云港核电站，无锡海力士半导体变电站，INTEL等。目前铜材已经不再作为国家战略物资，国家外汇储备充沛，在上海成立了铜期货交易所，可以很
4、方便地购买铜。而北京、上海、江苏、浙江、山东、广东、辽宁、天津等地区已开始选用热稳定性能好、导电性能强、耐腐性强的铜材做接地，其连接采用先进的放热焊接技术。2.技术比较性能比较分别从导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面比较铜接地体与热镀锌钢接地体的差异。导电性能铜和钢在20C时的电阻率分别是17.2410-6（mm）和13810-6（mm）。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%导电率镀铜钢线导电率为30%，40%导电率镀铜钢线导电率为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
5、导电性能较钢接地体好。热稳定性铜的熔点为1083C，短路时最高允许温度为450C；而钢的熔点为1510C，短路时最高允许温度为400C。因此，接地体截面相同时，铜材热稳定性较好。同等热稳定性能时，钢接地体所需的截面积为铜材的3倍，是30%镀铜钢绞线的2.5倍，是40%镀铜钢绞线的2.8倍。耐腐性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1/101/50， 是镀锌钢的耐腐蚀性的3倍以上，而且电气性能稳定。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。当铜与其它金属（钢结构、水管、气
6、管、电缆护套等）共存地下时，铜作为阴极不会受腐蚀，腐蚀的是后者。钢材是逐层腐蚀，镀锌层具有一定的抗腐蚀性。钢接地体接头部位经过高温电弧焊接加工后会出现点腐蚀情况，一般最多只能保证10年。而铜腐蚀不存在点蚀情况，寿命较长。可见，铜接地体的耐腐性显著优于钢接地体。目前我国变电所接地系统均存在不同的腐蚀问题，特别是有些运行十年以上的变电所腐蚀相当严重。尽管在设计时各设计人员已通过增大接地极截面来考虑30年的防腐问题，在实际运行中也采用部分开挖和测量接地电阻等方法来检测腐蚀问题。但由于实际腐蚀情况更严重，以及钢与铜的腐蚀机理不同，实施效果不太理想。以下是运行两年后开挖的钢接地的图片，局部已经严重腐蚀断
7、裂。以下是现场埋置八年后的镀锌钢试片，在接地网有泄流电流的电解腐蚀时，其耐蚀性能与普通碳钢相比，提高极少，不能明显改善接地网的防蚀性能。一般情况下，在测量接地电阻时，很难发现接地网腐蚀问题。一旦通过大的故障电流，由于截面太小，容易熔断，从而导致故障电流不能通过接地网顺利泄到大地，从而导致地电位升高，而出现“反击”现象，对直流，保护，通信，信号等二次设备和低压系统故障和损坏，甚至损坏变压器等重要设备。而镀铜钢棒则几乎没有任何腐蚀综上所述，铜接地体与热镀锌钢接地体相比，铜接地体在导电性能、热稳定性能、耐腐蚀性方面有显著的优越性。接地体连接方式变电所的接地网金属导体存在着大量的连接，只有可靠的、牢固
8、的连接才能保证接地网的运行可靠性。钢接地体的连接方式目前，钢接地体之间的连接均为传统的电弧焊接方式，高温电弧会破坏接地体接头部位的镀锌层，有可能导致点腐蚀的出现，严重影响接地体的寿命。此外，电弧焊接连接不是真正的分子性连接，焊接点对于接地体的导电性能也有影响。对于钢接地体能否采用放热焊接接法，设计也作过研究与尝试，由于钢接地体设计截面过大，未能被采用，主要有以下原因：（1）大型、非标模具制造困难，造价高；（2）焊粉用量大；（3）由于钢接地体本身防腐性能差，焊接质量的提高意义不大；（4）焊接点较多，费用太高。铜镀钢接地体的连接方式目前铜接地体和铜镀钢接地体主要有以下四种连接方式：（1）铜银焊连接
9、法扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之问、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接都可以使用铜银焊连接法，常用的铜银焊接有乙炔焊、电弧焊等，但焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，特别是铜焊，即使是持有特殊工种上岗证，也比较容易出现一些焊接缺陷，无法从表面观察合格与否。并且，这种焊接是应用于纯铜接地体之间的连接，不适合于镀铜接地体的连接。基于以上原因，铜银焊连接法在电力工程接地系统实际施工中很少应用。（2）压接线夹连接法绞线与绞线之间的连接大多使用压接线夹连接法。但这种方法比较适用于两条绞线一对一连接，无法做好十字交叉连
10、接。如要十字交叉，则要求有特殊十字接线线夹，或者要先形成接地铜排和接地线夹，处理好两者之间的接触面后，再使用螺栓连接法。（3）螺栓连接法扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与绞线之间、绞线与绞线之间的连接还可用螺栓连接，该方法与压接线夹连接法互为补充。但螺栓连接处的接触标准应按现行国家标准电气装置工程母线装置施工及验收规范的规定处理。目前，压接线夹法和螺栓连接法在施工现场应用最为广泛，这和我国的电力施工技术工人的认识和训练程度有着密切的关系。（4）放热焊接连接法放热焊接工艺最早是由美国艾力高公司（ERICO）的查尔斯卡特威尔博士1938年开发的，该工艺最早用于铁路信号线焊接。 艾力高公司为表彰卡特威尔博
11、士（Dr. Charles Cadwell）的贡献，将该工艺的商标命名为CADWELD。目前数以千万计的CADWELD焊接在使用了五十多年后，性能依然良好。放热焊接利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程需时仅数秒，反应所放出的热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成。铜基放热反应的一般公式是：3Cu2O+2AlAl2O3+3Cu+热量（2735C）放热焊接的作业程序：准备工作： 将导线和模具清理干净，再将模具用喷灯加热以去除水分，然后把导线放入模具内，扣紧夹具以固定模具。把杯状焊药放入模具内；将电子控制器终端夹到点火条上；盖上盖子持续按下电子控制器按钮5秒后点火；打开模具并移去钢杯，
12、就可见焊接好的接头。清除焊渣，等待下一次焊接。放热焊接接头的特性：外形美观一致；连接点为分子结合，没有接触面，更没有机械压力，因此，不会松弛和腐蚀；具有较大的散热面积，通电流能力与导体相同；熔点与导体相同，能承受故障大电流冲击，不至熔断。放热焊接连接法可以完成各种导线间不同方式的连接，如直通型、丁字型、十字型等；还可以完成不同材质导线的连接，如普通钢铁、铜、镀锌钢、铜镀钢等之间的连接；甚至可以实现导体间不同形状的连接，如铜导线与铜镀钢接地棒的连接、铜导线与铜板的连接、铜导线与接地镀锌钢管的连接、导线与钢筋的连接以及导线与槽钢的连接。这种方法接头有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好卜接触电阻低，已
13、逐步得到推广应用。放热焊接的优点：焊接方法简单，容易掌握；无需外接电源或热源；供焊接用的材料、工具很轻、携带方便；焊接点的载流能力与导线的载流能力相等；焊接是一种永久性的分子结合，不会松脱；焊接点像铜一样，耐腐蚀性能强。焊接速度快捷，节省人工；从焊口的外观上便能鉴定焊接的质量；可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢，包括不锈钢及高阻加热热源材料。在国外，放热焊接已通过UL标准严格论证，并被IEEE Std80大纲等规程中指定为接地系统中埋地导体地连接方式。在国内，放热焊接技术已通过国家电力公司武汉高压研究所、浙江电力试验研究所等部门产品质量监督检验中心地检验，并已应用在电力系统的重点工程。不
14、同连接形式的放热焊接：综上所述，放热焊接是铜接地体的理想连接方式，其方便快捷的操作、优秀的焊接质量是其他连接方式不可实现的。正是因为具备这样可靠、牢固的连接方式，铜接地体的性能比钢接地体更胜一筹。施工难易度设计推荐垂直地网采用铜镀钢接地棒，由于接地棒截面大大小于角钢，在作垂直接地施工方面工作量减小，并能垂直深入土壤，使通过加大垂直接地深度来降低接地电阻成为一种可能。水平地网采用镀铜钢绞线，每盘长度为200m，比传统扁钢和扁铜6米一根，大大减小接头点，减少故障点，提高系统可靠性，大大减少施工量。接头采用放热焊接，不需要任何外部电源，对人员亦没有特殊要求，安装非常简单，安全。接地效果对接地系统基本
15、要求是满足接地电阻的指标。接地电阻具体来说，实质上包含三个部分：1）接地导体本身电阻2）导体和土壤的接触电阻3）土壤的散流电阻其中3）土壤的散流电阻最为重要，它是接地电阻的要组部分，这由土壤的电阻率决定。所以通常采用增大垂直接地极深度来减少土壤的散流电阻，从而降低接地电阻而不是增大垂直接地极深度来降低接地电阻。镀铜接地网相对钢接地网来说，能够更好的泄放故障电流，保障线路安全。3.接地方案概述：综合考虑土壤的土壤平均电阻率100m，接地网面积为4209m2。参考标准GB50169-2006 接地装置施工验收规范 中国国家标准IEEE std80-2000 交流变电站接地安全设计导则 国际标准GB
16、501692006 接地装置施工与验收规范 中国国家标准DL/T621-1997 交流电气装置的接地 中国电力行业标准BS7430-1991 接地装置设计规范 英国国家标准 技术要求：接地电阻R0.5。地网分析：影响地网接地电阻是多方面的，总结其规律可以得出以下结论：土壤的导电率即土壤电阻率的大小是决定一个接地系统电阻高低的决定性因素，影响土壤电阻率的因素为该处土壤的地质结构、降雨量、环境温度及地理环境。在改造一个不良接地系统时，如果有条件改造土壤的电阻率只能改变土壤的地质结构，而后三者我们是无法改变的。目前，改造土壤电阻率的方法就是用土壤导电增强材料（俗称降阻剂），来替代与地网接触的部分土壤
17、。降阻剂分为物理降阻剂和化学降阻剂，前者的主要成分为不具备腐蚀性的炭灰电石等成分，后者的主要成分为易分解电解盐。我们不提倡使用化学降阻剂，其不稳定的电解盐会随时间改变和地下水冲刷而分解失效，不但污染环境并且电解盐的存在加速了接地材料的腐蚀速度，长期使用后果严重，物理降阻剂则不存在这些缺点。目前欧美国家已严格禁止使用化学降阻剂，而只可以使用物理降阻剂来改良土壤的导电率。使用物理降阻剂务必选择拥有国际UL认证证书的生产厂家，以避免不合格及假冒的产品。接地材料之间的连接工艺也是影响接地电阻大小的一个必要因素。地网不同于其他电力设备，它必须深埋地表以下，与其接触的化学腐蚀性物质要远远多于暴露于空气中的
18、，而接头往往是传统地网最易腐蚀的环节。传统的连接工艺为电焊，电弧产生的高温和电离子不仅破坏了材料的防腐涂层，而且在电离的作用下接地材料含有的部分物质发生化学反应，降低材料的导电性并加速了接头的腐蚀，而且由于电焊工艺的局限性，接头只能实现外沿连接，内部依旧是不接触或部分接触，含有大量空隙，极易导致水汽进入从内部腐蚀接头，且接头处电阻大于材料本身。接头带来的地网电阻增加往往不被重视，一个变电站的接地网有上百个连接处个别电压等级高的甚至上千，一个接头电阻增加带来的影响不明显，但上百上千个带来的影响就不能忽视。借鉴和参考国外这方面的经验，决定选用国外主流的放热焊接为本次改造的地网连接工艺。放热焊接是让
19、铝和氧化铜发生置换反应，利用置换反应产生的2537高温熔化连接材料，冷却后接头处合二为一实现真正的分子连接，接头外覆盖铜材，抗腐蚀性和导电性极强。接头的电阻不超过材料本身的电阻，并且这种焊接工艺耗时非常短，焊接用的工具轻便小巧大大优越电焊，操作者不需要焊接资质证书，上手快。接地材料的选用也是决定地网接地电阻大小的关键。铜的导电性是钢材的8倍，抗腐蚀性是钢材的10倍。铜材一次性投入比钢材大，但铜的使用寿命长，因此从年费用来看，铜却优于钢，省下了翻修维护改造的费用，节约时间及人力物力。镀铜钢的铜层厚度大于0.25mm，在大电流和高频电流情况下，由于集肤效应，导电性能和铜相当。根据美国接地材料研究（
20、19101955）,铜的平均腐蚀速率是0.003mm/年，铜的腐蚀可以忽略不计。接地方案设计的合理性和科学性同样决定地网接地电阻的大小。设计方案时要充分考虑土壤的地质结构，地网铺设的面积，周边的环境等，在此基础上参照相关标准设计出理论上合理、合格的方案，并在施工的过程中，配合施工方让方案的设计落到实处。设计参数：（1）综合考虑土壤的平均土壤电阻率为100m；（2）变电站的长68.5m，宽61米，地网总面积为4209m2；（3）在主接地网的外围的交叉点打入一组垂直接地极，改善接地电阻，加强地网的散流特性。方案设计：综合考虑地网的使用年限、地网材料、接地电阻、地质情况、湿度温度等自然因素的影响6.
21、1 变电站使用120mm2铜镀钢绞线制成8*8的等间距网格地网；6.2 在地网外围的各交叉点上各打1组垂直接地极，单组垂直接地极长度为6米，由5根直径14.2mm，长度为1.22米的铜镀钢接地棒组成。共计32组。6.3 避雷针采用独立接地，在避雷战周围做半径1.5m的均压环，打入3组垂直接地极，单组垂直接地极长度为10米，由9根直径14.2mm，长度为1.22米的铜镀钢接地棒组成。用放热焊接与均压环连接。共计4根避雷针。6.4 独立避雷针与变电所电气设备的接地部分、架构接地部分之间的空气间距不小于5米；地中距离不小于3m。6.5 在变电站地表铺设厚度为0.1m厚的碎石，以满足跨步电压和接触电势
22、的要求。6.5 连接采用CADWELD放热焊接。6.6 接地示意图如下所示。接地电阻计算1 水平均压环接地电阻： （依据DL/T621-1997） 其中： 土壤电阻率 100.m A 接地网面积 4209m2R 0.77 2 单组6m深垂直接地极接地电阻： （依据DL/T621-1997） 其中： 土壤电阻率 100.m l 单根垂直接地极深度 6m d 单根垂直接地极等效直径 1.42cmR =193 32组6m深垂直接地极接地电阻： (依据BS7430-1991)R = 0.974 地网总电阻： 其中： 并联系数 R = 0.45 0.5 满足设计要求5 独立避雷针3组10m深垂直接地极接
23、地电阻： (依据BS7430-1991)R = 9.2 10满足独立避雷针接地电阻要求。接地导体热稳定性计算1 110kV 接地主网的热稳定校验 （依据DL/T621-1997） 其中：Ig 110kV单相接地短路电流 21.248 kA te 短路持续时间 1.5s C 30%导电率铜镀钢绞线热稳定系数为：176Sg = 147 mm2Sg*0.75 = 111 mm2所以选择150mm2的30%导电率的铜镀钢绞线作为接地引下线，120mm2的30%导电率的铜镀钢绞线作为接地主网可以满足热稳定性的要求。2 垂直接地极的热稳定校验 （依据DL/T621-1997） 其中：Ig 110kV单相接
24、地短路电流 21.248 kA te 短路持续时间 1.5s C 铜镀钢接地棒的热稳定系数：135Sg = 192 mm2垂直接地极的截面积为 ：Sg*75% = 144 mm2所以选择直接为14.2mm，截面积为158 mm2 的铜镀钢接地棒可以满足热稳定性的要求。3 铜在地下的腐蚀：土壤编号埋地时间（年）年平均腐蚀厚度（mm/年）3113.70.0003004822713.60.000426723613.50.00067564213.40.00069342513.40.00110236713.40.00110236913.40.001173482613.40.00044453013.40.
25、000311154113.40.001013464713.40.00119126613.30.0003609341013.20.003040382413.20.00065786上表数据来源于美国接地开挖研究委员会在美国的测试数据。通过上表可以得知，铜层的最大年平均腐蚀为0.003mm/年。所以铜层的30年腐蚀厚度为0.09mm。铜的腐蚀可以忽略不计。接触电势与跨步电势的验算 1 已知量定义与数值：土壤电阻率： 100 .m表层地坪电阻率s: 2500.m表层地坪厚度hs： 0.1 m接地短路持续时间t： 1.5 s接地网的面积A ：4209 m2水平接地网的埋深h ：0.8 m单相短路故障电流
26、值In ：21248 A2回进线的分流系数Sf ：0.6接地网单网格长度L1 ：8.6 m接地网单网格宽度L2 ：7.6 m延长方向布置的均压带根数n1：9根延宽方向布置的均压带根数n2：9根2 计算用入地短路电流： （依据DL/T 621 -1997）I = 12748.8 A3 人体允许电势： （依据DL/T 621 -1997） （依据DL/T 621 -1997）Cs = 0.7 Ut = 384 VUs = 1142 V4 装置电位升 （依据DL/T 621 -1997）U = 5737 V5 接触电势 Ktd = 1.1 Kth = 0.166 Ktl= 0.166 Ktmax =
27、 17.8 Ktn = 0.1 Kts = 1.12 Ktmax = 0.06 Et = 371 V 小于接触电压允许值5 跨步电势 Ksd = 0.25 Ksh = 29 KsL = 0.73 Ksmax = 0.07 Ksn = 1.08 Kss = 0.086 Ksmax = 0.036 Es = 210 V 小于跨步电势允许值4.材料选型:1 垂直接地极选用美国艾力高公司生产的ERITECH铜镀钢接地棒，铜以分子的形式电镀在高强度钢芯上，厚度可达0.254mm，任意弯折铜层不脱落，不起皮，拥有国际UL认证证书。接地棒直径1.42cm，单根长度1.22m，可通过连接器组合成任意长度。铜镀
28、钢接地棒 2 焊接工艺选用美国艾力高公司提供的CADWELD放热焊接工艺进行接头的连接。该工艺焊接的接头电阻小于导体本身，强度优于导体，接头被铜层覆盖因此抗腐蚀性和导电性均非常出色，接头内部无空隙，是真正的分子结合。该工艺操作简单，省时省力，对操作者无资格证书要求，接头仅凭外观即可判定是否合格。焊接工具拥有国际UL证书，接头拥有加拿大安达略水利试验室出示的检测证书，保证了接头良好的导电性和抗腐蚀性。模具实体图放热焊接操作流程图 焊接完成接头（十字型） 接头剖面5.材料清单:序号品名型号规格数量单位备注1垂直接地体615880230根2铜镀钢绞线120mm21300米3铜镀钢绞线150mm240
29、0米4连接器CR58180个尖头CT5844个放热焊接接点500个抗冲击螺栓DS584个附件1镀铜钢棒接地极与传统接地系统的性能价格比比较项目传统接地系统镀铜钢棒接地系统工程费用材料费低施工费高(占地面积大)其他费用高(打深井等)适中低无接地材料钢材(镀锌扁钢或角铁)铜钢或铜材合金连接方式电焊电气性能不稳定,接触电阻大放热焊接电气性能稳定,没有接触电阻导电性能导电性良好导电性好,是钢材的八倍防腐性能钢材差镀锌钢一般铜材的耐腐性是钢材的十倍是镀锌钢的三倍接地效果不稳定,接地电阻会持续上升很稳定,接地电阻会保持在一个较稳定的水准使用年限不到十年,须定期维护完全免维护综合比较通过上述比较,铜镀钢接地系统虽然一次性投入比传统接地系统多些,但它的寿命长,性能稳,免维护的独特性能和优势是传统接地方式无法比拟的.目前在我国的华北,华东电力集团以及各主要城市电厂和变电站已普遍采用。附件2国内市场各种焊接工艺比较比较项目CADWELD PLUS国内其它焊接生产工艺1、此工艺由ERICO公司发明,并第一个运用于商业运用；2、CADWELD PLUS为第三代焊药；3、全自动化生产, 产品质量稳定；4、制造设备相当昂贵；5、技术要求高,需要专业技术支持。1、焊药为原始的第一代焊药；2、生产工艺比较简单；3、制造设备比较便宜；4、技术要求较为简单，不需要很多专业人
