鍍銅鋼系列
合金接地極
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鋅包鋼系列
放熱焊接系列
石墨烯系列
接地五金件鍍銅接地網與鋼接地網、純銅接地網的技術
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概述溪洛渡右岸送電廣東500KV同塔雙回直流輸電工程是設計院重點項目之一，其安全性和可靠性始終放在設計的第一位，其中，接地網由于其隱蔽性和特殊性，材料的選擇一直是設計人員考慮的重點。鍍銅鋼接地材料是一種新型工藝，在全球已經得到了廣泛的應用，鍍銅鋼接地材料在抗腐蝕性和施工工藝等方面的優勢，完全能夠替代純銅接地網和鋼地網，使用壽命能達到50年以上，且后期無需維護和改造。鍍銅材料采用連續電鍍銅枝術，垂直接地極采用在直徑17.2合金鋼表面電鍍0.254厚銅層有效保證50年壽命，水平網采用鍍銅圓鋼成圈供應有效減少焊點次數并提高可靠性，焊接采用世界先進的電子放熱焊接，瞬間放熱溫度為2700多度不需要提供外接電源有效保證焊點的全熔合。地材料的革新，是電站接地網的壽命和可靠性的有力保證，是接地安全系統的一次飛躍。在整體經濟比較方面，全站地網增加投資不是很大，從長遠考慮，平均費用遠遠低于傳統接地材料，值得長期全面的推廣。隨著電力系統的發展，對變電所接地設計的要求也越來越高。長期、可靠、穩定、經濟的接地系統，是維持設備穩定運行、保證設備和人員安全的根本保障，符合國家所提出的可持續發展、變電站全壽命管理的宗旨。接地系統長期安全可靠運行的關鍵在于品質好的接地材料和可靠的連接。本報告首先從從技術角度比較分析了鍍銅接地網、銅接地網和鋼接地網的特點；其次，對鍍銅接地網、銅接地網與鋼接地網的經濟性進行比較分析。2.技術比較耐腐蝕性：接地體的腐蝕主要有化學腐蝕和電化學腐蝕兩種形式，多數情況下，這兩種腐蝕同時存在。銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10~1/50，而且電氣性能和物理性能穩定。銅的表面會產生附著性極強的氧化物（銅綠），對內部的銅有很好的保護作用，阻斷腐蝕的形成。鋼材在地下發生的是點腐蝕，其腐蝕狀況如下所示：圖1某濱海城市接地鍍鋅扁鋼在3年之內發生的點蝕情況（鋼材表面布滿腐蝕坑，邊緣腐蝕成刀口狀）圖2某內陸城市電纜溝接地扁鋼發生的大氣環境中的點蝕圖3某內陸城市變電站接地網（不連接設備埋設180天的點腐蝕情況，鍍鋅鋼表面布滿大量直徑超過3mm，深度超過1mm的點腐蝕坑）圖4某濱海城市變電站接地網（不連接設備埋設380天的點蝕情況，鍍鋅鋼表面布滿直徑超過3mm，深度超過2mm的大腐蝕坑）所以在增加鋼接地體截面來防止因腐蝕而導致的截面減少，無法承載接地短路電流時，應采用鋼材的點腐蝕速率，通過美國聯邦標準局（NBS）在1910年至1950年做的金屬材料腐蝕性研究報告NO.579可知，國際標準認定的鋼材平均點腐蝕速率0.43mm/年（如圖所示），在鋼材表面鍍鋅保護鋼材的作用有限，國內熱鍍鋅工藝處理的鍍鋅層厚度為0.05~0.06mm，鋅在地下也發生點蝕，其平均點蝕速率約為0.065mm/年，因此鋅層一年后腐蝕殆盡。另外從該報告中可知，銅材沒有點蝕的存在。鍍銅鋼接地棒1）鋼芯鍍銅接地棒鋼棒材料按GB/T905-1994《冷拉圓鋼六角鋼尺寸、外形、重量及允許偏差》，采用抗拉強度不低于600N/mm2的鋼材制造。2）銅層厚度依據國外UL467標準要求：鍍銅鋼接地棒棒身任意一點的銅層厚度不能少于0.25mm。銅層厚度可用符合ASTMe376標準的校準渦流（電磁）設備來測量。3）依據UL467附著力測試要求：將鍍銅鋼接地棒的一端斜切45度，夾在兩塊鋼夾板之間或虎鉗子之間，其間隙設置少于接地棒直徑1mm，以保證切削下足夠的銅層，將棒和銅層聯結的部分暴露出來。通過鋼板或鉗子剝下銅層是允許的，但是不允許有明顯的外套和鋼芯分離跡象是。4）依據UL467延展性測試要求：在室溫（25?0?2±5?0?2C）下，接地極的一段應該被加緊在夾具或鉗口上，用一個垂直于鍍銅鋼接地棒的力在距離夾具40倍鍍銅鋼棒直徑處，彎曲接地棒，使接地棒永久性彎曲成180度。鍍銅層無剝落或翹皮開裂，表面無任何裂痕。鍍銅圓鋼1)鋼芯由冷軋低碳鋼組成，采用電鍍工藝，以保證銅和鋼之間是分子聯結而不是物理連接；鍍銅層厚應＞0.25mm以上，鍍銅層要求：采用電鍍的方法在鋼芯外表先鍍上金屬鎳，再在鎳的表面鍍上銅以保證銅和鋼之間的粘合性，確保安裝使用過程中，銅層不起翹不開裂不剝落；2)鍍銅圓鋼符合IEC62305和EN62561-2等相關雷電保護標準。3)抗拉強度超過550N/mm?0?54)鍍銅圓鋼通過UL標準要求，具有UL證書，該證書可通過www.ul.com網站進行驗證。5)延展性測試：在室溫（25o±5oC）下，接地棒的一端應該被加緊在夾具或鉗口上，用一個垂直于鍍銅圓鋼的力在距離夾具40倍于鍍銅圓鋼彎曲處，使其永久性彎曲成180度，鍍銅層應無剝落或翹皮開裂，表面無任何裂痕。6)銅附著力測試：將鍍銅鋼接地棒的一端斜切45度，夾在兩塊鋼夾板之間或虎鉗子之間，鋼夾板之間或虎鉗子之間的間隙設置少于鍍銅圓鋼直徑1mm，以保證切削下足夠的銅層，將鋼芯和銅層聯結的部分暴露出來。在鋼芯和銅層之間不允許有明顯的分離跡象。接地體連接方式只有可靠的、牢固的鏈接才能保證接地網的運行可靠性。目前，鋼接地體之間的連接均為傳統的電弧焊接方式，高溫電弧會破壞接地體接頭部位的鍍鋅層，有可能導致點腐蝕的出現，嚴重影響接地體的壽命。銅接地體的連接方式一般為放熱焊接連接法，利用活性較強的鋁把氧化銅還原，整個過程時間很短，反映所產生的熱量足以使被焊接的導線端部融化形成永久性的分子合成。目前銅接地體主要有以下兩種種連接方式：（1）銅銀焊連接法扁銅條與扁銅條之間、扁銅條與裸銅絞線之問、裸銅絞線與裸銅絞線之間的連接都可以使用銅銀焊連接法，常用的銅銀焊接有乙炔焊、電弧焊等，但焊接都只是表面搭接，內部并沒有熔合，接頭不致密，性能只比壓接和螺栓連接略好，焊接接頭的性能還要取決于操作技術工的熟練程度，特別是銅焊，即使是持有特殊工種上崗證，也比較容易出現一些焊接缺陷，無法從表面觀察合格與否。使用銅焊時，尤其是大截面導體的銅焊，對于現場的操作和施工環境有比較高的要求，但是電力工程接地系統都是在野外，施工環境惡劣，無法滿足銅焊所需的焊接環境。基于以上原因，銅銀焊連接法在電力工程接地系統實際施工中很少應用。（2）放熱焊接連接法放熱焊接利用活性較強的鋁把氧化銅還原，整個過程需時很短（僅數秒），反應所產生的熱量足以使被焊接的導線端部融化形成永久性的分子合成。銅基放熱反應的一般公式是：3Cu2O+2Al→Al2O3+6Cu+熱量放熱焊接接頭的特性：1.外形美觀一致；2.連接點為分子結合，沒有接觸面，更沒有機械壓力，因此，不會松弛和腐蝕；3.具有較大的散熱面積，通電流能力與原導體相同；4.接頭電阻低，能承受故障大電流沖擊，不至熔斷。放熱焊接可以完成各種導線間不同方式的連接，如直通型、丁字型、十字型等；還可以完成不同材質導線的連接。這種焊接方式操作簡單、焊接速度快，而且接頭的耐腐蝕性好、電阻低、連接可靠，在國際上獲得了大規模的應用。放熱焊接的優點：1.焊接方法簡單，容易掌握；2.無需外接電源或熱源；3.供焊接用的材料、工具很輕、搬動方便；4.焊接速度快捷，節省人工；5.從焊接頭的外觀上便能鑒定焊接的質量；6.可用于焊接銅、銅合金、鍍銅鋼、各種合金鋼，包括不銹鋼及高阻加熱熱源材料。在國外，放熱焊接已通過UL標準嚴格論證，并被IEEEStd80大綱等規程中指定為接地導體的連接方式。綜上所述，放熱焊接是銅接地體的理想連接方式，方便快捷的操作、優秀的焊接質量是其他連接方式不可實現的。正是因為具備這樣可靠、牢固的連接方式，銅接地體的性能比鋼接地體更勝一籌。3.經濟比較3.1鋼接地體截面選擇根據IEEEstd80-2000標準關于鍍銅圓鋼的計算推導、省公司遼電生部【2009】12號文《關于下發<遼寧省電力有限公司交流電氣接地裝置應用導則>（試行）的通知》以及電科院相關熱穩定性試驗數據，鋼接地體的熱穩定系數為70，鍍銅圓鋼的熱穩定系數為135，純銅的熱穩定系數為210。根據電流和短路時間的長短，就可以計算出在同等的條件下，不同材料所需的截面積。接地體截面選擇忽略腐蝕的影響對銅接地體進行熱穩定校驗時，接地引下線的最小截面應滿足下式：eggtCIS式中：gS—接地引下線的最小截面，mm2；gI—流過接地引下線的短路電流穩定值，A（根據系統5～10年發展規劃，按系統最大運行方式確定）；et—短路電流的等效持續時間，s；C—接地引下線材料的熱穩定系數，根據材料的種類、性能及最高允許溫度和短路前接地引下線的初始溫度確定。單相接地短路電流按51kA設計。短路等效持續時間ofmetttt式中：et—短路電流的等效持續時間，s；mt—主保護動作時間，s；ft—斷路器失靈保護動作時間，s；ot—開關固有動作時間，s；根據系統保護整定時間，短路等效持續時間取0.4秒，純銅接地材料所需截面計算如下（單位：mm2）：6.1534.021051000gS純銅水平網所需截面為引下線的75%，即Sg×0.75=115.2所以當采用純銅地網時，應當采用50×5的純銅排作為接地引下線，水平接地體截面取150mm?0?5的鍍錫銅絞線。鍍銅鋼接地材料所需截面計算如下（單位：mm2）：9.2384.013551000gS鍍銅水平網所需截面為引下線的75%，即Sg×0.75=179.2所以當采用純銅地網時，應當采用直徑18mm（截面積254.34mm?0?5）的鍍銅圓鋼作為接地引下線，水平接地體取直徑15.8mm（截面積195.97mm?0?5）的鍍銅圓鋼。鋼引下線所需截面計算如下（單位：mm2）：8.4604.07051000gS鍍銅水平網所需截面為引下線的75%，即Sg×0.75=345.6當采用鋼地網方案時，除了考慮熱穩定校驗的因素外，還應當考慮鋼材的年平均點腐蝕厚度0.43mm/年。按照15年壽命考慮，鋼材腐蝕厚度為：0.43*150年=6.45mm。所以應當采用100×12的扁鋼作為接地引下線（要考慮引下線入地段的腐蝕情況而非單純的大氣環境腐蝕），水平接地體應當采用100×12的扁鋼。綜上所述，鍍銅與銅接地體的截面明顯小于鋼接地體。3.2材料統計銅接地方案的材料統計結果見表1，銅鍍鋼接地方案的材料統計見表2，鍍鋅扁鋼接地方案的材料統計結果見表3，表1采用銅接地設計的材料表序號名稱型號及規范單位數量備注1紫銅棒Φ20cm，L＝2500根586主接地網垂直接地體2鍍錫銅絞線150mm?0?5m40000主接地網3銅排50×5m40000設備引下線4焊接點個13000表2采用鍍銅鋼接地設計的材料表4序號名稱型號及規范單位數量備注1鍍銅鋼接地極Φ17.2mm，L＝2500m根586主接地網垂直接地體2鍍銅圓鋼直徑15.8mmm40000主接地網3鍍銅圓鋼直徑18mmm40000設備引下線4焊接點個10000表3采用鋼接地設計的材料表序號名稱型號及規范單位數量備注1熱鍍鋅角鋼L50×5L=2500根586主接地網垂直接地體2熱鍍鋅扁鋼－100×12m40000主接地網3熱鍍鋅扁鋼－100×12m40000設備引下線4焊接點個300003.3安裝工程預算表銅接地方案的造價見表4、鍍銅接地方案造價見表5，鋼接地方案的造價見表6。表4基本直接費明細（純銅）編號項目名稱及規范單位數量單價其中合價其中人工費材料費機械費人工費材料費機械費1垂直接地極制作安裝（鍍銅鋼垂直接地極）根58623.1511.951.739.4713565.97002.71013.785549.422鍍錫銅絞線的鋪設10m8000222.69204.1318.5601781520163304014848003土方開挖及回填10m?0?6160041.212.5028.765920200000459204接地母線連接點10處13001501502430019500019500031590000主材費用明細編號單位數量單價合價5鍍錫銅絞線150mm?0?5主接地網m40000.00110.004,400,0006銅排5*50設備引上線m40000.00170.006,800,0007銅棒直徑20mm，長2.5m根586.00525.00307,6508損耗%1.0011,507,650.0011,507,650安裝工程取費費用名稱計算表達式金額一直接工程費[二]+[三]+[四]6,599,675二基本直接費[10]+[11]+[12]+[13]5,302,1939人工費人工費1,855,04310材料費材料費3,308,49411機械費機械費51,46912變電安裝工資調整[9]*4.7%87,187三其他直接費[13]+[14]393,08413冬雨季施工增加費[9]*12.85%238,37314施工工具用具使用費[9]*8.34%154,711四現場經費[15]+[16]904,39915臨時設施費[二]*3.15%167,01916現場管理費[9]*39.75%737,379五間接費[六]+[七]+[八]1,627,953六企業管理費[17]+[18]+[19]1,343,79317企業基本管理費[9]*35.54%659,28218職工基本養老保險和失業保險[9]*22%408,10919工會經費、教育經費和住房公積金[9]*14.9%276,401七財務費用[二]*1%53,022八施工機構轉移費[9]*12.46%231,138九計劃利潤([一]+[五])*7%575,934十稅金（[一]+[五]+[九]）*3.41%300,201十一含稅工程造價[一]+[五]+[九]+[十]9,103,764十二工程總造價主材費用+損耗+安裝工程取費32,119,064表5基本直接費明細（鍍銅鋼）編號項目名稱及規范單位數量單價其中合價其中人工費材料費機械費人工費材料費機械費1垂直接地極制作安裝（鍍銅鋼垂直接地極）根58623.1511.951.739.4713565.97002.71013.785549.422鍍銅圓鋼的鋪設10m8000222.69204.1318.5601781520163304014848003土方開挖及回填10m?0?6160041.212.5028.765920200000459204接地母線連接點10處1000253010024300253000010000024300000主材費用明細編號單位數量單價合價5鍍銅圓鋼直徑15.8mmm40000.0093.003,720,0006鍍銅圓鋼直徑18mmm40000.00120.004,800,0007直徑17.2mm，長度2.44米鍍銅鋼接地棒根586.00290.00169,9408損耗%1.00868994086,899安裝工程取費費用名稱計算表達式金額一直接工程費[二]+[三]+[四]5,687,220二基本直接費[10]+[11]+[12]+[13]4,473,7289人工費人工費1,760,04310材料費材料費2,579,49411機械費機械費51,46912變電安裝工資調整[9]*4.7%82,722三其他直接費[13]+[14]372,95313冬雨季施工增加費[9]*12.85%226,16514施工工具用具使用費[9]*8.34%146,788四現場經費[15]+[16]840,53915臨時設施費[二]*3.15%140,92216現場管理費[9]*39.75%699,617五間接費[六]+[七]+[八]1,539,014六企業管理費[17]+[18]+[19]1,274,97517企業基本管理費[9]*35.54%625,51918職工基本養老保險和失業保險[9]*22%387,20919工會經費、教育經費和住房公積金[9]*14.9%262,246七財務費用[二]*1%44,737八施工機構轉移費[9]*12.46%219,301九計劃利潤([一]+[五])*7%505,836十稅金（[一]+[五]+[九]）*3.41%263,664十一含稅工程造價[一]+[五]+[九]+[十]7,995,734十二工程總造價主材費用+損耗+安裝工程取費16,772,573表6基本直接費明細(鋼材)編號項目名稱及規范單位數量單價其中合價其中人工費材料費機械費人工費材料費機械費1垂直接地極安裝根58630.8816.612.9111.3618095.689733.461705.266656.962扁鋼的鋪設10m8000216.08209.132.534.421728640167304020240353603土方開挖及回填10m?0?6160041.212.5028.765920200000459204接地母線連接點10處30003282104078984000630000120000234000主材費用明細編號單位數量單價合價5100×12扁鋼主接地網m40000.0075.803,032,0006100×12扁鋼設備引上線m40000.0075.803,032,000750×5角鋼根586.0025.0014,6508損耗%2.006078650121,573安裝工程取費費用名稱計算表達式金額一直接工程費[二]+[三]+[四]4,419,437二基本直接費[9]+[10]+[11]+[12]2,906,2969人工費人工費2,332,77310材料費材料費141,94511機械費機械費321,93712變電安裝工資調整[9]*4.7%109,640三其他直接費[13]+[14]494,31513冬雨季施工增加費[9]*12.85%299,76114施工工具用具使用費[9]*8.34%194,553四現場經費[15]+[16]1,018,82615臨時設施費[二]*3.15%91,54816現場管理費[9]*39.75%927,277五間接費[六]+[七]+[八]2,009,588六企業管理費[17]+[18]+[19]1,689,86117企業基本管理費[9]*35.54%829,06818職工基本養老保險和失業保險[9]*22%513,21019工會經費、教育經費和住房公積金[9]*14.9%347,583七財務費用[二]*1%29,063八施工機構轉移費[9]*12.46%290,664九計劃利潤([一]+[五])*7%450,032十稅金（[一]+[五]+[九]）*3.41%234,576十一含稅工程造價[一]+[五]+[九]+[十]7,113,632十二工程總造價主材費用+損耗+安裝工程取費13,313,8553.4指標及評價采用“年費用法”對兩種接地方案進行經濟評價。“年費用法”是指將技術方案在分析期內的總費用（包括投資及經營費用）按資金回收系數（總費用為終值時，則按償債基金系數）平均分配到使用年限的每年的費用，并比較年費用的大小，以年費用小的方案為優。年費用不但包含了年經營費用，而且還包含了投資因素，即包含了資金（或建設投資）的恢復費用，因此采用“年費用法”計算是本評價的最優選擇。年費用通用計算公式為：),,/)(,,/(]),,/(),,/([11nrPAmrPFtrFPUtrFPZGnmmttmt按照三種地網設計都為50年計由此得出：鋼接地網的年費用為：1331.3855×0.1030+(1331.3855/15×6%)×9.712＝188.86萬元需要說明的是，雖然設計時考慮了腐蝕的情況，但由于鋼地網的點腐蝕特性，地網仍無法保證50年的壽命，需要每隔幾年定期開挖檢測，以確定沒有點腐蝕現象發生，所以后續的開挖及檢測費用仍然高昂。而鍍銅地網和銅地網則無需進行后續開挖維護。純銅接地網的年費用為:3211.9064×0.0665+(3211.9064/50×6%)×15.046＝271.65萬元鍍銅鋼接地網的年費用為：1677.2573×0.0665+(1677.2573/50×6%)×15.046＝141.82萬元采用“年費用法”得到的經濟評價結果見表6。表6經濟評價項目單位鋼接地銅接地鍍銅鋼接地靜態投資萬元1331.38553211.90641677.2573施工期月422導通試驗、測試費用說明萬元／年5無無壽命期年15年5050年費用萬元188.86271.65141.82說明：導通試驗每年一次，等年計算；接地網測試6年一次，每年攤銷。可見，考慮綜合成本，鍍銅鋼接地方案比鋼接地方案和銅接地方案都經濟。3.5結論在技術上，鍍銅鋼接地相對于鍍鋅鋼接地有如下優點：（1）鍍銅鋼相對鋼接地網具有：導電性能優、熱穩定性能好、耐腐蝕能力強、施工方便、壽命長、投運后檢驗維護工作量少、無污染等優點。（2）采用鍍銅相對于采用鍍鋅扁鋼的接地網，接地體的截面大為減小，使施工成本和施工難度大幅度降低，加快了工程建設周期；（3）鍍銅采用放熱焊接，確保連接點為分子結合、無腐蝕、無松弛、導電能力和原導體保持一致。并且放熱焊接操作簡單快捷簡單，焊點美觀可靠，是真正可靠、牢固、永久的連接。（4）鍍銅圓鋼都可以成盤或成卷供應，倉促和運輸方便，并且可以連續的鋪設，導體間連接點更少。相對6米/根的扁鋼接地體，施工的速度更快，連接點更少，地網系統更可靠、穩定。根據綜合考慮，推薦技術優越且投資相對便宜的鍍銅鋼接地方案。
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