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铜接地在变电站中的应用

2017-2-23 15:18:57 次浏览

铜接地在变电站中的应用
1
概论


随着电力系统的发展,对接地的要求也越来越高。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选择品质好的接地材料和可靠的连接。

目前,河南及华中地区主要采用镀锌扁钢作为接地材料,而北京、上海、浙江、江苏、山东、广东等地区早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熔接技术。在国外,铜材作为接地材料已有超过100年的历史,国内电力行业较普遍使用也有十多年。近期,华中某变电站做铜接地试点,取得非常好的效果。


2
接地理论


接地种类和目的


随着科技的发展特别是大量微电子设备的使用,接地的种类越来越多,通常可分为两类,即保护性接地和功能性接地。不论那种接地,不外乎两个目的,一是保障设备和人身的安全,二是保证系统、设备正常稳定的运行。


接地性能


对电力系统的变电站,各种接地共用一个接地网。接地系统品质在于安全性和稳定性的目的,具体表现在可靠性、耐腐性、电阻值和安全电压等方面,这些性能取决于接地材料、连接方式、敷设布置及其它隔离绝缘等综合手段,显然,接地材料和连接方式是决定接地系统品质的最重要环节。


3
接地材料及选择


常用的接地材料有钢、铜和铝等,由于铝的耐腐性和机械强度差,工程中基本不采用铝做接地,为提高耐腐性钢接地要采用镀锌钢。我国变电站接地体早期均采用钢,其主要原因是当时国情所决定并一直习惯沿用下来。与热镀锌钢接地体相比,铜接地体在导电性能、耐腐蚀性和施工便利方面有很大的优越性。


性能比较


(1) 铜接地体导电性能好


铜和钢在20˚C时的电阻率分别是17.24×10-6(Ω.mm)和138×10-6(Ω.mm),由此可见铜的导电率是钢的8倍。铜的熔点为1083˚C,短路时最高允许温度为450˚C,而钢的熔点为1510˚C,短路时最高允许温度为400˚C。从热稳定性上看,截面相同时,铜材较好。


(2) 铜的耐腐性强


交流接地体的腐蚀主要发生电化学腐蚀,腐蚀机理是发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀,腐蚀速度受土壤的电阻率、含水量、含氧量、酸碱度、电解质、杂散电流及土壤的压实情况影响。

钢对铜而言是活泼金属,自然电位低,容易被腐蚀。锌比钢更为活泼,所以镀锌钢的镀锌层抗腐蚀性极为有限,反而降低了导电性能,对高频故障电流的集肤效应尤为明显。钢材是逐层被腐蚀的,同时无法避免接头部位经过高温电弧焊接加工后的点腐蚀情况,寿命一般不超过10年。

而铜腐蚀不存在点蚀情况,属表面均匀腐蚀,铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/5~1/10。铜的表面会产生附着性极强的氧化物(铜绿),对内部的铜起了很好的保护作用,阻断了腐蚀的形成,对同在地下的其它金属(钢结构、水管、气管、电缆护套等),铜作为阴极不会受腐蚀,腐蚀的是后者。铜接地网截面选择时可不再考虑腐蚀的影响。



截面比较



计算用故障电流原则上应按变电所远景最大运行方式,站内发生接地故障时的故障电流,当系统情况不是十分明确时,按相关资料及其他地区的经验,一般500kV系统单相接地短路电流按50-65kA设计,220kV单相接地短路电流按30-50kA设计,110kV单相接地短路电流按10-30kA设计。


1)Sverak方程式


做接地网的设计首先要选择接地材料的截面。按照美国IEEEStd80大纲,接地线的最小截面应满足Sverak方程式:

1490157995(1).jpg

将Sverak 方程式代入相关参数,可进行简化。


2)DL/T621中的计算公式


我国电力行业标准《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997),根据热稳定条件,接地线的最小截面应符合下式要求:

blob.png 

此公式和Sverak方程式简化后一致,故仅以此式计算讨论。


3)最小截面的计算


对110kv系统,不考虑分流时最大短路电流取30kA,短路等效持续时间一般取0.7s。

选用接地铜材的最小截面为 :

blob.png

选用接地钢材的最小截面为 :

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4)比较结论

从上述计算得到,选用铜接地线只需钢的三分之一,接地体也是如此,考虑到腐蚀,钢材的截面还要增大。


材料选择


△根据材料的耐腐性导电性能,选用铜材接地系统性能好、寿命长,且需要的材料更少。

△接地线可选择多股绞铜线和铜排,考虑整体机械强度及耐腐性,铜排更可靠;根据上述计算,110kV变电站铜接地引下线的截面最小应选取120mm2,根据系统5~10年发展规划,考虑一定的富余量,在春藤等3个110KV变电站,铜接地引下线的选取40x4mm2的铜排。水平接地体截面根据(DL/T621-1997)规定,取接地引下线的75%即可,为方便可靠,水平接地体和接地线选用同规格的铜排。

△铜接地是今后变电站接地的发展方向。


4
接地体连接方式及选择


传统连接方式


目前主要有铜银焊连接法、压接连接法、螺栓连接法三种连接方式

铜排之间、铜排与裸铜绞线之问、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,焊接接头的性能主要取决于操作技术工人的经验和熟练程度,且不易表面观察和检验,所以,铜银焊连接法在电力工程接地系统实际施工中很少应用。

铜排与铜排之间可以钻孔再用螺栓连接,这种方法在变电站主变的三相引入线常常用到;裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接可以使用压接套管连接法,这种方法比较适用于两条裸铜绞线一字对接,其它T型和十字交叉连接,只有特殊接线线夹(板)螺栓连接;铜排、裸铜绞线之间或者与接地极之间,就只能采用螺栓连接法和压接连接法配合使用。压接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。


放热火泥熔接连接法


放热式火泥熔接,利用化学反应产生的高温来完成导体的连接,整个过程需时很短(仅数秒),反应所放出的热量足以使被熔接的导体端部融化形成永久性的分子合成。


(1) 火泥熔接接头的特性:

a)外形美观一致;

b)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;

c)具有较大的散热面积,通电流能力与导体相同;

d)熔点与导体相同,能承受故障大电流冲击,不至熔断。

放热熔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;甚至可以实现导体间不同形状的连接;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,已逐步得到推广应用。


(2) 火泥熔接的优点:

a)焊接方法简单,容易掌握,无需外接电源或热源;

b)供焊接用的材料、工具很轻、搬动方便;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;

c)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,放热熔接已通过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,放热熔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。


连接方式选择


采用铜做接地材料,是提高接地系统性能的一个方面,采用可靠的连接方式是保证接地系统性能的另一方面。使用了不可靠的连接方式,接触电阻大,在故障情况下造成发热,使连接头的品质大为降低,接头最高允许温度大大低于导体本身,承受电流的能力也大大低于导体本身。

下面表格是从IEEE  Std80中数据摘录得出,以接地线为例列出各种连接头最高允许温度,并按10000A的故障电流,最长持续时间为3秒(亦则相等于断路器的短时间额定的长度),计算出采用不同连接方式,所用铜线的最小截面积(避免熔化)。


连接方式

铜线本身

火泥熔接

铜银焊

压接接头

螺栓连接

最高允许温度(oC)

1083

1083

450

350

250

铜线截面积(mm2)

61.49

61.49

80.54

88.68

102.19


从表中可看出:要承受同样的故障电流,接头的连接越不可靠,接地线需要的截面就越大。选择接地线大小尺寸时必须同时考虑其连接方法在内,若采用火泥熔接法,单就接地铜线的使用量可节省很多,由表对照,比铜银焊接可节省31%,比压缩连接最少节省44%, 比螺栓连接可节省66%。接地体所能承受的故障电流,需要的材料和连接头品质同样有上述关系。


5
设计选型和优化措施


由于铜材的造价要高于钢材的造价,采用铜接地网设计后,往往提高了变电站的工程投资,在充分研究了铜的特性后,可采取以下措施降低接地网投资:

(1)采用铜接地网,设备引下线的截面仅为160mm2,水平接地体截面可以采用120mm2;较采用镀锌扁钢的接地网,接地体的截面大为减小。

(2)采用铜接地网,由于铜的高导电性和耐腐能力,接地体的截面无须考虑腐蚀性而人为增大。

(3)铜接地体采用了火泥熔接工艺,由于接头的耐高温和承受电流能力和接地体相同,截面也无须考虑连接问题而人为增大。

(4)针对镀锌钢接地,按《二十五项反错要求》重要设备需采用双接地引下线,且应接入主接地网的不同网格。采用铜接地网后,可以不考虑接地引下线的腐蚀,因此可以选用单接地引下线。

(5)为减少水平连接点,水平接地体选用成卷的铜绞线或定制成卷的铜排,同时便于敷设和运输。

(6)加深设计深度,优化导体的敷设和放热熔接连接方式,减少接点,控制投资。


6
工程实例比较


以华中某变电站的接地网设计为例,对铜接地网与钢接地网设计的技术、经济两方面进行比较。


材料表


采用镀锌钢接地设计的材料表见表1,采用铜接地设计的材料表见表2。

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材料费


根据表1、表2所列材料,并考虑相关费率后,取:镀锌钢5500元/吨,铜65000元/吨;钢接地单个焊接点费用30元,铜接地单个焊接点费用110元。

经计算,采用镀锌钢接地网的主材质量约为6.7吨,初期投资费用合计为48850元,采用铜接地网的主材质量约为1.8吨,初期投资费用合计为150000元;所以由接地主材计算,铜接地材料和连接费用大约是镀锌钢的三倍。



维护与改造


但采用镀锌钢接地的变电所投运10年左右,均需投巨资开挖检查改造,同时接地网改造施工难度大,常在变电所不停电的情况下进行,需生产运行、施工及设计单位几方协同,消耗了大量的人力、物力;同时镀锌钢的焊接接头的抗腐蚀性能及通流能力远远不及铜接地网的放热熔接接头。综合考虑铜接地网不需改造,从长远利益考虑是值得投资的。


铜接地网施工方便


由于铜导线柔性好,容易敷设,需要绝缘时也容易穿管或加热缩管。铜排、铜导线的机械强度高,能成卷供货,便于机械化施工。由于采用放热火泥熔接,操作方便,加快了施工进度,节省了人工费用,简化了施工工艺。放热熔接头的材质和接地导体相同,不需要另做防腐处理。


7
结论


综上所述,与钢接地体相比而言,铜接地体具有导电性能、热稳定性能好,耐腐蚀能力强,施工方便,可加快工程进度,寿命长,投运后减少了检验维护工作量,并对土壤无污染,但初期投资有所增加,但从长远利益考虑,采用铜接地网是合理的。

接地网的焊接工艺,直接影响接地网的质量,铜接地网由于耐腐蚀性能好,选材尺寸较小,便于采用放热熔接工艺,提高焊接质量。


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