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新型接地材料在城区配电网中的应用

作者:易发游戏 来源:本站原创 日期:2020-01-17 01:37 点击: 

  作者通过叙述目前我国配电网采用镀锌钢材接地的现状, 以及采用镀锌钢所带来的接地的主要问题。提出采用镀铜钢接地棒作为配电尤其是城市配电网接地主要材料的情况,通过对腐蚀情况,导电性能、接地效果以及非开挖形式施工特点来比较镀铜钢接地棒与传统角钢作为接地材料的技术性能;通过镀铜钢接地棒与角钢在实际配电系统中应用的经济比较,来说明在配电系统尤其是城市配电网中采用镀铜钢接地棒取代角钢作为主要垂直接地极的合理性和必要性,以及在城市配电系统中应用镀铜钢接地棒的可行性。

  随着国民经济的快速发展,不间断的优质供电对各行各业及人民生活显得越来越重要,因此,这就要求供电企业要不断提升管理水平,不断提高供电可靠性,最大限度满足用户的生产生活的需要,确保电力的有效供应。减少线路遭雷击跳闸故障对配电网接地装置的要求也越来越高。

  良好的接地系统应具备以下两个主要条件:1、接地电阻应尽可能低,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。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,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。

  目前,传统的接地体大多采用镀锌角钢材质,根据近五年的数据统计,我们在施工与维护过程中使用的传统的镀锌角钢接地装置存在以下几个问题。

  传统接地装置采用2.5米长角钢作为接地体,四根角钢通过圆钢相距2米焊接为一组,根据国家标准需将角钢垂直埋入地下。为了满足接地电阻和雷击电流释放要求,有时需要两组、三组甚至更多才能达到要求。安装接地装置时需开挖一条宽约0.6m、深0.8m、长8~25m的深坑。

  遇到回填土较多的施工现场,2.5米的角钢无法打入地下,只有加大开挖深度。据测算传统的接地施工基础施工开挖、安装角钢、焊接及接头防腐处理、修复路面耗时多,完成一组接地平均需要4~5个小时。

  镀锌角钢接地网的腐蚀问题非常严重,虽然设计规定地网的寿命为30年,但实际上镀锌钢地网一般在5-10年腐蚀就相当严重。据调查发现,有时仅经过5年,对一些杆塔和配电变电站进行测量,往往接地电阻成为无穷大,也就是说接地系统被完全腐烂中断。这远少于设计的30年寿命。

  在城区特别是在老城区道路比较狭窄,在改造过程中,安装传统接地需要破坏水泥路面,规划报建手续繁多,施工中不但影响交通,而且开挖和恢复需要一笔不少费用。随着土地日趋升值,接地施工过程中遇到的纠纷有逐年上升的趋势。

  早期,我们在安装镀锌角钢接地时,是在现场打完接地体后,再用电焊将接地体用圆钢焊接。后为了减小工作量,先期制作四根一组的接地连接体,虽然减少了现场的工作量,但焊接和接头防腐处理仍然需要大量工作量。尤其在没有外接电源的情况下,还需要带上柴油发电机。

  在这几年的调查分析中发现,镀锌角钢接地体基本是点腐蚀,很多腐蚀点都是焊接点。再加上部分施工单位把关不严,导致地网中接头部分的腐蚀更加严重,从而严重影响地网的整体寿命。

  由于镀锌钢接地材料的种种缺点,以及近年来接地网事故的不断增多。目前部分地区已开始选用热稳定性能好、导电性能强、耐腐性强的铜材或镀铜钢材料做接地,其连接采用先进的放热焊接技术,而镀铜钢接地棒也由于其良好的防腐性能和微创手术式便捷施工工艺而在城市配电网中得到了大量的应用。

  在20˚C的温度下,铜的电阻率是17.24×10-6(Ω·mm),钢的电阻率为138×10-6(Ω·mm)。假设以铜的导电率为基准值1(即100%), 则角钢和镀锌圆钢的导电率仅为8.6%,镀铜钢的导电率超过20%,而镀铜钢绞线%。

  在雷击电流等高频电流作用下,镀铜钢材质会产生集肤效应,导电性接近与纯铜,远远高于钢接地体。另外铜相对与线倍,通过雷击电流或故障电流时,铜导体的阻抗远小于钢接地体,因此由阻抗导致的地电位升高而产生的侧击概率会大大减少。

  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,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。调研显示镀铜钢在欧美国家接地系统中普遍应用,可以埋入地下保证40年以上的使用寿命,热镀锌钢材只能用于设计寿命不超过15年的临时接地,且要定期检测接地电阻及锈蚀情况。

  铜的熔点为1083˚C,短路时最高允许温度为450˚C;镀铜钢材熔点为1084˚C,短时允许温度为450˚C;而钢的熔点为1510˚C,短路时最高允许温度为400˚C。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,镀锌钢接地体所需的截面积为铜材的三倍,是镀铜钢接地棒的2倍。

  对接地系统基本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:

  a.接地导体本身电阻;b.导体和土壤的接触电阻;c.土壤的散流电阻。其中c.土壤的散流电阻最为重要,它是接地电阻的重要组成部分,这由土壤的电阻率决定。从理论上分析,加大垂直接地极深度可以减少土壤的散流电阻,从而降低接地电阻。而增大垂直接地极直径来降低接地电阻效果并不明显。

  从物理过程上看,雷电流的幅值很大(从数十千安到数百千安),同时,雷电流的等值频率很高。所以,对于同一接地装置,由于雷电流的幅值大,会使地中的电流密度增大,从而提高了地中的电场强度(Ex=ρδx =ρ(Im/(2πr2x)),在接地体表面附近尤其厉害。

  当地中电场强度超过土壤的击穿耐电强度时,会发生局部火花放电,使土壤的电导增大,而电阻率下降。试验证明,在土壤电阻率为500Ω·m,预放电时间为3-5s, 土壤的击穿场强为6-12kV/cm。因此,同样的接地装置在幅值很高的雷电冲击电流作用下,其接地电阻要小于工频电流下的数值。这一现象称为火花效应。

  另一方面,雷击电流的等值频率很高,使接地体自身呈现出的电感特性,会阻碍雷击电流向接地体(主要是指较长的水平接地体)远端流通,在接地体较长时,这种影响更是明显,从而使接地体得不到充分的利用,这样就使冲击电阻大于工频接地电阻。此现象称为电感效应。

  镀铜钢棒和镀铜绞线mm的铜层,在雷电流情况下,起主要导电作用的是该铜层。材料的电感系数主要取决于该种材料的磁导率,并与之成正比关系,我们得到铜为非磁性材料,其磁导率相对于线,而扁钢和角钢的磁导率为700-800,可从中得出镀铜钢棒的电感系数大约相当于角钢扁钢的1/700-1/800。

  从中可得出镀铜钢棒的冲击电阻比相同尺寸的角钢的电感因素的冲击电阻要小很多,但两者的土壤火花效应相同。所以镀铜钢棒的冲击电阻要小于角钢的冲击电阻。

  在输电线路接地设计时,冲击接地电阻是一个相当重要的参数。在冲击电流作用下,接地装置的冲击接地电阻一般低于工频接地电阻,但是冲击接地电阻因土壤性质,冲击电流峰值及波形、接地装置的几何形状不同而相差很大。因此在接地装置实际设计中,仍以正常工频电阻值作为考虑的依据,同时考虑一定的降低幅度。通常如果工频接地电阻达到要求,冲击接地电阻也达到了要求。

  综上所述,镀铜钢材料的接地网相对钢材料的接地网来说,能够更好的泄放雷击电流,保障线路安全。

  通过综合比较,镀铜钢棒接地系统具有寿命长、导电性能稳、耐腐性强、接地效果稳定、使用年限长、免维护、施工方便等优异性能。在城市配电网接地系统中得到广泛的应用。

  采用镀铜钢接地材料,安装时只需在电杆基础边挖半径为0.05米的基础即可垂直打入,节约施工成本、减少施工量,减少了施工维护费用。镀铜钢绞线和镀铜钢接地棒的连接则采用放热焊接技术。

  CADWELD放热焊接是真正的分子结合,内部无空隙,接头电阻与导体一致,焊接过程简单快速,不需要外部电源、设备或特殊培训。连接后两个导体视为同一个导体。

  通过镀铜钢接地应用,避免了城区路面开挖,每处节约土地使用面积近15平方米,既节约费用又提高安装效率,取得了良好的经济和社会效益。

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