孔曉峰，陳新，張一軍，江應(yīng)滬，王斌，聶京凱

(1.金華電業(yè)局，浙江省金華市321001;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192)

0 引言

接地網(wǎng)是由垂直和水平接地極組成兼有泄流和均壓作用的網(wǎng)狀接地裝置［1］。用于電氣設(shè)備、桿塔的接地端子與接地體或零線連接的金屬導(dǎo)體，稱為接地線。接地體和接地線共同組成接地裝置［2］。作為接地裝置的可選材料種類繁多，包括黑色金屬、有色金屬、合金、非金屬等。接地體裝置的連接一般采用焊接或機(jī)械連接方式，其中接地線與設(shè)備或建筑體普遍采用螺栓和壓接線夾進(jìn)行連接;而接地極與接地線的連接則采用焊接，包括熔化焊和非熔化焊等。

1 常用金屬接地材料

1.1 接地材料的種類

目前國(guó)內(nèi)常用的接地材料包括鍍鋅鋼、純銅、銅覆鋼、不銹鋼等，上述材料中應(yīng)用范圍最為廣泛的是鍍鋅鋼材料。這主要是由于我國(guó)早期的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)多為借鑒前蘇聯(lián)的相關(guān)技術(shù)，并且銅資源相對(duì)緊張，但在其他國(guó)家或地區(qū)(除前蘇聯(lián)、中國(guó)和印度以外)，應(yīng)用銅材以及銅鍍鋼材料作為主要接地材料已有100多年的歷史［3］。

在實(shí)際應(yīng)用中，接地材料需滿足導(dǎo)電率、熔點(diǎn)溫度、耐蝕性和經(jīng)濟(jì)性的要求。其中，導(dǎo)電率決定材料的散流能力，熔點(diǎn)溫度決定其最高服役溫度，而導(dǎo)電率與熔點(diǎn)溫度共同決定了材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，具體過(guò)程可參考文獻(xiàn)［4］，材料的耐蝕性則決定了材料應(yīng)用環(huán)境。常用接地材料熱穩(wěn)定系數(shù)及相對(duì)價(jià)格如表1所示。

表1中主要列舉了熱鍍鋅鋼、導(dǎo)電率為20%～40%的銅覆鋼、軟銅?？梢?jiàn)隨著銅占導(dǎo)體比例的增加，導(dǎo)電率增大，熱穩(wěn)定系數(shù)上升，價(jià)格也隨之上升。

表1 常用接地材料熱穩(wěn)定系數(shù)與價(jià)格Tab.1 Thermal stability factors and prices of common grounding materials

1.2 鍍鋅鋼

熱鍍鋅鋼是將除銹后的碳鋼件浸入熔融態(tài)的鋅液中，使鋼構(gòu)件表面附著鋅層，從而達(dá)到防腐目的的常用材料。熱鍍鋅鋼通過(guò)熱鍍鋅層對(duì)鋼鐵基體起到物理屏障的保護(hù)作用，把鋼件與腐蝕環(huán)境介質(zhì)隔離開來(lái)，達(dá)到防腐的目的［5］。其熱鍍鋅層微觀形貌如圖1所示，鍍覆質(zhì)量(熱浸鍍工藝的控制)、鍍鋅層厚度都能影響熱鍍鋅鋼的耐蝕性能。

圖1 鍍鋅鋼鍍鋅層微觀形貌Fig.1 Microcosmic appearance galvanized steel zinc coatings

鍍鋅鋼的主要應(yīng)用形式包括鍍鋅扁鋼、鍍鋅圓鋼、鍍鋅角鋼、鍍鋅管等。

鍍鋅鋼接地體特點(diǎn)為:價(jià)格低廉，易于購(gòu)買，在干燥地區(qū)具有較好的耐蝕性;但鍍鋅層的熔點(diǎn)低(僅為419℃)，在高溫和電流作用下極易腐蝕失效，不適宜重腐蝕地區(qū)使用。

1.3 不銹鋼

不銹鋼作為接地體是通過(guò)添加合金元素，如鎳、鉬、鈦、鈮、銅等制造的耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼。不銹鋼種類繁多，用于接地的不銹鋼種類主要為1Cr18Ni9Ti鋼、304不銹鋼、316不銹鋼等。由于304不銹鋼的價(jià)格低廉，應(yīng)用最為廣泛。上述幾種不銹鋼主要通過(guò)材料中含有的大量鉻元素(不低于12.5%)，使鋼的電極電位發(fā)生突變，由負(fù)電位上升到正電位，從而阻止電化學(xué)腐蝕。304不銹鋼其腐蝕行為宏觀主要表現(xiàn)為點(diǎn)蝕［6］，微觀則主要為晶間腐蝕［7］。不銹鋼作為接地體的應(yīng)用形式多為不銹鋼管和不銹鋼包鋼，既可作為水平接地極也可作為垂直接地極使用。

不銹鋼接地體特點(diǎn)為:在所有土壤中(酸性、中性、堿性)具有較好的耐蝕性，服役可靠性高;但其導(dǎo)電率較低、價(jià)格較鍍鋅鋼高。

1.4 純銅和銅覆鋼

純銅由于其腐蝕電位高，因此相對(duì)于鍍鋅鋼在堿性土壤和中性土壤地區(qū)具有更好的耐蝕性。此外，由于純銅的熔點(diǎn)比金屬鋅高660℃左右，且導(dǎo)電率高，因此將銅作為接地體具有更高的熱穩(wěn)定系數(shù)。目前，純銅作為接地體的形式主要包括銅排、銅棒、銅絞線等，既可以作為水平接地體也可以作為垂直接地體。但其采購(gòu)價(jià)格較高，且為重金屬，對(duì)環(huán)境有一定影響，酸性土壤中，其耐蝕性與鍍鋅鋼相比無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)［8］。

銅覆鋼是以純銅的替代品為目標(biāo)發(fā)展起來(lái)的，以碳鋼為芯，在鋼芯表面包覆銅層。利用電流的趨膚效應(yīng)，在保證導(dǎo)體表層導(dǎo)流的同時(shí)大幅降低了純銅用量，降低了成本。目前國(guó)內(nèi)常用的銅覆鋼生產(chǎn)工藝包括:冷拉銅覆鋼、電鍍銅覆鋼、連鑄銅覆鋼。銅覆鋼接地體的特點(diǎn)為:耐蝕性與純銅接地體相當(dāng)，熱穩(wěn)定系數(shù)介于純銅與鍍鋅鋼之間，價(jià)格與純銅相比有一定優(yōu)勢(shì)，但仍比鍍鋅鋼價(jià)格高。

1.5 其他接地材料

除上述常用的交流接地金屬材料外，目前還出現(xiàn)了以碳鋼為基礎(chǔ)的錫包鋼、鋅包鋼、鉛包鋼、耐酸性土壤腐蝕鋼等，但都處于研發(fā)或試點(diǎn)應(yīng)用狀態(tài)，并未廣泛采用。

幾種常用金屬接地材料的具體參數(shù)價(jià)格見(jiàn)表2［4］。

表2 常用接地材料參數(shù)Tab.2 Parameters of general grounding materials

上述用于接地極的材料，同樣可用于設(shè)備與接地極的連接線，接地線一般應(yīng)用形式包括:絞線、圓線、帶、排等。由表1可知，不銹鋼的熔點(diǎn)最高、腐蝕電流最小，但其導(dǎo)電率過(guò)低;軟銅的熔點(diǎn)較高、導(dǎo)電率高，因此其熱穩(wěn)定系數(shù)最高;而銅覆鋼的導(dǎo)電率和熱穩(wěn)定系數(shù)介于軟銅和鍍鋅鋼之間，熱鍍鋅鋼的導(dǎo)電率高于不銹鋼，但其使用溫度最低，僅為400℃，因此熱穩(wěn)定系數(shù)最低。

在應(yīng)用環(huán)境中，鍍鋅鋼是短期投資最小的接地材料，在酸性土壤中耐腐蝕性能與紫銅或銅覆鋼相近，但在中性及堿性土壤地區(qū)其耐蝕性不及紫銅或銅覆鋼接地材料;不銹鋼的價(jià)格介于鍍鋅鋼與銅覆鋼之間，但由于其導(dǎo)電率低，因此截面積較大，實(shí)際投入成本較大。不銹鋼的腐蝕電流小，適用范圍較廣，作為接地材料可適用于全部土壤;其他新型接地材料如鋁包鋼、鋅包鋼、錫包鋼、耐酸性土壤腐蝕鋼等還未廣泛應(yīng)用，因此不具示范性。

2 連接方法

2.1 機(jī)械連接

機(jī)械連接主要指通過(guò)螺栓或壓接線夾(夾具)進(jìn)行連接，多用于接地線與接地體或者接地線與建筑體、設(shè)備之間的連接。通常壓接線夾(夾具)與螺栓配合使用。機(jī)械連接的特點(diǎn)為:(1)結(jié)構(gòu)及施工簡(jiǎn)單;(2)壓接線夾形式多樣，有一字連接、十字連接等多種形式，線夾上一般有螺栓孔，便于線夾與設(shè)備或建筑體通過(guò)螺栓、墊圈進(jìn)行連接;(3)應(yīng)用廣泛，幾乎可應(yīng)用于所有種類接地體與接地線的連接。

機(jī)械連接用材主要包括:各類設(shè)備線夾、夾具和螺栓。

2.2 電弧焊

由于國(guó)內(nèi)大量應(yīng)用鍍鋅鋼作為接地材料，而電弧焊是連接鍍鋅鋼最為適宜的方法，因此其應(yīng)用較為廣泛［9］。

電弧焊的特點(diǎn)為:(1)設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，焊接時(shí)不需要復(fù)雜的輔助設(shè)備，只需配備簡(jiǎn)單的輔助工具;(2)操作靈活，適用性強(qiáng)。電弧焊適用于焊接少量或批量的接頭，在狹小、不規(guī)則、任意的位置處焊接，可達(dá)性好，便于野外作業(yè)。

但是在接地網(wǎng)的連接上，電弧焊也有以下缺點(diǎn): (1)接頭可靠性差，所有焊縫均為線連接，母材附近熱影響區(qū)組織粗大，在腐蝕介質(zhì)與電流的共同作用下極易發(fā)生腐蝕失效，因此國(guó)家電網(wǎng)公司在18項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施中要求接地網(wǎng)開挖期限不超過(guò)5年［10］;(2)勞動(dòng)條件差，對(duì)焊工操作技術(shù)要求高，隨機(jī)性較大;(3)生產(chǎn)效率低;(4)接頭需做焊后防腐處理，如采用防腐涂料、瀝青等進(jìn)行涂覆。

2.3 氣體保護(hù)焊

氣體保護(hù)焊的種類較多，包括熔化極氣體保護(hù)焊和非熔化極氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體包括氬氣(Ar)、氦氣(He2)、二氧化碳(CO2)等。在接地連接領(lǐng)域中，氣體保護(hù)焊主要用于不銹鋼(1Cr18Ni9Ti鋼、304不銹鋼、316不銹鋼)接地材料的連接，焊接設(shè)備主要采用鎢極氬弧焊。

鎢極氬弧焊的特點(diǎn)為:(1)作為保護(hù)氣體不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，焊接過(guò)程中的冶金反應(yīng)容易控制，焊接中不需要使用焊劑，焊后不需要去除焊渣;(2)焊接工藝性能好，焊接過(guò)程無(wú)飛濺物，焊縫成形美觀; (3)電弧具有陰極清理作用;(4)熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調(diào)整。

用于不銹鋼接地極的鎢極氬弧焊，也具有缺點(diǎn)及局限性:(1)焊接速度較慢，焊接生產(chǎn)率較低;(2)對(duì)工件表面狀態(tài)要求較高;(3)需采取防風(fēng)措施;(4)采用的氬氣較貴，且氬弧焊機(jī)復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。

鎢極氬弧焊針對(duì)常用的3種不銹鋼接地材料，可選焊材分別為:H1Cr18Ni9Ti鋼、ER308/H/L鋼、ER316/H/L鋼。

2.4 釬焊

釬焊主要應(yīng)用于早期純銅接地極和銅覆鋼接地極的連接，由于使用較為昂貴的銅銀釬料，且附件較多，目前已經(jīng)很少使用。在野外焊接中，往往采用火焰釬焊作為焊接熱源。

由于加熱溫度較低，因此釬焊對(duì)工件材料的性能影響較小，焊件的應(yīng)力變形也較小。但釬焊接頭的強(qiáng)度一般比較低，耐熱性能較差?；鹧驸F焊的缺點(diǎn)是:純手工操作，焊接時(shí)依賴工人操作技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，此外火焰釬焊為局部加熱，可能在母材中引起應(yīng)力或變形。

依據(jù)接地材料的熔點(diǎn)和成分，可以選擇Cu-Zn釬料、Cu-P釬料、銀基釬料進(jìn)行焊接。由于銀基釬料的潤(rùn)濕性最好，所以往往采用銀基釬料進(jìn)行焊接，但其價(jià)格相對(duì)較高，這限制了其在接地領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

2.5 放熱焊

放熱焊是伴隨純銅接地材料的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的一種焊接方法，最早出現(xiàn)在19世紀(jì)德國(guó)，由于還原劑為鋁，所以也稱為鋁熱焊。放熱焊是指利用金屬氧化物和鋁之間的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，進(jìn)行熔融金屬母材、填充接頭而完成焊接的一種方法［5，11］。

放熱焊的特點(diǎn)為:(1)接頭具有冶金結(jié)合的整體熔合;(2)接頭熔點(diǎn)高(1 083℃);(3)耐蝕性良好。銅自身具有較高的電極電位，接頭銅含量為90%左右，耐蝕性優(yōu)良;(4)焊接工藝、配套工具簡(jiǎn)單，可適合野外作業(yè)，無(wú)需電源、熱源等輔助措施，可單人操作;(5)接頭質(zhì)量穩(wěn)定，通過(guò)固定規(guī)格模具、鋁熱劑進(jìn)行焊接，接頭質(zhì)量重復(fù)性好，不受人為技術(shù)因素干擾。

放熱焊具有以下缺點(diǎn):焊縫金屬為較粗大的鑄造組織，韌性、塑性較差;在實(shí)際焊接過(guò)程中常發(fā)生母材與接頭端口交匯處開裂現(xiàn)象。

根據(jù)母材不同，需要有針對(duì)性地選擇焊接工藝，各種焊接方式及其具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 各焊接工藝特點(diǎn)對(duì)比Tab.3 Performance comparison of welding process

3 接地材料及連接方法的選擇

接地材料的種類、特性各不相同，連接方法、工藝迥異，因此需要綜合考慮投資成本、服役環(huán)境、服役設(shè)計(jì)壽命等因素。根據(jù)材料和連接方式特點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用方案選擇。目前較為適宜的選擇、匹配方式見(jiàn)表4。

表4 不同環(huán)境下的焊材及工藝匹配Tab.4 Welding material and process match in different service condition.

4 結(jié)論

在酸性土壤腐蝕地區(qū)，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，可采用鍍鋅鋼作為接地材料，其連接方式可采用電弧焊;對(duì)于可靠性要求較高的工程，可采用不銹鋼或耐酸性土壤腐蝕鋼作為接地材料，其連接方式可采用氣保護(hù)焊或放熱焊;在中性或堿性土壤地區(qū)，3類接地材料均可選擇，但對(duì)可靠性和散流要求較高的工程，可采用純銅或銅覆鋼接地材料，其連接方式可采用放熱焊或釬焊;而對(duì)可靠性要求較高但散流要求不高的工程，可采用不銹鋼作為接地材料，其連接方式可采用氣體保護(hù)焊。

［1］DL/T 621—1997交流電氣裝置的接地［S］.

［2］GB 50169—2006電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［3］楊小光.變電站接地系統(tǒng)降阻方案及接地材料選擇［D］.北京:華北電力大學(xué)，2011.

［4］GB 50065—2011交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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［6］董彩常，楊朝暉，張波，等.304不銹鋼在鹽湖鹵水中的腐蝕行為［J］.材料保護(hù)，2011，34(9):32-34.

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［8］方靜，陳海焱.變電站接地的現(xiàn)狀及相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)的探討［J］.華東電力，2009，37(12):2010-2014.

［9］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)第1卷:焊接方法及設(shè)備［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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