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        應(yīng)用在變電站的幾種接地材料

        2012-06-22 07:29:48馬葉芝
        電氣技術(shù) 2012年8期
        關(guān)鍵詞:降阻劑絞線鋼芯

        謝 靖 馬葉芝

        (1.徐州華電電力勘察設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 徐州 221005;2.華北電力大學(xué)(保定),河北 保定 071003)

        隨著城市建設(shè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,變電站的用地越來(lái)越受到限制,占地面積越來(lái)越小,城市邊角用地、山腳高土壤用地等不利因素給變電站的接地帶來(lái)一定的困難。采用傳統(tǒng)的熱鍍鋅扁鋼很難降低接地網(wǎng)的接地電阻,滿足不了跨步電壓及接觸電勢(shì)的要求,于是市場(chǎng)上出現(xiàn)了銅覆鋼產(chǎn)品,按照其生產(chǎn)工藝誕生出常見(jiàn)的幾種新材料和連接工藝,如連鑄銅包鋼接地材料、鍍銅接地材料、銅包鋼接地材料、銅鑄鋼接地材料、電解離子接地體等。本文就以上幾種材料及連接工藝做一比較,談?wù)勛约旱南敕ā?/p>

        1 接地材料

        1.1 鍍銅材料

        生產(chǎn)工藝:采用電鍍工藝,利用電解原理在處理干凈的鋼材表面上鍍上銅層的加工工藝。需將鋼芯外表面前期先鍍鎳,以增強(qiáng)銅分子的電鍍緊密性。目前較先進(jìn)的接地材料電鍍工藝采用的是四維電鍍法,它優(yōu)于傳統(tǒng)的堆鍍法,該工藝中鋼芯本身自轉(zhuǎn),同時(shí)以一定的速度向前運(yùn)動(dòng),以確保鋼芯表面銅層厚度均勻。而傳統(tǒng)的堆鍍法鋼芯本體不旋轉(zhuǎn),也不向前運(yùn)動(dòng),因此銅層厚度有可能不均勻,上薄下厚。但四維電鍍法讓導(dǎo)體自身產(chǎn)生水平和垂直上的運(yùn)動(dòng),避免了厚度不均勻的問(wèn)題。

        所以鍍銅材料銅與鋼的結(jié)合是否緊密,是否為分子滲透,隨意彎折刮擦銅層是否剝落是我們要關(guān)注的問(wèn)題。另外鍍銅材料的厚度往往是最重要而又被忽視的參數(shù)。這種材料在我國(guó)市場(chǎng)上近幾年才開(kāi)始,而在國(guó)外市場(chǎng)開(kāi)始于20世紀(jì)90年代初。

        1.2 連鑄銅包鋼材料

        生產(chǎn)工藝:采用水平連鑄(無(wú)氧熱鍍)工藝,將處理干凈的鋼絲(鋼棒)在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱到較高溫度,同時(shí)利用工頻爐將電解銅加熱熔化,將鋼絲(鋼棒)快速通過(guò)銅液并在出口處結(jié)晶成銅包鋼棒,再拉制成銅包鋼導(dǎo)體。該工藝是將電解銅加熱至 1200℃熔化液態(tài)后,再次結(jié)晶在鋼芯上,在1200℃時(shí)銅鋼結(jié)合面形成合金化過(guò)鍍層,雙金屬界面完全牢固結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)銅與鋼之間可延性冶金熔接,成為單一復(fù)合體,可像拉拔單一金屬一樣任意拉拔,不出現(xiàn)脫節(jié)、翹皮、開(kāi)裂現(xiàn)象。

        所以它的優(yōu)點(diǎn)是:①銅與鋼實(shí)現(xiàn)了冶金分子結(jié)合、成為單一復(fù)合體;②可任意調(diào)節(jié)銅層厚度(常規(guī)1mm);③防腐特性更優(yōu),使用壽命較長(zhǎng);④表層為無(wú)氧銅,導(dǎo)電性更好。主要缺點(diǎn)是:工藝較復(fù)雜、相比之下成本較高。

        1.3 銅包鋼材料

        生產(chǎn)工藝:采用包覆(冷拉)工藝,將銅管包覆在鋼芯外表面,銅管與鋼芯之間為物理壓接。因而存在:①接合面在非純平的表面存在空隙,電氣傳導(dǎo)性有安全隱患;②若與巖石或建筑垃圾等硬塊刮擦的話,銅皮易破損起卷,水汽進(jìn)入接合面將導(dǎo)致材料的雙金屬反應(yīng),加速內(nèi)部鋼芯的腐蝕速度;③直徑太小的鋼芯無(wú)法采取這種工藝生產(chǎn),包裹過(guò)程中銅層易破裂。

        這種材料在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)間不到10年。在臺(tái)鉗模擬安裝中,①易出現(xiàn)了銅層剝落的狀況;②接地材料在安裝時(shí),出現(xiàn)過(guò)接地鋼芯已入地,銅管確還留在地面的情況;③由于市場(chǎng)上銅管生產(chǎn)廠家生產(chǎn)能力的問(wèn)題,銅管長(zhǎng)度有限(最長(zhǎng)不超過(guò) 6m),銅管直徑有限(最小約 8mm)。因此銅包鋼接地材料也無(wú)法突破這個(gè)局限,相應(yīng)的絞線均沒(méi)有這種材料生產(chǎn)的(絞線長(zhǎng)度上千米,單股線徑小于4mm,還需要彎折成卷),能提供的只有接地棒這種形狀。

        1.4 銅鑄鋼(電鑄)材料

        生產(chǎn)工藝:該材料在生產(chǎn)中,先將銅材通過(guò)電流熔解,然后讓鋼芯穿過(guò)熔解的銅液,利用銅液液態(tài)的特性讓其附著在鋼芯表面,冷卻后包覆住鋼芯,因此也有的廠家稱這種工藝為電鑄銅接地材料,實(shí)際上和早前市場(chǎng)上出現(xiàn)的銅鑄鋼原理一樣,稱呼不同而已。由于銅液在加工中溫度很高,鋼芯表面的雜質(zhì)在高溫中碳化,形成中空的氣孔,銅鋼接觸面積小于鋼芯表面,電阻過(guò)大。另外因重力的影響,銅層附著在鋼芯表面也不均勻,上薄下厚。銅液在加工過(guò)程中并未熔解鋼芯(否則就變成銅、鋼混合液了),因此鋼芯和銅的結(jié)合也是物理面的結(jié)合,要滿足厚度不小于0.25mm的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有些困難。

        這種材料的出現(xiàn)晚于國(guó)內(nèi)的銅包鋼接地材料,由于其早期加工工藝的局限性(需要大量電熔解銅)導(dǎo)致成本過(guò)高,因此銷量不大。后期部分廠家把電鍍生產(chǎn)的接地產(chǎn)品(厚度不達(dá)標(biāo))改稱為電鑄或銅鑄鋼接地材料,混淆了生產(chǎn)工藝,以達(dá)到避免用戶關(guān)注厚度的目的。

        1.5 電解離子接地棒

        原理:電解離子接地棒做為一種特殊接地極,使用在山區(qū)等高土壤電阻率的場(chǎng)合,通過(guò)管壁的呼吸孔和釋放孔,潮解銅管內(nèi)部的電解質(zhì),讓游離態(tài)的離子通過(guò)潮氣等方式在管體下部形成樹(shù)根狀的導(dǎo)電通道,本質(zhì)上是加大地網(wǎng)的導(dǎo)流面積以降阻。游離態(tài)的離子在雨水的長(zhǎng)期沖刷下易流失,在這種情況下需要再次往管內(nèi)添加電解質(zhì)。多雨或地下水脈的臨時(shí)增加會(huì)直接影響離子接地棒的使用壽命。

        材料背景及市場(chǎng)情況:①有的廠家為了節(jié)約成本,擴(kuò)大利潤(rùn)空間,在電解質(zhì)的使用上多數(shù)選用工業(yè)鹽這種材料,但工業(yè)鹽溶于水,保持性非常差,同時(shí)分解的重金屬容易污染環(huán)境,所以這種電解離子接地極使用效果一般1~2年左右,過(guò)了時(shí)間接地電阻會(huì)大幅度反彈;②有的廠家為每根電解離子接地棒采用了先進(jìn)的緩釋技術(shù)配有接地觀測(cè)井,用以標(biāo)識(shí)其安裝位置,及檢測(cè)觀察離子棒的使用情況。從而保證了接地棒的持續(xù)降阻效果,且分解物不污染環(huán)境。

        1.6 降阻劑

        生產(chǎn)原料:降阻劑一般采用導(dǎo)電率遠(yuǎn)低于土壤的物質(zhì)組成,是一種改良土壤導(dǎo)電性的輔助降阻材料。按其成份劃分有物理降阻劑和化學(xué)降阻劑,物理降阻劑使用大自然本身存在的物質(zhì)加工而成,其特點(diǎn)是導(dǎo)電率低,環(huán)境的改變也不會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生化學(xué)分解,不污染環(huán)境,不溶于水保持性好?;瘜W(xué)降阻劑采用化工生產(chǎn)出來(lái)的原料,多為工業(yè)鹽,其特點(diǎn)是前期降阻效果良好,后期接地電阻反彈厲害,保持性差,污染環(huán)境。通常這類降阻劑進(jìn)行PH測(cè)試呈酸性,酸性對(duì)地網(wǎng)中的金屬材料特別是鋼材腐蝕嚴(yán)重。因此使用這類降阻劑的地網(wǎng)接地電阻反彈主要有兩個(gè)原因:①降阻劑遇水熔解流失;②降阻劑呈酸性加快了地網(wǎng)的腐蝕速度,地網(wǎng)導(dǎo)體截面縮小,部分?jǐn)嗔选?/p>

        材料背景及市場(chǎng)情況:就目前市場(chǎng)上存在二類降阻劑,物理降阻劑和化工降阻劑。物理降阻劑主要原料為碳化電石和一定比例的水泥。碳化電石俗稱火山灰,是火山噴發(fā)產(chǎn)生的天然物質(zhì),這種物質(zhì)導(dǎo)電性優(yōu)異(電阻率0.12Ω·m),而且?guī)装倌甓疾环纸猓ê冀Y(jié)構(gòu)),成本低廉,使用效果優(yōu)異。化工降阻劑采用的主材料都是化工原料,使用后,地網(wǎng)腐蝕情況嚴(yán)重,周邊農(nóng)作物大面積枯死。降阻劑這個(gè)說(shuō)法是國(guó)內(nèi)廠家提出,其實(shí)國(guó)際統(tǒng)一稱呼為接地改良材料,其均為物理性的,即不分解,無(wú)污染,低電阻,呈堿性。如果不滿足以上的要求,則不能叫接地改良材料,更不能使用。

        2 接地材料的連接

        變電所的接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體存在著大量的連接,只有可靠的、牢固的連接才能保證接地網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。

        2.1 鋼接地體的連接方式

        目前,鋼接地體之間的連接均為傳統(tǒng)的電弧焊接方式,在做接頭施工時(shí),有可能存在以下問(wèn)題:電弧產(chǎn)生的高溫和電離子有可能破壞接頭部位的鍍鋅層或發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因而降低材料的導(dǎo)電性并加速接頭的腐蝕,嚴(yán)重影響接地體的壽命。此外,電弧焊接連接不是真正的分子性連接,焊接點(diǎn)對(duì)于接地體的導(dǎo)電性能也有影響。

        對(duì)于鋼接地體能否采用放熱焊接接法,設(shè)計(jì)也作過(guò)研究與嘗試,由于鋼接地體設(shè)計(jì)截面過(guò)大,未能被采用,主要原因?yàn)椋孩俅笮?、非?biāo)模具制造困難,造價(jià)高;②焊粉用量大;③由于鋼接地體本身防腐性能差,焊接質(zhì)量的提高意義不大;④焊接點(diǎn)較多,費(fèi)用太高。

        2.2 銅鍍鋼接地體的連接方式

        目前銅接地體和銅鍍鋼接地體主要有以下4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間、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(nèi)部并沒(méi)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(shù)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(xiàn)一些焊接缺陷,無(wú)法從表面觀察合格與否。并且,這種焊接是應(yīng)用于純銅接地體之間的連接,不適合于鍍銅接地體的連接?;谝陨显?,銅銀焊連接法在電力工程接地系統(tǒng)實(shí)際施工中很少應(yīng)用。

        2)壓接線夾連接法

        絞線與絞線之間的連接大多使用壓接線夾連接法。但這種方法比較適用于兩條絞線一對(duì)一連接,無(wú)法做好十字交叉連接。如要十字交叉,則要求有特殊十字接線線夾,或者要先形成接地銅排和接地線夾,處理好兩者之間的接觸面后,再使用螺栓連接法。

        3)螺栓連接法

        扁銅條與扁銅條之間、扁銅條與絞線之間、絞線與絞線之間的連接還可用螺栓連接,該方法與壓接線夾連接法互為補(bǔ)充。但螺栓連接處的接觸標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電氣裝置工程母線裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定處理。目前,壓接線夾法和螺栓連接法在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛,這和我國(guó)的電力施工技術(shù)工人的認(rèn)識(shí)和訓(xùn)練程度有著密切的關(guān)系。

        4)放熱焊接連接法

        放熱焊接利用活性較強(qiáng)的鋁把氧化銅還原,整個(gè)過(guò)程需時(shí)僅數(shù)秒,反應(yīng)所放出的熱量足以使被焊接的導(dǎo)線端部融化形成永久性的分子合成。銅基放熱反應(yīng)的一般公式是:

        放熱焊接接頭的特性:①外形美觀一致;②連接點(diǎn)為分子結(jié)合,沒(méi)有接觸面,更沒(méi)有機(jī)械壓力,因此,不會(huì)松弛和腐蝕;③具有較大的散熱面積,通電流能力與導(dǎo)體相同;④熔點(diǎn)與導(dǎo)體相同,能承受故障大電流沖擊,不至熔斷。

        放熱焊接連接法可以完成各種導(dǎo)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(zhì)導(dǎo)線的連接,如普通鋼鐵、銅、鍍鋅鋼、銅鍍鋼等之間的連接;甚至可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體間不同形狀的連接,如銅導(dǎo)線與銅鍍鋼接地棒的連接、銅導(dǎo)線與銅板的連接、銅導(dǎo)線與接地鍍鋅鋼管的連接、導(dǎo)線與鋼筋的連接以及導(dǎo)線與槽鋼的連接。這種方法接頭有著廣泛的連接方式,而且耐腐蝕性好并接觸電阻低,已逐步得到推廣應(yīng)用。

        放熱焊接的優(yōu)點(diǎn):①焊接方法簡(jiǎn)單,容易掌握;②無(wú)需外接電源或熱源;③供焊接用的材料、工具很輕、攜帶方便;④焊接點(diǎn)的載流能力與導(dǎo)線的載流能力相等;⑤焊接是一種永久性的分子結(jié)合,不會(huì)松脫;⑥焊接點(diǎn)像銅一樣,耐腐蝕性能強(qiáng);⑦焊接速度快捷,節(jié)省人工;⑧從焊口的外觀上便能鑒定焊接的質(zhì)量;⑨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。

        放熱焊接技術(shù)已通過(guò)國(guó)家電力公司武漢高壓研究所、浙江電力試驗(yàn)研究所等部門產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心地檢驗(yàn),并已應(yīng)用在電力系統(tǒng)的重點(diǎn)工程。

        應(yīng)該注意即便是采用放熱焊接連接法,還應(yīng)注意以下地方:①焊藥主要成份為銅粉,銅的氧化物,鋁粉。其純度需符合GB/T5246標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定要求。不少國(guó)內(nèi)廠家為了節(jié)約成本,大量添加價(jià)格便宜的錫,導(dǎo)致接頭外表面光滑整潔,但導(dǎo)電性降低,熱穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo);②放熱焊接所用的模具部分廠家加工精度不夠,模具結(jié)合部空隙較大,空隙處流出銅液,導(dǎo)致接頭缺焊,焊接部位不牢固;③藥粉純度不夠,雜質(zhì)較多,焊接完畢后接頭內(nèi)部存有大量氣孔,切開(kāi)接頭即可見(jiàn)內(nèi)部有許多空腔;④有的廠家為了降低焊藥的起燃點(diǎn),加入磷。導(dǎo)致了高溫環(huán)境下(如夏季陽(yáng)光直曬)容易自然,存在嚴(yán)重安全隱患。

        圖1 某廠家生產(chǎn)的模具開(kāi)口空隙很大

        圖2 焊接接頭漏液,接頭不牢固,導(dǎo)電性不達(dá)標(biāo)

        圖3 好的放熱焊接做的接頭,接合面無(wú)任何空隙

        值得注意的是,所有的放熱焊接模具及焊藥均應(yīng)有相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告和試驗(yàn)報(bào)告。放熱焊接尚應(yīng)滿足地方標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

        3 結(jié)論

        綜上所述,合格的銅覆鋼接地體產(chǎn)品,在導(dǎo)電性能、熱穩(wěn)定性能、耐腐蝕性方面將給變電站安全可靠運(yùn)行帶來(lái)益處。所以應(yīng)根據(jù)各個(gè)工程的不同情況,如地質(zhì)和環(huán)境條件等,選擇適合的接地材料及其連接方式。以達(dá)到既滿足接地電阻的要求,又經(jīng)濟(jì)合理,便于施工,從而保障了運(yùn)行人員和電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

        [1]《電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件》Q/GDW466-2010.

        [2]《接地裝置施工與驗(yàn)收規(guī)范》GB50169-2006.

        [3]《接地裝置施工質(zhì)量檢驗(yàn)》DL/T 5161.6-2002.

        [4]江蘇合金益復(fù)合新材料有限公司產(chǎn)品資料.

        [5]江蘇華淼電力科技有限公司產(chǎn)品資料.

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