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，變電站的用地越來越受到限制，占地面積越來越小，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的要求，于是市場上出現(xiàn)了銅覆鋼產(chǎn)品，按照其生產(chǎn)工藝誕生出常見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，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，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，避免了厚度不均勻的問題。

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)。這種材料在我國市場上近幾年才開始，而在國外市場開始于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；④表層為無氧銅，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直徑太小的鋼芯無法采取這種工藝生產(chǎn)，包裹過程中銅層易破裂。

這種材料在國內(nèi)市場出現(xiàn)時(shí)間不到10年。在臺鉗模擬安裝中，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)過接地鋼芯已入地，銅管確還留在地面的情況；③由于市場上銅管生產(chǎn)廠家生產(chǎn)能力的問題，銅管長度有限（最長不超過 6m），銅管直徑有限（最小約 8mm）。因此銅包鋼接地材料也無法突破這個(gè)局限，相應(yīng)的絞線均沒有這種材料生產(chǎn)的（絞線長度上千米，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，先將銅材通過電流熔解，然后讓鋼芯穿過熔解的銅液，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合，通過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)的離子通過潮氣等方式在管體下部形成樹根狀的導(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)增加會直接影響離子接地棒的使用壽命。

材料背景及市場情況：①有的廠家為了節(jié)約成本，擴(kuò)大利潤空間，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，過了時(shí)間接地電阻會大幅度反彈；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)配有接地觀測井，用以標(biāo)識其安裝位置，及檢測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測試呈酸性，酸性對地網(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>

材料背景及市場情況：就目前市場上存在二類降阻劑，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)說法是國內(nèi)廠家提出，其實(shí)國際統(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)對于接地體的導(dǎo)電性能也有影響。

對于鋼接地體能否采用放熱焊接接法，設(shè)計(jì)也作過研究與嘗試，由于鋼接地體設(shè)計(jì)截面過大，未能被采用，主要原因?yàn)椋孩俅笮汀⒎菢?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。基于以上原因，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一連接，無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)場應(yīng)用最為廣泛，這和我國的電力施工技術(shù)工人的認(rèn)識和訓(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，沒有接觸面，更沒有機(jī)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、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)已通過國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，切開接頭即可見內(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.