沿海地区户外变电站的接地材料研究

周仁知

（ 紫泉能源技术股份有限公司 210000 ）

【摘 要】本文针对沿海地区土壤特点对国家电网110kV变电站通用设计A1-1版本接地材料进行了优化，并结合江苏连云港盐西110kV户外变电站进行了几种接地材料的对比分析，包括接地电阻，接触电压，跨步电压，热稳定校验，施工难度，一次投入成本，全寿命周期成本等方面，最后确定优化的接地方案。

【关键词】110kV变电站，接地材料，全寿命周期，

0 引言

变电站接地工程对于保护设备安全稳定运行，保护站内人员安全具有重大意义。沿海地区相比内陆地区土壤盐分含量较高，土质腐蚀性较强，加上我国部分地区有严重的酸雨现象，未经防腐处理的接地材料其使用寿命会大大缩短。在目前的2016版国家电网公司110kV智能变电站模块化建设通用设计A1-1方案中，主接地网材料采用镀锌扁钢，垂直接地极采用镀锌角钢。钢接地费用较省，安装较为方便，但是容易腐蚀，尤其是在沿海地区土壤腐蚀性较强的环境中，可能达不到设计使用周期，需要定期维护。为此考虑选用镀铜钢或者铜绞线作为沿海地区应用A1-1方案的优化设计是有必要的。

1 扁钢接地的特点

从实际调查情况来看，我国变电站接地网目前主要使用镀锌扁钢作为接地材料，在选择人工接地体规格时，需要考虑接地线腐蚀问题。对于扁钢来说，埋于地下的部分，如无防腐措施，腐蚀速度如下表所示。

表1 扁钢腐蚀速度表

目前国家电网通用设计中，110kV变电站接地主网采用60*8mm规格镀锌扁钢，220kV变电站采用80*8规格扁钢，垂直接地极采用63mm宽，6mm厚镀锌角钢。根据国标要求，厚度大于等于6mm的镀锌扁钢平均镀层厚度需大于85um。按85um计算，2~3年后镀层已经开始出现破损的情况，破损后腐蚀速度会大大增加。按照0.2mm/年的腐蚀速度计算，10年后角钢厚度变为4mm,扁钢厚度变为6mm，20年后角钢厚度2mm，扁钢厚度4mm，极有可能达不到接地电阻及热稳定性的要求，从而无法满足一般接地线35~40年的设计使用寿命要求。

而从实践中来看，因为酸雨等环境污染的现象越来越严重，土壤的腐蚀性越来越强，个别地区接地扁钢使用5~7年腐蚀已近一半。广东，广西，江苏，湖北等地区都曾因变电站接地网腐蚀发生大面积停电问题，造成了严重的经济损失及不良的社会影响。

为了继续使用镀锌扁钢，需要采取加大规格，喷涂防腐涂料，定期维护更换等措施，这势必会造成造价的提高，从全寿命周期成本来看并不经济。而且防腐的效果很大程度上取决于现场施工工艺执行的好坏，如焊接处防腐处理不到位，将大大加快腐蚀速度，比较难以保证防腐效果的一致性。

3 镀铜钢接地的特点

镀铜钢是目前发展出来的新型接地材料，在钢棒的外表电镀0.2mm及以上厚度的铜层，从而兼具铜的低电阻，耐腐蚀和钢的高机械强度，成本低等优点。但是，由于多了一道镀铜工艺，铜包钢的价格比镀锌扁钢要高。由于表面覆铜，电阻率低，磁导率相对较小，存在集肤效应，可以选用截面积更小的镀铜圆钢来替换扁钢。由某镀铜圆钢生产厂家提供的参考替换表如下：

表2 材料替换表

110kV户外变电站常用60*8mm镀锌扁钢，由上表可知可使用直径12mm镀铜圆钢替换。然而由于镀铜钢工艺的特殊性，在施工时应保证铜镀层的完整，否则容易在破损处形成局部化学原电池加速内芯圆钢的腐蚀，这就对制造工艺，施工工艺，焊接技术提出了不小的要求。目前常用放热焊技术，不同的形状对应不同的模具，这又增加了模具成本。

4 铜绞线接地的特点

世界上大多数发达国家以及我国的重点工程项目，均采用纯铜作为接地材料，纯铜绞线性能优越，具有极强的导电性能，而且抗腐蚀性好，可以做到免维护，基本免去了后期维护成本。但是一次投入太大，以120mm²铜绞线为例，每米价格大约为相同规格扁钢的4至5倍。再加上铜作为战略物资，国内储量相对较少，每年都需大量进口，所以在国内钢铁产能过剩，缺铜的大背景下，纯铜接地材料没有得到大规模的应用。

5 案例分析

5.1工程介绍

连云港盐西110kV变电站位于江苏省连云港市灌云县小伊乡，场地地貌为海积平原。地基土除地表素填土外，其余为第四系全新统海积相粘土、淤泥、砂（粉）土及粉质粘土。根据该站选址工程岩土工程勘察报告得知，按《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）分类，场地环境类型为Ⅱ类。据本次勘察场地所取水、土样分析资料结果显示，水质为中性（PH=7.63~7.74），其水质对混凝土结构具微腐蚀性，对混凝土结构的中钢筋在长期浸水条件下具微腐蚀性，干湿交替条件下具中等腐蚀性；地基土土质呈中性（PH=7.46~7.52），对混凝土结构具微腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀性；根据场地实测视电阻率指标综合评价土对钢结构具强腐蚀性。电阻率测试结果如下表：

表3 场地岩土电阻率测量成果表

可知，盐西站址综合土壤电阻率远小于30Ω·m，扁钢腐蚀速度大于0.2mm/年。

盐西变规模属于国家电网公司输变电工程通用设计35~110KV智能变电站模块化建设施工图设计110-A1-1方案，具体规模如下表：

表4 盐西变建设规模表

5.2 接地体截面选择

盐西110kV变电站110kV中性点采用间隙加避雷器保护，经隔离开关接地，根据运行方式灵活选择接地点，10kV侧全电缆出线，经消弧线圈接地，属于大接地的短路电流系统，选择接地体截面时需校验其热稳定性：

式中， ——接地线热稳定允许的最小截面（mm²）；

——流过该接地线的短路电流稳定值（A），由该工程短路电流计算书可知为14.41kA；

——继电保护主保护动作时间（s）+断路器全分闸时间（s）+（0.3~0.5s），根据系统二次资料取0.6s;

——接地材料的热稳定系数，钢取70，镀铜圆钢取135，铜绞线取210。

（1）镀锌扁钢

经计算得，镀锌扁钢的最小截面为160mm²，根据上文所述镀锌扁钢腐蚀速度，结合工程实际经验，选用60*8mm扁钢。

（2）镀铜圆钢

经计算得，镀铜圆钢的最小截面为82mm²，选用满足要求的型号120mm²，直径12mm。（3）铜绞线

经计算得，满足热稳定要求的最小截面为53mm²，结合现有工艺标准，选用120mm²铜绞线。

5.3 接地电阻计算

盐西变围墙尺寸为46*61m，围墙内面积2806m²，采用水平接地网加垂直接地极的布置。全站总平面布置图和接地布置图如下图所示：

图1 全站总平面布置图

图2 全站接地布置图

等值半径：

等值长度：

接地电阻估算公式（以水平接地体为主，且边缘闭合的复合接地体）：

式中：

----接地电阻估算值，Ω ；

----土壤电阻率，Ω·m，根据场地岩土电阻率测量成果表，取6.8，季节系数取1.4，计算值为6.8×1.4=9.52；

----为接地网等值半径，m ；

----为接地网等值长度，m ；

计算得接地电阻为0.0909Ω，小于0.5Ω

5.4 接触电势与跨步电势

根据GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中推荐有效接地系统发生单相接地或同点两相接地时，接地装置的接触电势Ut和跨步电势Us不应超过下列数值：

式中：

----接触电位差，V；

----跨步电位差，V；

----人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω·m，取9.52；

----接地短路电流的持续时间，s，按110kV主保护动作时间＋后备保护动作时间考虑，取0.6

（1）接地装置的电位

所内接地时流经接地装置的电流（取Ke1=0.5）：

（2）最大接触电位差

水平接地体埋深：

均压带计算根数 （沿长方向根数）， （沿宽方向根数）；

均压带等效直径：

计算结果为47.1586（铜），62.54V（钢），53.26（铜包钢），均小于654.93V都符合接地要求。

（3）最大跨步电位差

其中：L---水平接地极的总长度，取841m；

L₀---接地网的外缘边线总长度，取214m；

S---接地网的总面积，取2806；

T---跨步距离，取0.8m；

d---均压带等效直径；

h---水平均压带的埋深，取0.8m。

计算结果为233.24（铜），349.86（钢），291.55（铜包钢），用扁钢无法满足要求，需采取额外措施来满足，如在经常维护的通道、操作机构四周等区域铺设砾石地面，用以提高地表面电阻率等，这提高了建设成本。

综上所述，在盐西110kV变电站接地设计中，三种方案均能满足电气方面的要求，其中扁钢接地需采取铺设砾石地面等措施来满足跨步电压的要求。

6 结论

通过对镀锌扁钢，铜敷钢及铜绞线技术及经济性方面的综合比较，从电气技术要求来说，三种材料均能满足要求，但是因为盐西站址土壤腐蚀性较强，采用扁钢以及镀铜钢棒的抗腐蚀性无法保证。因此，推荐在国外重点工程中普遍应用的120mm²铜绞线作为水平接地网材料，垂直接地极采用直径14mm的镀铜钢棒，设备接地采用40×4的覆铜扁钢。

参考文献

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[2] 殷成浩.钢镀铜材料在变电站接地工程中的应用[J].青海电力,2009,(6):5-8.

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