变电站铜接地网与扁钢接地网的技术经济比较.doc

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1、500kV、220kV 变电所铜接地网与 钢接地网的技术经济比较 500kV、220kV 变电所铜接地网与 钢接地网的技术经济比较 批 准： 审 核： 校 核： 编 制： 500kV、220kV 变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较 i 目录 1.概述1 2.技术比较3 2.1性能比较.3 2.2截面选择.5 2.3接地体连接方式.6 2.4接地点布置.10 3.经济比较11 3.1500KV 变电所 11 3.2220KV 变电所 21 3.3220KV 变电所改造 29 3.4综合比较.34 4.结论36 附件： 附件 1 500kV 某变焊接点统计一览表 附件 2 220kV 某变（新

2、建）焊接点统计一览表 附件 3 500kV 某变全所接地布置图 附件 4 220kV 某变（新建）全所接地布置图 附件 5 220kV 某变（新建）全所接触电位差及跨步电位差计算书扁钢 附件 6 220kV 某变（新建）全所接触电位差及跨步电位差计算书铜 附件 7 铜接地网相关文献资料 500kV、220kV 变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较 1 1. 概述 随着电力系统的发展，对变电所接地设计的要求也越来越高。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品质好的接地材料和可靠的连接。 我国传统接地体均采用钢材质，其

3、主要原因是我国自身铜储探明量的不足加上西方 国家过去对我国的封锁，我国不容易取得铜。为节约有色金属，在 20 世纪 5060 年代 提出“以钢代铜，以铝代铜”，所以一度大量选用钢材和铝材，这种做法一直得到很好 的推广和认同。而国外（除前苏联国家，中国和印度以外），铜材作为接地材料已有超 过 100 年的历史，而且是唯一的选择。 目前，我国大部分地区的变电所仍然使用镀锌扁钢作为接地材料，但几十年的实践 证明镀锌钢并不是解决接地装置腐蚀问题的最好成绩选择，象华北电网天津北郊 500KV 变电站投运 8 年后开挖检查发现，接地装置腐蚀严重，有的甚至已被腐蚀断，不得不投 巨资更换成铜接地装置。还有，北

4、京房山变电站，大同二电厂等大型 500kV 变电站投运 10-11 年后，因腐蚀严重均重新更换了原镀锌钢接地装置。由于是重新铺设接地装置，恢 复路面和绿化等工作花费了不少资金，因此整个改造工程比新建接地装置所需费用增加 很多。 我国目前高压变电站主要于上世纪八十年代投入使用，在以前由于投入使用时间不 太长，腐蚀问题不算很严重。但自上世纪中期以后，随着镀锌钢接地装置腐蚀问题的不 断暴露，每年需投入大量资金和人力改造镀锌钢接地装置。使越来越多的电力部门认识 到必须改变以前的老观念，采取更加有效的防腐措施。 我国解放前，曾大量采用铜材作为接地材料， 如天津塘沽 110kV 变电站，上海杨树 浦电厂等

5、，经检查，其接地装置至今仍然合格，至今仍可使用。在外资投资的工厂，电 厂的变电站中，大量使用铜接地装置，如秦山核电站，连云港核电站，无锡海力士半导 体变电站，INTEL 等。 目前铜材已经不再作为国家战略物资，国家外汇储备充沛，在上海成立了铜期货交 易所，可以很方便地购买铜。 而北京、上海、江苏、浙江、山东、广东、辽宁、天津等地区已开始选用热稳定性 能好、导电性能强、耐腐性强的铜材做接地，其连接采用先进的放热焊接技术。国家电 网公司“25 项重大反措”中明文规定“在腐蚀性比较严重的枢纽变电站宜采用铜材接地 500kV、220kV 变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较 2 网”， 有些地区还制

6、定了相关的技术政策，象北京电力公司要求地下站，室内站应采用 铜接地装置，上海和天津电力公司要求新建、改造变电站应采用铜接地装置。 本报告首先从从技术角度比较分析了铜接地网和钢接地网的特点，包括： （1） 铜、钢性能比较； （2） 接地体截面选择比较； （3） 接地体连接方式比较； （4） 接地点布置比较。 其次，以 500kV 某变电所工程、220kV 某变电所新建工程以及 220kV 某变电所改造 工程的接地网设计为实例，对铜接地网与钢接地网的经济性进行比较分析，主要涵盖以 下两个方面的内容： （1）投资比较。根据电力行业的现行定额、取费标准、材料预算价格，编制出钢接 地方案、不含焊接点的铜

7、接地方案以及含焊接点的铜接地方案的造价，即“安装工程预 算表”。 （2）指标及评价。现行的评价方法较多，诸如内部收益率、年费用法、财务净现值、 投资回收期、投资利润率、投资利税率等，由于全所接地仅属于变电工程的一个单项工 程，不具备独立计算成本、利润及其他相关财务费用的条件，经查阅有关资料和请教专 家，采用“年费用法”进行方案评价和比选。即计算和比较钢接地方案、不含焊接点的 铜接地方案以及含焊接点的铜接地方案的年费用。 （3）综合评价。针对铜接地网的不同设计寿命，计算并比较不同的年费用值。 500kV、220kV 变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较 3 2. 技术比较 2.1 性能比较 分

8、别从导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面比较铜接地体与热镀锌钢接地体的差异。 2.1.1 导电性能 铜和钢在 20C 时的电阻率分别是 17.2410-6（mm）和 13810-6（mm），因此 铜的导电率是钢的 8 倍。即，铜接地体导电性能较钢接地体好。 2.1.2 热稳定性 铜的熔点为 1083C，短路时最高允许温度为 450C；而钢的熔点为 1510C，短路时 最高允许温度为 400C。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，钢接地体所需的截面积为铜材的三倍。 2.1.3 耐腐性 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

9、壤中的腐蚀速度大约是钢材的 1/101/50， 是镀锌钢的耐腐蚀性的 3 倍 以上，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。 钢接地体接头部位经过高温电弧焊接加工后会出现点腐蚀情况，一般最多只能保证 10 年。而铜腐蚀不存在点蚀情况，寿命较长。 可见，铜接地体的耐腐性显著优于钢接地体。 目前我国变电所接地系统均存在不同的腐蚀问题，特别是有些运行十年以上的变电 所腐蚀相当严重。尽管在设计

10、时各设计人员已通过增大接地极截面来考虑 30 年的防腐问 题，在实际运行中也采用部分开挖和测量接地电阻等方法来检测腐蚀问题。但由于实际 腐蚀情况更严重，以及钢与铜的腐蚀机理不同，实施效果不太理想。 500kV、220kV 变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较 4 以下是在美国联邦电气接地研究工程技术咨询委员会在 2001 年 1 月 29 日，在美国内华 达州 BALBOA 地区现场开挖图片，该工程安装于 1992 年。 该镀锌钢接地极在中间一部分腐蚀相当严重，但测量接地电阻时，很难发现接地网 腐蚀问题。一旦通过大的故障电流，由于截面太小，容易熔断，从而导致故障电流不能 通过接地网顺利泄到大

11、地，从而导致地电位升高，而出现“反击”现象，对直流，保护， 通信，信号等二次设备和低压系统故障和损坏，甚至损坏变压器等重要设备。 500kV、220kV 变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较 5 而镀铜钢棒则几乎没有任何腐蚀。 2.1.4 铜接地体施工方便 设计推荐水平主网采用铜绞线，由于铜绞线柔性好，允许的弯度半径小，所以拐弯 方便，穿管容易。铜线的高机械强度，使其能够成卷供货，便于机械化施工。搭接处采 用放热焊接，操作方便，加快施工进度，节省人工费用，简化施工工艺，更重要的是保 证了铜接地网的连接质量。 设计推荐垂直地网采用铜镀钢接地棒，由于接地棒截面大大小于角钢，在作垂直接 地施工方面

12、工作量减小，并能垂直深入土壤，使通过加大垂直接地深度来降低接地电阻 成为一种可能。 综上所述，铜接地体与热镀锌钢接地体相比，铜接地体在导电性能、热稳定性能、 耐腐蚀性、接点焊接质量和施工便利方面有显著的优越性。 2.2 截面选择 2.2.1 钢接地体截面选择 充分考虑电网的规划发展规模，一般的 500kV 及 220kV 变电所中的主接地网采用 608（截面 480mm2）的镀锌扁钢，接地引下线采用 808（截面 640mm2）的镀锌扁钢。 2.2.2 铜接地体截面选择 忽略腐蚀的影响对铜接地体进行热稳定校验时，铜接地引下线的最小截面应满足下 式： e g g t C I S 式中：接地引下线

13、的最小截面，mm2； g S 流过接地引下线的短路电流稳定值，A（根据系统 510 年发展规划， g I 按系统最大运行方式确定）； 短路电流的等效持续时间，s； e t 500kV、220kV 变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较 6 接地引下线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度 C 和短路前接地引下线的初始温度确定。 计算用故障电流原则上应按变电所远景最大运行方式、站内发生接地故障时的故障 电流，当系统情况不是十分明确时，根据江苏省电力公司有关文件，500kV 系统单相接地 短路电流按 63kA 设计，220kV 单相接地短路电流按 50kA 设计。 短路等效持续时间

14、ofme tttt 式中：短路电流的等效持续时间，s； e t 主保护动作时间，s； m t 断路器失灵保护动作时间，s； f t 开关固有动作时间，s； o t 目前江苏省 220kV 系统线路保护配置基本采用“11，901”系列保护，各套装置均设 有高频、距离和零序电流保护。距离保护和零序保护各有三段，后备保护为近后备。 根据系统保护整定时间，短路等效持续时间 500kV 系统建议取 0.35 秒，220kV 系统 取 0.6 秒。 由规程 DL/T6211997交流电气装置的接地规程附录 C 表 C1 查得铜的热稳定系 数为 210，则铜接地引下线的截面计算如下（单位：mm2）： 对 5

15、00kV 系统 48.17735 . 0 210 63000 g S 对 220kV 系统 43.1846 . 0 210 50000 g S 根据电缆厂提供的产品样本，一般选用的铜接地体规格有 25mm2、50mm2、75mm2、95mm2、120mm2、150mm2、240mm2等多种不同型号的多股裸 铜线和铜排。 考虑腐蚀因素，并留有充分的裕度，500kV 变电所和 220kV 变电所铜接地引下线的 截面均取 200mm2（铜排）。水平接地网截面按照交流电气装置的接地（DL/T621- 1997）规定，取接地引下线的 75，即水平接地体截面取 150mm2（裸铜绞线）。 综上所述，铜接地

16、体的截面显著小于钢接地体。综上所述，铜接地体的截面显著小于钢接地体。 500kV、220kV 变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较 7 2.3 接地体连接方式 变电所的接地网金属导体存在着大量的连接，只有可靠的、牢固的连接才能保证接 地网的运行可靠性。 2.3.1 钢接地体的连接方式 目前，钢接地体之间的连接均为传统的电弧焊接方式，高温电弧会破坏接地体接头 部位的镀锌层，有可能导致点腐蚀的出现，严重影响接地体的寿命。此外，电弧焊接连 接不是真正的分子性连接，焊接点对于接地体的导电性能也有影响。 对于钢接地体能否采用放热焊接接法，设计也作过研究与尝试，由于钢接地体设计 截面过大，未能被采用，主要有以下原因： （1）大型、非标模具制造困难，造价高； （2）焊粉用量大； （3）由于钢接地体本身防腐性能差，焊接质量的提高意义不大； （4）焊接点较多，费用太高。 2.3.2 铜接地体的连接方式 目前铜接地体主要有以下四种连接方式： （1）铜银焊连接法 扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜