搜索
500kV、220kV变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较江苏省电力设计院2005年7月南京500kV、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................................................................................................................12.技术比较........................................................................................................32.1性能比较....................................................................................................................32.2截面选择....................................................................................................................52.3接地体连接方式........................................................................................................62.4接地点布置..............................................................................................................103.经济比较......................................................................................................113.1500KV变电所..........................................................................................................113.2220KV变电所..........................................................................................................213.3220KV变电所改造..................................................................................................293.4综合比较..................................................................................................................344.结论..............................................................................................................36附件：附件1500kV某变焊接点统计一览表附件2220kV某变（新建）焊接点统计一览表附件3500kV某变全所接地布置图附件4220kV某变（新建）全所接地布置图附件5220kV某变（新建）全所接触电位差及跨步电位差计算书——扁钢附件6220kV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11.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50～60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，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网”，有些地区还制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500kV、220kV变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较2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32.技术比较2.1性能比较分别从导电性、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20˚C时的电阻率分别是17.24×10-6（Ω·mm）和138×10-6（Ω·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1083˚C，短路时最高允许温度为450˚C；而钢的熔点为1510˚C，短路时最高允许温度为400˚C。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。铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/10~1/50，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。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。500kV、220kV变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较4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。而镀铜钢棒则几乎没有任何腐蚀。500kV、220kV变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较52.1.4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钢接地体截面选择根据江苏省电力公司苏电生【2003】1097号文《关于明确变电站接地网部分技术问题的通知》：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60×8（截面480mm2）的镀锌扁钢，接地引下线采用80×8（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：eggtCIS式中：gS—接地引下线的最小截面，mm2；gI—流过接地引下线的短路电流稳定值，A（根据系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定）；et—短路电流的等效持续时间，s；C—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和500kV、220kV变电所铜接地网与钢接地网的技术经济比较6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