220kV变电所接地网技术经济分析

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、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及其之间的可靠连接。

我国大部分地区的变电所仍然使用镀锌扁钢作为主要接地材料，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选择，像华北电网天津北郊220KV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，不得不重新进行接地网改造。北京房山变电站、大同二电厂等大型500kV变电站投运10年后，也因地网腐蚀严重而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也需花费资金，因此整个改造工程比新建接地装置所需费用增加很多。

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观念，采取更加有效的防腐措施，保障接地网的安全运行。

2. ACR接地合金简述

《国家电网公司依托工程设计新技术推广应用成果汇编(2015 年版)》指出铝铜稀土合金“适用于中、近水土壤或水土壤(PH≥7.0)地区的电力系统户外变电站和输电线路接地网和接地极。” ACR接地合金以铝为基体加入少量的铜(4%wt)和微量稀土元素，结合铜的腐蚀产物良好的导电性能和铝的耐蚀性能，通过熔铸和热挤压，获得具有良好接地导通性的合金接地材料，改善了纯铝腐蚀产物导通不良的情况。通过表面喷丸和预氧化复合处理，使表层拉应力转化为压应力，促进基体中的铜元素向表面扩散富集，在表面生成铝铜合金腐蚀产物;减轻 Cl-对钝化膜的破坏，减少出现非均匀腐蚀的几率，大幅度提高接地合金材料的耐土壤腐蚀性能。另外，ACR接地合金除了具有很好的耐腐蚀性能及良好的与大地导通性能外，由于ACR接地合金具有密度小、重量轻、易加工成型等特点，在接地网领域得到了大量的推广应用。

ACR产品经过中国电力科学研究院、国家电网智能电网研究院、瑞士通标标准技术服务有限公司(SGS)等第三方检测公司的权威检测,试验证明了产品各项指标均表现优异。

3. 技术比较

3.1 性能比较

分别从导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面比较ACR接地合金与铜、镀锌钢的差异。

3.1.1 导电性能

在20˚C时，钢的电阻率138×10-6(Ω·mm)，铜的电阻率是17.24×10-6(Ω·mm)，ACR接地合金的电阻率为39.3×10-6(Ω·mm)。因此，铜的导电率是钢的8倍，ACR接地合金的导电率为钢的3.5倍;即ACR接地体导电性能比钢接地体好3.5倍，比铜接地体稍差。

3.1.2 热稳定性

《交流电器装置的接地》(DL/T621-1997)要求电气设备接地线的截面，应按接地短路电流进行热稳定校验。钢接地线的短时温度不应超过400℃，铜接地线不应超过450℃，铝接地线不应超过300℃。根据热稳定条件，在没有考虑腐蚀时，接地装置接地导体的截面不宜小于连接至该接地装置的接地引下线截面的75%。

3.1.3 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。镀锌钢在土壤中的腐蚀速度为0.03~0.1mm/a，铜在土壤中的腐蚀速度为0.002~0.004mm/a，ACR接地合金在土壤中的腐蚀速度为0.007~0.01mm/a;ACR接地合金在土壤中的腐蚀速度大约是镀锌钢的1/6，是铜的腐蚀速度的2倍，而且电气性能稳定。

3.2 截面选择

3.2.1 接地体截面选择

忽略腐蚀的影响，对接地体进行热稳定校验时，接地引下线的最小截面应满足下式：

考虑腐蚀因素，并留有充分的裕度，500kV变电所铜接地引下线的截面均取200mm2(铜排);镀锌钢接地引下线的截面为1000 mm2(扁钢);ACR接地引下线的截面为360 mm2。水平接地网截面按照DL/T621-1997《交流电气装置的接地》的规定，取接地引下线的75%，即铜水平接地体截面取150mm2(裸铜绞线);镀锌钢水平接地体截面取750mm2;ACR水平接地体截面取270mm2。

新建变电的接地网所按40年免维护设计，则接地网40年后的腐蚀情况为：

1)铜的腐蚀速率按0.003mm/a计算，40年后纯铜损失的厚度约为40×0.003×2=0.24mm。主接地网接地体选择50×4 mm2的铜排时，其腐蚀后的截面为：

(50-0.24) ×(4-0.24)=187 mm2>177.5 mm2

可满足40年的热稳定要求。

2)镀锌钢在不同的土壤中腐蚀速率变化较大，可按0.05mm/a进行估算，40年后镀锌钢损失的厚度约为40×0.05×2=4mm。主接地网接地体选择100×10 mm2的扁钢时，其腐蚀后的截面为：

(100-4) ×(10-4)=576 mm2>532.5 mm2

可满足40年的热稳定要求。

3)ACR接地合金在不同的腐蚀速率按0.009mm/a进行估算，40年后ACR接地合金排损失的厚度约为40×0.009×2=0.72mm。主接地网接地体选择60×6 mm2的ACR接地合金排时，其腐蚀后的截面为：

(60-0.72) ×(6-0.72)=313 mm2>310.5 mm2

可满足40年的热稳定要求。

综上所述，ACR接地体的截面显著小于钢接地体。

3.3 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。

3.3.1 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。

3.3.2 ACR接地体的连接方式

ACR接地体之间的连接采用与基材成份一致的专用焊条，通过传统的氩弧焊或其它气体保护焊的方式进行焊接，由于焊条的成份与基材相同，焊口结合紧密，焊接不会破坏接地体的导通及耐腐蚀性能，从而保证接地体的长寿命运行。

3.3.3 铜接地体的连接方式

目前铜接地体主要采用放热焊接工艺进行焊接。放热焊接利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程需时仅数秒，反应所放出的热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成。放热焊接接头为分子结合，没有接触面，没有机械压力，不会松弛和腐蚀;具有较大的散热面积，通电流能力与导体相同;熔点与导体相同，能承受故障大电流冲击，不至熔断。但是，放热焊的成本较高。

4. 经济比较

4.1 成本造价

以济南兴隆220kv变电站为例，计算成本造价：

表1 采用钢接地设计的材料表

表2 采用铜接地设计的材料表

表3 采用ACR接地设计的材料表

由于接地材料价格受市场影响较大，结合近期工程预算编制资料，预算铜价格每吨按4.5万元，镀锌钢价格每吨按0.6万元，ACR价格每吨按3.6万元。

4.2 综合评价

施工成本计算在内，在保证220KV变电所的接地网40年免维护的条件下，铜接地网的造价成本约为299.18万元，采用镀锌钢接地网的造价成本约为198.33万元，而采用ACR接地网的造价成本约为170.0万元。

从上面3种不同材料的接地网造价可以看出，采用ACR接地合金做的接地网，其造价成本最低，只有镀锌钢接地网造价的85%、铜接地网造价的56%。

5. 结论

本报告从技术性和经济性两方面对ACR接地合金与镀锌钢、铜接地方案进行比较、分析，通过理论研究、工程应用等到以下结论：

采用ACR接地网技术更加合理：

(1)ACR接地网相对钢接地网具有：导电性能优、耐腐蚀能力强、寿命长、投运后检验维护工作量少等优点;而相对于铜接地网，ACR接地合金除具有铜接地网的所有优点外，具有对地下水源无污染的特点。

(2)采用ACR接地网，设备引下线的截面仅为360mm2，水平接地体截面仅为250mm2;较采用镀锌扁钢的接地网引下线的1000mm2，接地体的截面减小了64%。由于接地材质截面减小，接地网的接地电阻值约增加为2%，对接地网整体性能的影响可忽略不计。

综上所述，ACR接地方案的在技术上和经济上均优于铜接地方案及镀锌钢接地方案。

参考文献：

[1]《国家电网公司依托工程设计新技术推广应用成果汇编(2015 年版)》

[2]《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》(GB50169-2016)中国计划出版社