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【摘 要】 本文首先分析了铜接地体在GIS变电站应用的优越性和采用铜接地装置的必然性，然后介绍了铜材接地使用实例和铜接地装置技术，最后探讨了GIS装置使用铜接地体的连接方法和铜接地体施工中应注意的问题。
【关键词】 电力系统；铜材；接地装置；应用
现在越来越多的变电站建于地域狭窄的城市群中，它们均毫不例外地选用了全室内或室外六氟化硫气体绝缘全封闭组合电器GIS（SF6 Gas Insulated Switchgear）配电装置形式或不包括母线的H-GIS（Hydride-GIS）配电装置形式，目的就是尽量少占土地。若仍然按以钢质水平接地体为主的思路做接地系统，则变电站接地网的接地电阻阻值往往达不到要求，或根木不可能达到预期效果。同时，由于受变电站征地、地形等各方面原因的限制，接地网向水平方向扩张的可能性很小，工程技术人员已将注意的焦点集中到向纵深方向和接地体材质两方面发展，为此铜接地体技术应运而生。
1、铜接地体在GIS变电站应用的优越性
铜接地体在导电性能、耐腐蚀性和施工便利方面和热镀锌钢接地体相比有很大的优越性。
1.1铜接地体导电性能
作为接地材料，铜比钢要好，主要表现在导电性能上。铜和钢在20℃时的电阻率分别是17.24×10-9Ωm和138.24×10-9Ωm，对比出铜的导电率为钢的8倍。
1.2铜接地体耐腐蚀性能
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。接地体在地下的腐蚀速度受土壤的电阻率、含水量、含氧量、酸碱度、电解质、杂散电流及土壤的压实情况等因素影响，埋于地下的水平接地网（热镀锌扁钢）及接地引下线（热镀锌圆钢）的平均腐蚀速度约为0.2mm/a，按现有国家标准设计施工，要满足接地体30年使用寿命的要求十分困难。
铜的耐腐蚀性能比热镀锌钢强3倍，铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），对内部的铜起了很好的保护作用，阻断了腐蚀的形成；而钢材是逐层被腐蚀，镀锌层有一定的抗腐蚀性，钢材经过热镀锌后的抗腐蚀能力提高1倍左右，但也无法避免接头部位经过高温电弧焊接加工后的腐蚀情况，一般只能保证10年。
由于市区GIS变电站的面积小，整个变电站的地网就在建筑物底下的特殊性，接地网在变电站投产后很难进行更换改造，因此建议在今后设计GIS变电站时，采用铜材作为接地首选材料，这样，价格增加不多，而耐腐蚀时间却要长很多，更省却了大量的钢材防腐蚀处理的难题。
1.3铜接地体比热镀锌钢施工方便
（1）由于铜线柔性好，允许的弯度半径小，所以拐弯方便，穿管容易。
（2）由于铜线抗疲劳、反复折弯不易断裂，所以接线方便。
（3）由于铜线的机械强度高，能成卷供货，可承受较大的机械拉力，给施工敷设带来很大便利，也为机械化施工创造了条件。
（4）根据电缆厂提供的产品目录，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绞线和扁铜条。
2、采用铜接地装置的必然性
我国以前采用铜接地装置，在使用几十年钢接地装置后，又开始逐步采用铜接地装置，这是为什么呢？主要原因如下：
2.1铜接地装置比钢接地装置使用寿命长。
铜接地装置防腐性能突出，使用寿命可达50年，这在国内外已得到充分证明。钢接地装置在防腐方面不尽人意，接地装置寿命往往达不到设计寿命，一般在10年左右，如天津市电力公司调查表明，天津地区钢接地装置的年腐蚀率为1mm/a，220kV变电站接地装置的使用寿命仅为5～7年。
2.2铜接地装置具有巨大的经济效益。
钢接地装置由于使用寿命短，需要反复改造，多次投资，累积投资远远超过铜接地装置。
2.3铜接地装置运行维护工作量较小。
由于镀锌钢接地装置性能不稳定，因此，规程制定了严格的检查、试验项目，如《电力设备预防性试验规程》要求钢接地装置每6年进行一次接地电阻测试，每8年开挖检查一次。对于市中心的地下站和室内站，由于高楼林立，上千米的电压线和电流线的放线工作很难达到要求，接地电阻测试相当困难，接地装置在建筑物下面也很难开挖检查。如果采用铜接地装置，运行维护工作量将大大减小。
2.4铜接地装置的接触电位差和跨步电位差
相对较小，人身更加安全。铜材相对磁导率为1，钢材相对磁导率为636，接地装置的电位差随着相对磁导率的增大而增大，这就意味着在相同条件下，铜接地装置的接触电位差和跨步电位差相对较小，人身更加安全。
3、铜材接地使用实例
其实在国内，老电厂采用铜材作接地材料的例子已有近百年的历史，如上海杨树浦电厂、湖北荆州沙市电厂等，只不过那是20世纪初外国人在中国建造的自备电厂。改革开放后，在电力系统以及其它行业，涉及到外商投资或合作项目，大多使用铜材作接地材料。目前在国内电力系统接地网使用铜材的案例也有很多，如秦山核电站、连云港核电站、内蒙古托克托电厂、广东台山电厂、福建湄洲湾电厂、北京朝阳门室内变电站、深圳220kV经贸地下式变电站、武汉110kV江汉路变电站以及北京、上海、深圳和武汉等城市的地铁、轻轨车站降压所等等。
当然这些项目选择铜材作接地材料有它的特殊性，有的是国家重点项目，有的是不易维护的工程，有的是为了防腐和考虑电化腐蚀等等。对一般项目，以銅材作接地材料则难以普及，在人们的印象中觉得这样造价太高，而实际情况并非如此。
4、铜接地装置技术
变电站铜接地装置设计时，采用下列方案较佳，接地网和引下线均采用铜材；或者接地网和引下线地下部分采用铜材，然后在离地面一段距离处再用镀锌钢连接。实践证明，接地引下线地下部分腐蚀比水平接地极还严重，因此，接地网用铜材而接地引下线用镀锌钢的设计方案不可取。铜材之间、铜-钢之间连接采用火泥熔接技术较佳。火泥熔接是利用化学反应产生3000℃左右的高温，使接头部分溶为一体形成分子结构。优点如下：由于高温反应使两金属已经融合，两金属间不存在腐蚀介质，因此，两金属间的腐蚀也就无法产生；熔接头的断面面积比熔接体断面大，载流能力大于原导体的载流能力；操作简单，人员易培训。铜材垂直接地极不能用手锤直接打入地中，可以先把直径相似的钢材垂直接地极打入地中，然后拔出，再把铜材垂直接地极放入洞中。 5、GIS装置使用铜接地体的连接方法
5.1铜银焊连接法
扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接都可以使用铜银焊连接法，常用的铜银焊接有乙炔焊、电弧焊等，但焊接都只是表而搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，特别是铜焊，即使是持有特殊工种上岗证，也比较容易出现一些焊接缺陷，无法从表而观察合格与否。基于以上原因，铜银焊连接法在电力工程接地系统实际施工中很少应用。
5.2压接线夹连接法
裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接大多使用压接线夹连接法。但这种方法比较适用于两条裸铜绞线一对一连接，无法做好十字交叉连接。如要十字交叉，则要求有特殊十字接線线夹，或者要先形成接地铜排和接地线夹，处理好两者之间的接触而后，再使用螺栓连接法。
5.3螺栓连接法
扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接还可用螺栓连接，它是和压接线夹连接法的相互补充。但螺栓连接处的接触标准应按现行国家标准《电气装置工程母线装置施工及验收规范》的规定处理。压接线夹法和螺栓连接法在施工现场应用最为广泛，这和我国的电力施工技术工人的认识和训练程度有着密切的关系。
5.4铝钒氧化铜放热熔接连接法
铜接地体之间的连接还可以采用铝钒氧化铜放热熔接连接法。这种方法在国内应用时间不长，案例也不普遍，且多数是国外公司的焊剂。铝钒氧化铜放热熔接连接法的焊剂主要由引燃药剂、焊药（氧化铜和铝钒的粉末添加少量锡等金属粉末）及添加剂组成，利用化学反应（燃烧时）铜基放热反应产生的高温（约2200℃），使材料完成熔接的方法。
铝钒氧化铜放热熔接连接法可以完成各种导线间不同方式的连接，如直通型、丁字型、十字型等；还可以完成不同材质导线的连接，如普通钢铁、铜、镀锌钢、铜包钢等之间的连接；甚至可以实现导体间不同形状的连接，如铜导线与铜包钢接地棒的连接、铜导线与铜板的连接、铜导线与接地镀锌钢管的连接、导线与钢筋的连接以及导线与槽钢的连接。这种方法接头有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好、接触电阻低，已逐步得到推广应用，其缺点是价格贵，基层施工人员对其特性认识不足。
6、铜接地体施工中应注意的问题
变电站GIS的铜接地体施工中应注意3个问题。
6.1.三相共箱式或分相式的GIS，其基座上的每一接地主干线，应采用分设其两端的接地线与变电站的主接地网连接。接地线并应和GIS室内环形接地主干线连接。接地主干线较长时，其中部宜另加接地线，并连接至变电站主接地网。
6.2当GIS露大布置或装设在室内与土壤直接接触的地而上时，其接地开关、金属氧化物避雷器，电流、电压互感器和避雷针的专用接地端子与GIS接地主干线的连接处，宜装设集中接地装置，集中接地装置可垂直布置。
6.3 GIS室内应敷设环形接地干线，室内各种设备需接地的部位应以最短路径与环形接地主干线连接。GIS布置于室内楼板上时，其基座卜的钢筋混凝土地板中的钢筋应焊接成网，并和环形接地主干线连接。
7、结论
电力系统采用铜接地装置具有明显的经济效益，逐步替代镀锌钢接地装置是发展趋势。铜接地装置寿命是钢接地装置的5倍，而造价仅是钢接地装置的1.5倍。铜接地装置相关技术成熟，施工简单，运行维护量小，对设备和人身更加安全。
参考文献：
[1]徐华.大型变电站钢材和铜材接地网的性能比较[J].高电压技术，2012，30（7）
[2]楼国城.电力系统铜接地网的应用[J].电能效益.2005（6）
[3]王守奎.接地材料和连接方式的选择.广东电力，2004，（10）
【关键词】 电力系统；铜材；接地装置；应用
现在越来越多的变电站建于地域狭窄的城市群中，它们均毫不例外地选用了全室内或室外六氟化硫气体绝缘全封闭组合电器GIS（SF6 Gas Insulated Switchgear）配电装置形式或不包括母线的H-GIS（Hydride-GIS）配电装置形式，目的就是尽量少占土地。若仍然按以钢质水平接地体为主的思路做接地系统，则变电站接地网的接地电阻阻值往往达不到要求，或根木不可能达到预期效果。同时，由于受变电站征地、地形等各方面原因的限制，接地网向水平方向扩张的可能性很小，工程技术人员已将注意的焦点集中到向纵深方向和接地体材质两方面发展，为此铜接地体技术应运而生。
1、铜接地体在GIS变电站应用的优越性
铜接地体在导电性能、耐腐蚀性和施工便利方面和热镀锌钢接地体相比有很大的优越性。
1.1铜接地体导电性能
作为接地材料，铜比钢要好，主要表现在导电性能上。铜和钢在20℃时的电阻率分别是17.24×10-9Ωm和138.24×10-9Ωm，对比出铜的导电率为钢的8倍。
1.2铜接地体耐腐蚀性能
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。接地体在地下的腐蚀速度受土壤的电阻率、含水量、含氧量、酸碱度、电解质、杂散电流及土壤的压实情况等因素影响，埋于地下的水平接地网（热镀锌扁钢）及接地引下线（热镀锌圆钢）的平均腐蚀速度约为0.2mm/a，按现有国家标准设计施工，要满足接地体30年使用寿命的要求十分困难。
铜的耐腐蚀性能比热镀锌钢强3倍，铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），对内部的铜起了很好的保护作用，阻断了腐蚀的形成；而钢材是逐层被腐蚀，镀锌层有一定的抗腐蚀性，钢材经过热镀锌后的抗腐蚀能力提高1倍左右，但也无法避免接头部位经过高温电弧焊接加工后的腐蚀情况，一般只能保证10年。
由于市区GIS变电站的面积小，整个变电站的地网就在建筑物底下的特殊性，接地网在变电站投产后很难进行更换改造，因此建议在今后设计GIS变电站时，采用铜材作为接地首选材料，这样，价格增加不多，而耐腐蚀时间却要长很多，更省却了大量的钢材防腐蚀处理的难题。
1.3铜接地体比热镀锌钢施工方便
（1）由于铜线柔性好，允许的弯度半径小，所以拐弯方便，穿管容易。
（2）由于铜线抗疲劳、反复折弯不易断裂，所以接线方便。
（3）由于铜线的机械强度高，能成卷供货，可承受较大的机械拉力，给施工敷设带来很大便利，也为机械化施工创造了条件。
（4）根据电缆厂提供的产品目录，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绞线和扁铜条。
2、采用铜接地装置的必然性
我国以前采用铜接地装置，在使用几十年钢接地装置后，又开始逐步采用铜接地装置，这是为什么呢？主要原因如下：
2.1铜接地装置比钢接地装置使用寿命长。
铜接地装置防腐性能突出，使用寿命可达50年，这在国内外已得到充分证明。钢接地装置在防腐方面不尽人意，接地装置寿命往往达不到设计寿命，一般在10年左右，如天津市电力公司调查表明，天津地区钢接地装置的年腐蚀率为1mm/a，220kV变电站接地装置的使用寿命仅为5～7年。
2.2铜接地装置具有巨大的经济效益。
钢接地装置由于使用寿命短，需要反复改造，多次投资，累积投资远远超过铜接地装置。
2.3铜接地装置运行维护工作量较小。
由于镀锌钢接地装置性能不稳定，因此，规程制定了严格的检查、试验项目，如《电力设备预防性试验规程》要求钢接地装置每6年进行一次接地电阻测试，每8年开挖检查一次。对于市中心的地下站和室内站，由于高楼林立，上千米的电压线和电流线的放线工作很难达到要求，接地电阻测试相当困难，接地装置在建筑物下面也很难开挖检查。如果采用铜接地装置，运行维护工作量将大大减小。
2.4铜接地装置的接触电位差和跨步电位差
相对较小，人身更加安全。铜材相对磁导率为1，钢材相对磁导率为636，接地装置的电位差随着相对磁导率的增大而增大，这就意味着在相同条件下，铜接地装置的接触电位差和跨步电位差相对较小，人身更加安全。
3、铜材接地使用实例
其实在国内，老电厂采用铜材作接地材料的例子已有近百年的历史，如上海杨树浦电厂、湖北荆州沙市电厂等，只不过那是20世纪初外国人在中国建造的自备电厂。改革开放后，在电力系统以及其它行业，涉及到外商投资或合作项目，大多使用铜材作接地材料。目前在国内电力系统接地网使用铜材的案例也有很多，如秦山核电站、连云港核电站、内蒙古托克托电厂、广东台山电厂、福建湄洲湾电厂、北京朝阳门室内变电站、深圳220kV经贸地下式变电站、武汉110kV江汉路变电站以及北京、上海、深圳和武汉等城市的地铁、轻轨车站降压所等等。
当然这些项目选择铜材作接地材料有它的特殊性，有的是国家重点项目，有的是不易维护的工程，有的是为了防腐和考虑电化腐蚀等等。对一般项目，以銅材作接地材料则难以普及，在人们的印象中觉得这样造价太高，而实际情况并非如此。
4、铜接地装置技术
变电站铜接地装置设计时，采用下列方案较佳，接地网和引下线均采用铜材；或者接地网和引下线地下部分采用铜材，然后在离地面一段距离处再用镀锌钢连接。实践证明，接地引下线地下部分腐蚀比水平接地极还严重，因此，接地网用铜材而接地引下线用镀锌钢的设计方案不可取。铜材之间、铜-钢之间连接采用火泥熔接技术较佳。火泥熔接是利用化学反应产生3000℃左右的高温，使接头部分溶为一体形成分子结构。优点如下：由于高温反应使两金属已经融合，两金属间不存在腐蚀介质，因此，两金属间的腐蚀也就无法产生；熔接头的断面面积比熔接体断面大，载流能力大于原导体的载流能力；操作简单，人员易培训。铜材垂直接地极不能用手锤直接打入地中，可以先把直径相似的钢材垂直接地极打入地中，然后拔出，再把铜材垂直接地极放入洞中。 5、GIS装置使用铜接地体的连接方法
5.1铜银焊连接法
扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接都可以使用铜银焊连接法，常用的铜银焊接有乙炔焊、电弧焊等，但焊接都只是表而搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，特别是铜焊，即使是持有特殊工种上岗证，也比较容易出现一些焊接缺陷，无法从表而观察合格与否。基于以上原因，铜银焊连接法在电力工程接地系统实际施工中很少应用。
5.2压接线夹连接法
裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接大多使用压接线夹连接法。但这种方法比较适用于两条裸铜绞线一对一连接，无法做好十字交叉连接。如要十字交叉，则要求有特殊十字接線线夹，或者要先形成接地铜排和接地线夹，处理好两者之间的接触而后，再使用螺栓连接法。
5.3螺栓连接法
扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接还可用螺栓连接，它是和压接线夹连接法的相互补充。但螺栓连接处的接触标准应按现行国家标准《电气装置工程母线装置施工及验收规范》的规定处理。压接线夹法和螺栓连接法在施工现场应用最为广泛，这和我国的电力施工技术工人的认识和训练程度有着密切的关系。
5.4铝钒氧化铜放热熔接连接法
铜接地体之间的连接还可以采用铝钒氧化铜放热熔接连接法。这种方法在国内应用时间不长，案例也不普遍，且多数是国外公司的焊剂。铝钒氧化铜放热熔接连接法的焊剂主要由引燃药剂、焊药（氧化铜和铝钒的粉末添加少量锡等金属粉末）及添加剂组成，利用化学反应（燃烧时）铜基放热反应产生的高温（约2200℃），使材料完成熔接的方法。
铝钒氧化铜放热熔接连接法可以完成各种导线间不同方式的连接，如直通型、丁字型、十字型等；还可以完成不同材质导线的连接，如普通钢铁、铜、镀锌钢、铜包钢等之间的连接；甚至可以实现导体间不同形状的连接，如铜导线与铜包钢接地棒的连接、铜导线与铜板的连接、铜导线与接地镀锌钢管的连接、导线与钢筋的连接以及导线与槽钢的连接。这种方法接头有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好、接触电阻低，已逐步得到推广应用，其缺点是价格贵，基层施工人员对其特性认识不足。
6、铜接地体施工中应注意的问题
变电站GIS的铜接地体施工中应注意3个问题。
6.1.三相共箱式或分相式的GIS，其基座上的每一接地主干线，应采用分设其两端的接地线与变电站的主接地网连接。接地线并应和GIS室内环形接地主干线连接。接地主干线较长时，其中部宜另加接地线，并连接至变电站主接地网。
6.2当GIS露大布置或装设在室内与土壤直接接触的地而上时，其接地开关、金属氧化物避雷器，电流、电压互感器和避雷针的专用接地端子与GIS接地主干线的连接处，宜装设集中接地装置，集中接地装置可垂直布置。
6.3 GIS室内应敷设环形接地干线，室内各种设备需接地的部位应以最短路径与环形接地主干线连接。GIS布置于室内楼板上时，其基座卜的钢筋混凝土地板中的钢筋应焊接成网，并和环形接地主干线连接。
7、结论
电力系统采用铜接地装置具有明显的经济效益，逐步替代镀锌钢接地装置是发展趋势。铜接地装置寿命是钢接地装置的5倍，而造价仅是钢接地装置的1.5倍。铜接地装置相关技术成熟，施工简单，运行维护量小，对设备和人身更加安全。
参考文献：
[1]徐华.大型变电站钢材和铜材接地网的性能比较[J].高电压技术，2012，30（7）
[2]楼国城.电力系统铜接地网的应用[J].电能效益.2005（6）
[3]王守奎.接地材料和连接方式的选择.广东电力，2004，（10）