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摘 要：针对铜覆钢接地材料埋藏地下，缺陷不易在日常巡视中发现，而后果又十分严重。经过对一起缺陷现场进行排查，结合设计图纸、相关材料，分析金属腐蚀的原理，得出电化学腐蚀导致缺陷发生的结论。同时根据金属腐蚀的特点，提出防治意见。
关键词：铜覆钢接地;电化学腐蚀;防治
0 引言
供电车间对所辖线路进行周期巡视时发现，一处接地引下线锈蚀穿孔严重，部分引下线甚至断裂。通过检查发现，发生问题的接地引下线都是采用铜覆钢材料制成。由于无直接手段能检测缺陷原因，对此缺陷的原因只能探索分析。
笔者从资料搜集入手，结合金属腐蚀的基本原理，分析认为此次事件中使用的铜覆钢材料本身存在铜皮易剥落、附着力不够、铜皮薄容易破损的客观因素，但更大的可能是安装过程中的野蛮施工。
1 应用背景
铜覆钢是将铜皮采取特殊工艺紧密地覆盖于钢材表面形成的复合材料，外铜里钢的结构使得该材料兼有铜材良好的耐腐蚀、优异的导电性，以及钢材的强度高的特点。相关实验证明[1]，铜覆钢材料耐腐蚀能力较强，在一般腐蚀环境下可以保证30年的使用寿命。近年来，随着国内生产工艺的进步，制造成本显著下降，性价比凸显，愈来愈受到人们重视，并逐步在变电站、送电线路接地系统中得到应用[1][2]。
目前，国内送电线路的接地系统绝大多都采用热镀锌钢，钢材在热镀锌层的保护下，可以保持较长时间的耐腐蚀能力。但是在日常运行维护中，需要定期刷富锌漆、涂抹保护层，以维持其耐腐能力。在高腐蚀环境中锌层消耗过快，无法满足长时间运行的要求。国外传统做法是使用纯铜，成本高昂，容易被盗，反而不利于接地系统的稳定可靠运行。
从全寿命周期成本考虑，铜覆钢材料购置成本适中，运行费用低，并且电气特性出色，机械性能显著，显然比镀锌钢和纯铜材料更适应高腐环境的使用要求。
目前铜覆钢常用的生产方法有3种，分别是电镀法、冷拉、连铸法[3][4]。其工艺特点总结如下表：
2 线路运行情况
全线共设14座AC35/DC1.5kV、35/0.4kV牵引降压混合变电所，13座35/0.4kV降压变电所，8座35/0.4kV跟随式降压变电所。
考虑到最早试运行时间为2012年6月，可知发生问题的铜覆钢材料从建设到发现问题运行时间小于4年，从正式投运开始算则小于2年。
无锡地处亚热带季风气候，地处江南水乡，降水充足，河网密布，导致土壤潮湿，且年平均气温12℃以上，对埋藏在土壤中的接地材料的腐蚀性很强。
3 故障排查
经过全线巡视，对现场摸底发现以下线索：
1、镀铜钢绞线并没有出现明显的锈蚀断裂等现象，出现问题的都是镀铜钢棒;
2、铜覆钢锈蚀、断裂部位均发生在该材料的弯曲部位附近;
3、断裂位置均发生在地面与空气接触处。
根据以上线索，结合现场实际运行经验可以判断是由于安装过程中的整形破坏了镀铜层，导致日后运行过程中的锈蚀现象。由此可以分析原因：不合理的安装工艺造成了安装缺陷，最终导致了过快腐蚀和断裂问题。另一方面，施工作业承认由于不熟悉设备情况，安装整形时利用了老虎钳、尖嘴钳等工具夹持铜覆钢。工程选用的铜覆钢采用了镀铜工艺，铜层薄而脆，夹持部位易发生小伤口，正是在伤口处腐蚀发展穿孔甚至断裂。
与此同时，即使铜覆钢材料没有铜的保护，钢材也只坚持4年。这与我们日常经验不符。
笔者查阅相关资料认为，细微的伤口部位发生了电化学腐蚀，这造成有该材料短短4年内就发生穿孔断裂的主要原因。
4 伤口处的电化学腐蚀
化学腐蚀是造成钢材氧化损耗的主要原因，防止材料腐蚀也是供电系统日常维护工作中的一项重要内容。在这案例中，接地线所处环境潮湿，含盐量高，形成了电化学腐蚀。
铜和铁都是电子的良导体，土壤中的盐分是离子导体，钢芯的铁原子失去电子变成水膜中的铁离子，所失去的价电子通过铁传给铜并传给溶于水中的氧，与水分子一起形成OH离子，水膜中的OH与铁离子扩散到一起，形成氢氧化铁或含水氧化铁的形式沉淀在铁芯表面。
有两个很不利因素：
1、接地引下线所处环境湿度大，且含有盐分，存在离子导体，大大提高了水的导电性，大幅提高电化学腐蚀速度;
2、铁皮只有一小部分暴露。若没有铜片的存在，钢芯表面同时开始腐蚀，阴极阳极全部是微电极，阴阳极面积相等，全面腐蚀的速度稳定，分布比较均匀，腐蚀速度反而比较稳定。但是铜片的部分剥落，形成了微小的缝隙。此时只有缝隙处的铁原子失去电子，发生氧化反应，而水膜中的氧却均可以在与铜接触的任一部位得到电子形成氢氧根，即阳极面积远小于阴极。
本线路使用的铜覆钢材料采用电镀工艺，铜皮与钢材紧密度高，但是铜皮薄，性能脆，安装时易被老虎钳钳口夹伤，钢芯暴露，在含盐水浸泡下，铜皮与钢芯形成了天然的电化学腐蚀环境。这就是受伤的铜覆钢材料反而耐腐蚀能力不佳的原因。
5 結论
从以上分析可以得知，铜覆钢材料在外层铜皮的保护下，钢芯与外界物理隔离，使得该符合材料具有类似铜的防腐蚀能力，同时兼备钢材的高强度，成本适中，具有广阔的应用前景。然而我们也要清晰的认识到，铜皮对钢芯具有良好保护作用的前提是铜皮完整，不能存在细微伤口、刮痕、剥落等现象。生产、运输或安装一旦不慎，出现碰撞、磨损形成细微缺陷，钢芯暴露，铜皮的保护作用消失，反倒由于电化学反应，形成了大阴极小阳极的不利状况，大大加快缝隙处钢芯的腐蚀消耗速度。
因此，以后利用铜覆钢一定要高度注意以下事项：
1、务必保持铜层的完整性。加强产品出厂验收和投运验收，不能出现剥皮、夹伤、焊接不完整等现象，同时避免接地引下线大角度弯曲。整形时，不能使用硬质金属工具夹持。
2、铜覆钢材料施工要求高，条件允许时，建议施工方将铜覆钢材料施工交与厂家施工，防止出现质量扯皮现象。
3、建议采购连铸法生产的铜覆钢材料，保证铜皮厚度。
参考文献：
[1]马光， 韩钰， 聂京凯，等. 电气工程接地用铜覆钢腐蚀性能研究[J]. 华东电力， 2010， 38（11）：1736-1739.
[2]文习山， 宋周， 谭波，等. 铜覆钢接地导体的电气性能[J]. 高电压技术， 2015， 41（2）.
[3]贺飞， 刘利梅， 钟云，等. 铜包钢线材及其生产工艺[J]. 表面技术， 2007， 36（5）：000078-90.
[4]王庆娟， 杜忠泽， 王海波. 铜包钢线生产工艺的特点及现状[J]. 电线电缆， 2002（4）：15-17.
关键词：铜覆钢接地;电化学腐蚀;防治
0 引言
供电车间对所辖线路进行周期巡视时发现，一处接地引下线锈蚀穿孔严重，部分引下线甚至断裂。通过检查发现，发生问题的接地引下线都是采用铜覆钢材料制成。由于无直接手段能检测缺陷原因，对此缺陷的原因只能探索分析。
笔者从资料搜集入手，结合金属腐蚀的基本原理，分析认为此次事件中使用的铜覆钢材料本身存在铜皮易剥落、附着力不够、铜皮薄容易破损的客观因素，但更大的可能是安装过程中的野蛮施工。
1 应用背景
铜覆钢是将铜皮采取特殊工艺紧密地覆盖于钢材表面形成的复合材料，外铜里钢的结构使得该材料兼有铜材良好的耐腐蚀、优异的导电性，以及钢材的强度高的特点。相关实验证明[1]，铜覆钢材料耐腐蚀能力较强，在一般腐蚀环境下可以保证30年的使用寿命。近年来，随着国内生产工艺的进步，制造成本显著下降，性价比凸显，愈来愈受到人们重视，并逐步在变电站、送电线路接地系统中得到应用[1][2]。
目前，国内送电线路的接地系统绝大多都采用热镀锌钢，钢材在热镀锌层的保护下，可以保持较长时间的耐腐蚀能力。但是在日常运行维护中，需要定期刷富锌漆、涂抹保护层，以维持其耐腐能力。在高腐蚀环境中锌层消耗过快，无法满足长时间运行的要求。国外传统做法是使用纯铜，成本高昂，容易被盗，反而不利于接地系统的稳定可靠运行。
从全寿命周期成本考虑，铜覆钢材料购置成本适中，运行费用低，并且电气特性出色，机械性能显著，显然比镀锌钢和纯铜材料更适应高腐环境的使用要求。
目前铜覆钢常用的生产方法有3种，分别是电镀法、冷拉、连铸法[3][4]。其工艺特点总结如下表：
2 线路运行情况
全线共设14座AC35/DC1.5kV、35/0.4kV牵引降压混合变电所，13座35/0.4kV降压变电所，8座35/0.4kV跟随式降压变电所。
考虑到最早试运行时间为2012年6月，可知发生问题的铜覆钢材料从建设到发现问题运行时间小于4年，从正式投运开始算则小于2年。
无锡地处亚热带季风气候，地处江南水乡，降水充足，河网密布，导致土壤潮湿，且年平均气温12℃以上，对埋藏在土壤中的接地材料的腐蚀性很强。
3 故障排查
经过全线巡视，对现场摸底发现以下线索：
1、镀铜钢绞线并没有出现明显的锈蚀断裂等现象，出现问题的都是镀铜钢棒;
2、铜覆钢锈蚀、断裂部位均发生在该材料的弯曲部位附近;
3、断裂位置均发生在地面与空气接触处。
根据以上线索，结合现场实际运行经验可以判断是由于安装过程中的整形破坏了镀铜层，导致日后运行过程中的锈蚀现象。由此可以分析原因：不合理的安装工艺造成了安装缺陷，最终导致了过快腐蚀和断裂问题。另一方面，施工作业承认由于不熟悉设备情况，安装整形时利用了老虎钳、尖嘴钳等工具夹持铜覆钢。工程选用的铜覆钢采用了镀铜工艺，铜层薄而脆，夹持部位易发生小伤口，正是在伤口处腐蚀发展穿孔甚至断裂。
与此同时，即使铜覆钢材料没有铜的保护，钢材也只坚持4年。这与我们日常经验不符。
笔者查阅相关资料认为，细微的伤口部位发生了电化学腐蚀，这造成有该材料短短4年内就发生穿孔断裂的主要原因。
4 伤口处的电化学腐蚀
化学腐蚀是造成钢材氧化损耗的主要原因，防止材料腐蚀也是供电系统日常维护工作中的一项重要内容。在这案例中，接地线所处环境潮湿，含盐量高，形成了电化学腐蚀。
铜和铁都是电子的良导体，土壤中的盐分是离子导体，钢芯的铁原子失去电子变成水膜中的铁离子，所失去的价电子通过铁传给铜并传给溶于水中的氧，与水分子一起形成OH离子，水膜中的OH与铁离子扩散到一起，形成氢氧化铁或含水氧化铁的形式沉淀在铁芯表面。
有两个很不利因素：
1、接地引下线所处环境湿度大，且含有盐分，存在离子导体，大大提高了水的导电性，大幅提高电化学腐蚀速度;
2、铁皮只有一小部分暴露。若没有铜片的存在，钢芯表面同时开始腐蚀，阴极阳极全部是微电极，阴阳极面积相等，全面腐蚀的速度稳定，分布比较均匀，腐蚀速度反而比较稳定。但是铜片的部分剥落，形成了微小的缝隙。此时只有缝隙处的铁原子失去电子，发生氧化反应，而水膜中的氧却均可以在与铜接触的任一部位得到电子形成氢氧根，即阳极面积远小于阴极。
本线路使用的铜覆钢材料采用电镀工艺，铜皮与钢材紧密度高，但是铜皮薄，性能脆，安装时易被老虎钳钳口夹伤，钢芯暴露，在含盐水浸泡下，铜皮与钢芯形成了天然的电化学腐蚀环境。这就是受伤的铜覆钢材料反而耐腐蚀能力不佳的原因。
5 結论
从以上分析可以得知，铜覆钢材料在外层铜皮的保护下，钢芯与外界物理隔离，使得该符合材料具有类似铜的防腐蚀能力，同时兼备钢材的高强度，成本适中，具有广阔的应用前景。然而我们也要清晰的认识到，铜皮对钢芯具有良好保护作用的前提是铜皮完整，不能存在细微伤口、刮痕、剥落等现象。生产、运输或安装一旦不慎，出现碰撞、磨损形成细微缺陷，钢芯暴露，铜皮的保护作用消失，反倒由于电化学反应，形成了大阴极小阳极的不利状况，大大加快缝隙处钢芯的腐蚀消耗速度。
因此，以后利用铜覆钢一定要高度注意以下事项：
1、务必保持铜层的完整性。加强产品出厂验收和投运验收，不能出现剥皮、夹伤、焊接不完整等现象，同时避免接地引下线大角度弯曲。整形时，不能使用硬质金属工具夹持。
2、铜覆钢材料施工要求高，条件允许时，建议施工方将铜覆钢材料施工交与厂家施工，防止出现质量扯皮现象。
3、建议采购连铸法生产的铜覆钢材料，保证铜皮厚度。
参考文献：
[1]马光， 韩钰， 聂京凯，等. 电气工程接地用铜覆钢腐蚀性能研究[J]. 华东电力， 2010， 38（11）：1736-1739.
[2]文习山， 宋周， 谭波，等. 铜覆钢接地导体的电气性能[J]. 高电压技术， 2015， 41（2）.
[3]贺飞， 刘利梅， 钟云，等. 铜包钢线材及其生产工艺[J]. 表面技术， 2007， 36（5）：000078-90.
[4]王庆娟， 杜忠泽， 王海波. 铜包钢线生产工艺的特点及现状[J]. 电线电缆， 2002（4）：15-17.