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[摘要]随着经济的发展，变电站接地系统的安全问题日益引起电力行业的重视。胜利油田现有多数变电站多采用镀锌钢接地系统，这种接地系统耐腐蚀能力差、使用寿命短，成为安全运行的隐患，另外需要经常维护，维护成本高，增加电力工人的劳动强度。针对以上问题，胜利油田新建变电所多采用铜包钢接地系统，不仅克服钢接地系统的缺点，而且大大提高电网安全运行水平。
[关键词]变电站 接地系统 铜包钢 安全
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110018－02
胜利油田地处黄河入海口、渤海之滨，海拔低，地下水位高，一般为±0.0～1.0m，地下水矿化度高，土壤盐渍化严重。地下水主要是海水，且水位变化范围恰在接地体敷设范围之内，对接地体腐蚀性极大。胜利油田变电所接地系统特点：新建接地系统一般不需采取其它特别降阻措施，工频接地电阻均满足设计要求。随着使用年限的增加，接地系统腐蚀严重，尤其在焊接点处由于严重锈蚀接触不良或断线问题时有发生，成为安全生产的极大隐患，威胁着电网设备及人身安全。因此胜利油田变电站接地系统的关键问题是防腐问题及地网使用寿命问题。
一、胜利油田变电所接地系统现状
胜利油田电网担负着向全国第二大油田胜利油田供电的重要使命，作为电网重要组成部分的变电所其在安全运行、保障居民生活及油气生产供电的意义是毋庸置疑的；随着国际、国内对石油资源的需求增长，对变电所安全运行的要求更是首当其冲。
胜利油田电网现有多数变电所的接地系统均采用镀锌钢接地系统。老变电所接地系统现状堪忧。以110KV田庄变电所为例，该变电所于1998年投产运行，位于胜利油田东部，濒临渤海湾不足10公里，地下水位高。根据运行规程每年对接地网进行接地电阻的测量工作，自2004年发现接地电阻不达标后就进行局部整改，当年整改合格后，次年复查又不达标，年年整改，年年是事故隐患。曾经挖开接地系统检查，发现接地系统锈蚀极其严重，局部修复已无价值。只能全部清理整改，施工工期长、不安全因素多。另外，像东营地区的广一变也面临过这样的问题。
我国接地装置设计及施工标准是参照前苏联标准制订的，接地材料沿用前苏联接地的做法，使用钢材做接地材料。作为我国电力行业的接地标准DL/T621-1997中明确了钢材作为接地材料及其截面的要求[1]，然而据了解，在美国及欧洲国家，普遍使用铜材作为接地材料，并有相关技术标准，如美国的IEEE Std80大纲，这项技术已成为国外电力行业普遍遵循的规范。就国内电力行业的接地网事故，国家电力公司在2000年发布了《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中专门提到“接地网存在的关键的问题，一是缺乏防腐措施，容易腐蚀；二是热稳定水平比变电所的一次设备相差十倍或几十倍，所以发生故障，首先烧断接地网。目前接地网存在的问题带普遍性。因此，都要十分重视检查、改善接地网的工作。”、“在腐蚀性比较严重的枢纽变电所宜采用铜材接地网”[2]。
作为国家电网的组成部分，胜利油田电网借鉴国内外先进经验，采用新材料、新工艺，不断加强接地网的防腐能力、提高接地网的安全水平。近几年，胜利油田电网根据胜利油田地质特点以及变电站微机自动化保护的推广实施，在新建变电所广泛使用铜接地系统。
二、接地材料的选择
（一）铜和钢接地比较
性能比较：众所周知，作为接地材料铜比钢要好。其一就是铜的导电性好、泄流快。铜和钢在20℃时的电阻率分别是17.24*10-6(Ω .mm)和1.38*10-6(Ω .mm)，由此可见铜的导电率是钢的8倍。其二是铜的耐腐蚀性强。铜得表面会产生附着力极强的氧化物-铜绿，它对内部的铜起到很好的保护作用，阻断了腐蚀的形成；而钢材是逐层被腐蚀，镀锌层有很好的防腐功能，但反而降低了导电性，由于趋肤效应对高频故障电流尤其明显。
我国电力行业标准DL/T621-1997中根据热稳定条件，接地线的最小截面应符合下式要求：
式中：Ig－流过接地线的短路电流稳定值，A
Te－短路的等效持续时间，s
c-接地材料的热稳定系数；近似取铜为210，钢为70
最小截面的计算：以110KV变电站为例，按常规最大短路电流Ig取15000A，短路持续时间tc=0.5s，选用接地铜材的最小截面为50.5(mm2)；选用接地钢材的最小截面为151.5（mm2)。
按上式根据热稳定条件计算可得出，选用钢材做接地材料时其截面是选用铜材的3倍。考虑电阻、腐蚀和连接等因素的影响，我们得出以下结论：
（1）根据热稳定条件，避免接地线、接地体熔化，铜材与钢材的截面比为1：3。胜利油田传统接地极采用L50*5*2500角钢，根据以上计算，与Ф10的铜棒相当。
（2）要使接地导体本身电阻相同，铜材与钢材的截面比为1：8。
考虑到腐蚀和连接头的影响，钢材截面还要扩大，而铜材可以不考虑这问题。
（二）价格比较
毋庸置疑，铜接地系统价格高。为减少工程造价，在一般腐蚀性场所垂直接地极常采用铜包钢材料代替纯铜。
在发达国家，由于铜包钢材料既有铜的良好导电性又有钢的强度，且具有极强的防腐性能，已被广泛应用于接地装置中。所谓铜包钢材料就是由纯度为99.9%的电解铜分子覆盖到低碳钢芯上制成的金属复合材料，镀铜层厚度一般为0.25mm、0.5mm、1mm，故抗腐蚀性强，其寿命可在30年以上，减少了维护费用。传统镀锌导体镀锌层只有0.06mm，在常规环境中3-8年左右其表面被腐蚀，使接触电阻迅速增大，按变电所常规设计30年寿命，那么接地网用镀锌材料就得改造三次。综合考虑使用年限、维修费用，接地电阻稳定性等，铜接地系统优于传统钢接地系统。
三、导体连接方式
发电厂和变电所的接地网，金属导体之间存在大量连接。铜导体之间以及铜和钢之间连接通常采用放热熔焊。IEEE std.80-1976早已推举放热熔接法为接地线路的最好方法。
放热熔焊也称“铝热焊接”，是一种铝还原另一种金属氧化物（通常是铜或铁的氧化物）这样一个放热反应（铝热焊反应）生成熔融的铜或铁来实现焊接的工艺。热熔焊接化学反应速度非常快，仅几秒（温度达到2000℃）就可以完成焊接，产生极高热量可以有效地传导至熔接部位，使其熔为一体，形成分子结合。
放热熔焊俗称“火泥熔焊”。使用放热熔接时，必须使用特制的铸模（mould）为工具。此熔模能够承受超高温的金属熔化。熔模由几部分组合而成，包括模穴、注入孔、熔接剂等等。此熔模有不同形式的连接，如直通型、丁字型、十字型等等。熔穴的形状、尺寸及熔化金属的流向均经过严密地设计制造，所以火泥熔接而成的接头不仅外形美观一致，而且品质一致，是其它焊接方法无法比拟的。
放热熔焊的特点和优点：
（1）焊接点的载流能力与导线的载流能力相等，不会增加电阻率；
（2）焊接点是永久性的，不会老化；
（3）焊接是一种永久性的分子结合，没有接触面和机械压力，具有较大的散热面积，不会松脱；
（4）焊接点像铜一样，而比铜本身更加坚韧，且不受腐蚀性产物的影响；
（5）焊接点能经受反复多次的大浪涌（故障）电流而不退化，熔接质量远远优于传统的电焊和氧焊；
（6）焊接方法简单，培训容易，不需要特别的技术工人；
（7）供焊接用的材料很轻，易于学习掌握，携带方便；
（8）进行焊接时，无需依靠外接电源或热源，更不需复杂的设备；
（9）从外观便能核查焊接的质量；
（10）可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢包括不锈钢及高阻加热热源材料。
在国内，放热熔接技术已通过国家电力公司武汉高压研究所、浙江电力试验研究所和铁道部产品质量监督检验中心的检验，并已广泛应用于电力、铁路等系统的重点工程。
四、结论
最近5年胜利油田新建变电站埋设的主接地网均由Ф14.2*2400铜包钢垂直接地极和TJ-120铜绞线水平接地线通过放热焊接组成，接地引下线至地下接地网的连接亦采用放热熔焊。这样凡是在地下连接的接地材料均通过“火泥熔焊”进行连接，接地电阻小，耐腐蚀能力强，其设计使用寿命可以达到30-50年。接地引下线至被保护设备之间的连接按照《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》采用螺栓连接[3]，地上部分的其它连接仍采用传统搭接电焊。如2006年投产的位于渤海边的海港临变电所就采用了铜包钢接地系统。2年里对其接地系统进行检查、检测：表面铜层未见异常、接地电阻阻值稳定，保持在设计要求0.5Ω之下。另外，新建110KV坨四变电所、110KV坨八变电所、110KV坨九变电所都拟采用铜包钢接地系统。
随着经济的发展及技术的进步，越来越多的新技术、新材料会应用在胜利油田变电站接地系统中，如铜接地系统、免维护电解离子接地系统、低电阻接地模块等等。铜包钢接地系统在胜利油田的推广使用，一方面大大降低接地网的工频接地电阻，提高系统耐腐蚀能力，增加使用寿命，减少维修费用，减少接触电压和跨步电压、满足微机保护自动化设备耐压水平低的要求，另一方面整体提高了变电站安全运行水平，体现了胜利油田变电所接地系统正逐步与国际接地系统标准接轨。这是大势所趋。
参考文献：
[1]《交流电气装置的接地》.电力行业标准DL/T61-1997.
[2]《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》.国家电力公司.2000-9-28.
[3]《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》.GB50169-1992.
作者简介：
张瑞梅，1990年毕业于山东工业大学电气技术专业，获工学学士学位，2002年西安交通大学电气工程领域，获工程硕士学位，现从事变电站施工技术工作。
[关键词]变电站 接地系统 铜包钢 安全
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110018－02
胜利油田地处黄河入海口、渤海之滨，海拔低，地下水位高，一般为±0.0～1.0m，地下水矿化度高，土壤盐渍化严重。地下水主要是海水，且水位变化范围恰在接地体敷设范围之内，对接地体腐蚀性极大。胜利油田变电所接地系统特点：新建接地系统一般不需采取其它特别降阻措施，工频接地电阻均满足设计要求。随着使用年限的增加，接地系统腐蚀严重，尤其在焊接点处由于严重锈蚀接触不良或断线问题时有发生，成为安全生产的极大隐患，威胁着电网设备及人身安全。因此胜利油田变电站接地系统的关键问题是防腐问题及地网使用寿命问题。
一、胜利油田变电所接地系统现状
胜利油田电网担负着向全国第二大油田胜利油田供电的重要使命，作为电网重要组成部分的变电所其在安全运行、保障居民生活及油气生产供电的意义是毋庸置疑的；随着国际、国内对石油资源的需求增长，对变电所安全运行的要求更是首当其冲。
胜利油田电网现有多数变电所的接地系统均采用镀锌钢接地系统。老变电所接地系统现状堪忧。以110KV田庄变电所为例，该变电所于1998年投产运行，位于胜利油田东部，濒临渤海湾不足10公里，地下水位高。根据运行规程每年对接地网进行接地电阻的测量工作，自2004年发现接地电阻不达标后就进行局部整改，当年整改合格后，次年复查又不达标，年年整改，年年是事故隐患。曾经挖开接地系统检查，发现接地系统锈蚀极其严重，局部修复已无价值。只能全部清理整改，施工工期长、不安全因素多。另外，像东营地区的广一变也面临过这样的问题。
我国接地装置设计及施工标准是参照前苏联标准制订的，接地材料沿用前苏联接地的做法，使用钢材做接地材料。作为我国电力行业的接地标准DL/T621-1997中明确了钢材作为接地材料及其截面的要求[1]，然而据了解，在美国及欧洲国家，普遍使用铜材作为接地材料，并有相关技术标准，如美国的IEEE Std80大纲，这项技术已成为国外电力行业普遍遵循的规范。就国内电力行业的接地网事故，国家电力公司在2000年发布了《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中专门提到“接地网存在的关键的问题，一是缺乏防腐措施，容易腐蚀；二是热稳定水平比变电所的一次设备相差十倍或几十倍，所以发生故障，首先烧断接地网。目前接地网存在的问题带普遍性。因此，都要十分重视检查、改善接地网的工作。”、“在腐蚀性比较严重的枢纽变电所宜采用铜材接地网”[2]。
作为国家电网的组成部分，胜利油田电网借鉴国内外先进经验，采用新材料、新工艺，不断加强接地网的防腐能力、提高接地网的安全水平。近几年，胜利油田电网根据胜利油田地质特点以及变电站微机自动化保护的推广实施，在新建变电所广泛使用铜接地系统。
二、接地材料的选择
（一）铜和钢接地比较
性能比较：众所周知，作为接地材料铜比钢要好。其一就是铜的导电性好、泄流快。铜和钢在20℃时的电阻率分别是17.24*10-6(Ω .mm)和1.38*10-6(Ω .mm)，由此可见铜的导电率是钢的8倍。其二是铜的耐腐蚀性强。铜得表面会产生附着力极强的氧化物-铜绿，它对内部的铜起到很好的保护作用，阻断了腐蚀的形成；而钢材是逐层被腐蚀，镀锌层有很好的防腐功能，但反而降低了导电性，由于趋肤效应对高频故障电流尤其明显。
我国电力行业标准DL/T621-1997中根据热稳定条件，接地线的最小截面应符合下式要求：
式中：Ig－流过接地线的短路电流稳定值，A
Te－短路的等效持续时间，s
c-接地材料的热稳定系数；近似取铜为210，钢为70
最小截面的计算：以110KV变电站为例，按常规最大短路电流Ig取15000A，短路持续时间tc=0.5s，选用接地铜材的最小截面为50.5(mm2)；选用接地钢材的最小截面为151.5（mm2)。
按上式根据热稳定条件计算可得出，选用钢材做接地材料时其截面是选用铜材的3倍。考虑电阻、腐蚀和连接等因素的影响，我们得出以下结论：
（1）根据热稳定条件，避免接地线、接地体熔化，铜材与钢材的截面比为1：3。胜利油田传统接地极采用L50*5*2500角钢，根据以上计算，与Ф10的铜棒相当。
（2）要使接地导体本身电阻相同，铜材与钢材的截面比为1：8。
考虑到腐蚀和连接头的影响，钢材截面还要扩大，而铜材可以不考虑这问题。
（二）价格比较
毋庸置疑，铜接地系统价格高。为减少工程造价，在一般腐蚀性场所垂直接地极常采用铜包钢材料代替纯铜。
在发达国家，由于铜包钢材料既有铜的良好导电性又有钢的强度，且具有极强的防腐性能，已被广泛应用于接地装置中。所谓铜包钢材料就是由纯度为99.9%的电解铜分子覆盖到低碳钢芯上制成的金属复合材料，镀铜层厚度一般为0.25mm、0.5mm、1mm，故抗腐蚀性强，其寿命可在30年以上，减少了维护费用。传统镀锌导体镀锌层只有0.06mm，在常规环境中3-8年左右其表面被腐蚀，使接触电阻迅速增大，按变电所常规设计30年寿命，那么接地网用镀锌材料就得改造三次。综合考虑使用年限、维修费用，接地电阻稳定性等，铜接地系统优于传统钢接地系统。
三、导体连接方式
发电厂和变电所的接地网，金属导体之间存在大量连接。铜导体之间以及铜和钢之间连接通常采用放热熔焊。IEEE std.80-1976早已推举放热熔接法为接地线路的最好方法。
放热熔焊也称“铝热焊接”，是一种铝还原另一种金属氧化物（通常是铜或铁的氧化物）这样一个放热反应（铝热焊反应）生成熔融的铜或铁来实现焊接的工艺。热熔焊接化学反应速度非常快，仅几秒（温度达到2000℃）就可以完成焊接，产生极高热量可以有效地传导至熔接部位，使其熔为一体，形成分子结合。
放热熔焊俗称“火泥熔焊”。使用放热熔接时，必须使用特制的铸模（mould）为工具。此熔模能够承受超高温的金属熔化。熔模由几部分组合而成，包括模穴、注入孔、熔接剂等等。此熔模有不同形式的连接，如直通型、丁字型、十字型等等。熔穴的形状、尺寸及熔化金属的流向均经过严密地设计制造，所以火泥熔接而成的接头不仅外形美观一致，而且品质一致，是其它焊接方法无法比拟的。
放热熔焊的特点和优点：
（1）焊接点的载流能力与导线的载流能力相等，不会增加电阻率；
（2）焊接点是永久性的，不会老化；
（3）焊接是一种永久性的分子结合，没有接触面和机械压力，具有较大的散热面积，不会松脱；
（4）焊接点像铜一样，而比铜本身更加坚韧，且不受腐蚀性产物的影响；
（5）焊接点能经受反复多次的大浪涌（故障）电流而不退化，熔接质量远远优于传统的电焊和氧焊；
（6）焊接方法简单，培训容易，不需要特别的技术工人；
（7）供焊接用的材料很轻，易于学习掌握，携带方便；
（8）进行焊接时，无需依靠外接电源或热源，更不需复杂的设备；
（9）从外观便能核查焊接的质量；
（10）可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢包括不锈钢及高阻加热热源材料。
在国内，放热熔接技术已通过国家电力公司武汉高压研究所、浙江电力试验研究所和铁道部产品质量监督检验中心的检验，并已广泛应用于电力、铁路等系统的重点工程。
四、结论
最近5年胜利油田新建变电站埋设的主接地网均由Ф14.2*2400铜包钢垂直接地极和TJ-120铜绞线水平接地线通过放热焊接组成，接地引下线至地下接地网的连接亦采用放热熔焊。这样凡是在地下连接的接地材料均通过“火泥熔焊”进行连接，接地电阻小，耐腐蚀能力强，其设计使用寿命可以达到30-50年。接地引下线至被保护设备之间的连接按照《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》采用螺栓连接[3]，地上部分的其它连接仍采用传统搭接电焊。如2006年投产的位于渤海边的海港临变电所就采用了铜包钢接地系统。2年里对其接地系统进行检查、检测：表面铜层未见异常、接地电阻阻值稳定，保持在设计要求0.5Ω之下。另外，新建110KV坨四变电所、110KV坨八变电所、110KV坨九变电所都拟采用铜包钢接地系统。
随着经济的发展及技术的进步，越来越多的新技术、新材料会应用在胜利油田变电站接地系统中，如铜接地系统、免维护电解离子接地系统、低电阻接地模块等等。铜包钢接地系统在胜利油田的推广使用，一方面大大降低接地网的工频接地电阻，提高系统耐腐蚀能力，增加使用寿命，减少维修费用，减少接触电压和跨步电压、满足微机保护自动化设备耐压水平低的要求，另一方面整体提高了变电站安全运行水平，体现了胜利油田变电所接地系统正逐步与国际接地系统标准接轨。这是大势所趋。
参考文献：
[1]《交流电气装置的接地》.电力行业标准DL/T61-1997.
[2]《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》.国家电力公司.2000-9-28.
[3]《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》.GB50169-1992.
作者简介：
张瑞梅，1990年毕业于山东工业大学电气技术专业，获工学学士学位，2002年西安交通大学电气工程领域，获工程硕士学位，现从事变电站施工技术工作。