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摘要：变电站接地系统是保障人身和设备安全运行的重要保证措施。文章通过对站址土壤腐蚀性分析，比较镀锌扁钢、铜覆钢及铜在导电性、热稳定性、防腐性能及经济性方面的综合特点，结合以往工程经验，考虑接地网大部分位于建筑基础下，得出主接地网材料地下部分采用铜和地上部分采用扁钢的混合性地网的结论。
关键词：接地材料 全寿命 经济
引言
变电站接地系统起着保障系统安全可靠运行的作用，同时也保护着运行人员和电气设备的安全。随着电力系统容量的增大，变电站的规模逐步扩大，工程选址往往比较复杂，不同的地质情况对接地设计往往有着不同的要求，接地设计的要求也越来越高。为满足电力系统安全可靠的运行，变电站接地材质的分析与研究将具有十分重要的意义。
一、接地材料性能分析
接地系统长期安全可靠运行的关键在于选择合适的接地材料，目前常用的接地材料有扁钢、铜覆钢及铜排等，下面分别从导电性、热稳定性以及耐腐蚀性等方面进行详细比较。
1.耐腐蚀性能比较
接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，多数情况下，两种腐蚀同时存在。影响金属材料在土壤中的腐蚀特性的因素主要有电阻率、含水量、含盐量、酸碱度含氧量、温度、微生物以及杂散电流等。
（1）镀锌扁钢
钢的主要元素铁的标准电极电位为-0.409V，容易失去电子在土壤中被腐蚀（氧化）。两性金属锌，易溶于酸，也能溶于碱，它的标准电极电位为-0.7628V，比铁还原性弱。镀锌扁钢的镀层破损或遭腐蚀生成Fe-Zn原电池时，锌镀层首先牺牲溶解，保护扁钢。因此扁钢上的镀锌层不是单纯的机械保护作用，而是通过电化学作用保护基体免遭腐蚀，即使锌层不完整也会起到这个作用。另因锌层的耐蚀性很大程度上决定于镀层上钝化膜的耐蚀性，钝化了的锌镀层其耐蚀性一般大约可提高8～20倍。
（2）铜
铜材的表面在有氧环境中会产生腐蚀性极强的氧化物（铜绿），这些铜绿为铜的钝化层，对内部的铜有很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。实践证明，铜接地体在中性及碱性土壤中耐腐蚀性很强，可以满足40年的寿命要求。在酸性土壤中耐腐蚀性减弱。
（3）铜覆钢
铜覆钢是作为芯体的钢表面被铜膜包覆的接地材料，有铜包覆钢扁钢、棒材、绞线等，生产工艺主要有冷拉、连铸以及电镀三种。因表面覆有铜层，在有氧环境中会产生腐蚀性极强的氧化物（铜绿），这些铜绿为铜的钝化层，能够阻断腐蚀的形成，从而对内部的刚才起到很好的保护作用。
特别说明的是，铜覆钢在施工过程中需要放热熔接。在国外，放热熔接已成为接地系统中接地导体地的主连接方式。在国内，放热熔接技术已通过国家电网公司武汉高压研究所、浙江电研所等部门产品质量监督检验中心地检验，并已大量应用在电力系统工程中。值得注意的是因镀铜钢绞线焊接点难以封闭水的渗入，当内部钢在热融过程中不能保证铜仍完全覆盖钢表面，所以存在加速腐蚀的短板问题。
2.导电性能比较
20℃时铜的电阻率为17.9×10-6（Q·mm），20℃时钢的电阻率为139×10-6（Q·mm）。若以铜的导电率为100%，则标准1020钢的导电率仅为12.9%，镀锌层更降低了导电性能，表面的趋附效应对高频电流更为明显。而30%导电率的铜覆钢相对铜的导电率为30%，40%导电率的铜覆钢相对铜的导电率为40%，均远远高于钢接地体。
因此，铜的导电率是钢的10倍左右，是30%導电率铜覆钢的3.3倍，是40%导电率铜覆钢的2.5倍。铜的导电率是以上材料中最高的，因此在相同的接地网结构和土壤条件下，铜地网的接地阻抗、电势差均比其他材质的地网小。
3.热稳定性能比较
钢的熔点为1510℃，但扁钢地网连接处最高允许温度约为400℃；铜的熔点为1083℃，采用放热焊时其接头的最高允许温度约1083℃；铜覆钢的熔点为1115℃，与铜材相同，其连接接头最高允许温度约450℃，采用放热焊时其接头的最高允许温度可以达到1083℃。根据规程，铜材的热稳定系数C值为210，钢材的C值为70。根据《电气工程接地用铜覆钢技术条件》，30%导电率的铜覆钢C值取144，40%导电率的铜覆钢C值取167。可见，在相同截面时，铜材的热稳定性最好。同等热稳定条件下，钢接地体所需的截面积为铜材的3倍，是30%铜覆钢的2.1倍，是40%铜覆钢的2.4倍。
由以上几点可以看出铜材作为接地材料在性能上是最优的。
二、全寿命周期成本对比
根据相关资料，接地网采用三种接地接地材料经济比较表如下表所示：
由上表可见镀锌扁钢虽然初期投资成本最低，但在耐腐蚀性能较差，按全寿命周期考虑，接地网更换难度较大，投资成本升高。
銅覆钢与纯铜比较，初期投资费用有一定优势，且在耐腐蚀性及热稳定性能上接近铜，但是不适宜用在焊接点较多的场合。
三、施工及采购情况
镀锌扁钢作为过去几十年来我国最常用的接地材料，已经积累了很丰富的施工经验，扁钢之间的连接常采用传统的电弧焊接方式，此连接方式容易破坏接地体接头部位的镀锌层。
铜覆钢需采用放热焊接的方式连接。放热焊接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，具有方法简单、无需外部电源、接头电阻低、连接可靠，焊接所用的模具等国内已能生产供应。
扁铜也是我国常用的接地材料，同样采用放热焊接进行连接或铜焊。以往的工程往往受到铜材价格较高，采用铜接地网不够经济等因素，使得铜地网的使用受到限制。如今考虑到全寿命周期以及扁铜截面较小，施工方便美观等因素，并考虑的建构筑物、设备基础等以下的主地网无法寿命周期内无法更换等因素，推荐户内等变电站地下接地网部分采用扁铜。
综上分析，扁钢等材料最为廉价，但考虑全寿命周期内需要更换，施工难度大甚至不能施工，因此地下部分的接地体不推荐采用扁钢。铜覆钢使用寿命存在不确定性，价格比扁铜低，考虑施工及全寿命周期等因素可以使用。扁铜全寿命周期内价格最低，施工方便，工艺美观，初期投资较高，建议变电站地下部分采用扁铜，地上部分采用扁钢等混合材质的地网。地上部分基本不存在土壤腐蚀等情况，扁钢的使用寿命也可接近40年（视具体使用环境），即使达不到40年，地上接地扁钢也容易更换，成本低廉。
关键词：接地材料 全寿命 经济
引言
变电站接地系统起着保障系统安全可靠运行的作用，同时也保护着运行人员和电气设备的安全。随着电力系统容量的增大，变电站的规模逐步扩大，工程选址往往比较复杂，不同的地质情况对接地设计往往有着不同的要求，接地设计的要求也越来越高。为满足电力系统安全可靠的运行，变电站接地材质的分析与研究将具有十分重要的意义。
一、接地材料性能分析
接地系统长期安全可靠运行的关键在于选择合适的接地材料，目前常用的接地材料有扁钢、铜覆钢及铜排等，下面分别从导电性、热稳定性以及耐腐蚀性等方面进行详细比较。
1.耐腐蚀性能比较
接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，多数情况下，两种腐蚀同时存在。影响金属材料在土壤中的腐蚀特性的因素主要有电阻率、含水量、含盐量、酸碱度含氧量、温度、微生物以及杂散电流等。
（1）镀锌扁钢
钢的主要元素铁的标准电极电位为-0.409V，容易失去电子在土壤中被腐蚀（氧化）。两性金属锌，易溶于酸，也能溶于碱，它的标准电极电位为-0.7628V，比铁还原性弱。镀锌扁钢的镀层破损或遭腐蚀生成Fe-Zn原电池时，锌镀层首先牺牲溶解，保护扁钢。因此扁钢上的镀锌层不是单纯的机械保护作用，而是通过电化学作用保护基体免遭腐蚀，即使锌层不完整也会起到这个作用。另因锌层的耐蚀性很大程度上决定于镀层上钝化膜的耐蚀性，钝化了的锌镀层其耐蚀性一般大约可提高8～20倍。
（2）铜
铜材的表面在有氧环境中会产生腐蚀性极强的氧化物（铜绿），这些铜绿为铜的钝化层，对内部的铜有很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。实践证明，铜接地体在中性及碱性土壤中耐腐蚀性很强，可以满足40年的寿命要求。在酸性土壤中耐腐蚀性减弱。
（3）铜覆钢
铜覆钢是作为芯体的钢表面被铜膜包覆的接地材料，有铜包覆钢扁钢、棒材、绞线等，生产工艺主要有冷拉、连铸以及电镀三种。因表面覆有铜层，在有氧环境中会产生腐蚀性极强的氧化物（铜绿），这些铜绿为铜的钝化层，能够阻断腐蚀的形成，从而对内部的刚才起到很好的保护作用。
特别说明的是，铜覆钢在施工过程中需要放热熔接。在国外，放热熔接已成为接地系统中接地导体地的主连接方式。在国内，放热熔接技术已通过国家电网公司武汉高压研究所、浙江电研所等部门产品质量监督检验中心地检验，并已大量应用在电力系统工程中。值得注意的是因镀铜钢绞线焊接点难以封闭水的渗入，当内部钢在热融过程中不能保证铜仍完全覆盖钢表面，所以存在加速腐蚀的短板问题。
2.导电性能比较
20℃时铜的电阻率为17.9×10-6（Q·mm），20℃时钢的电阻率为139×10-6（Q·mm）。若以铜的导电率为100%，则标准1020钢的导电率仅为12.9%，镀锌层更降低了导电性能，表面的趋附效应对高频电流更为明显。而30%导电率的铜覆钢相对铜的导电率为30%，40%导电率的铜覆钢相对铜的导电率为40%，均远远高于钢接地体。
因此，铜的导电率是钢的10倍左右，是30%導电率铜覆钢的3.3倍，是40%导电率铜覆钢的2.5倍。铜的导电率是以上材料中最高的，因此在相同的接地网结构和土壤条件下，铜地网的接地阻抗、电势差均比其他材质的地网小。
3.热稳定性能比较
钢的熔点为1510℃，但扁钢地网连接处最高允许温度约为400℃；铜的熔点为1083℃，采用放热焊时其接头的最高允许温度约1083℃；铜覆钢的熔点为1115℃，与铜材相同，其连接接头最高允许温度约450℃，采用放热焊时其接头的最高允许温度可以达到1083℃。根据规程，铜材的热稳定系数C值为210，钢材的C值为70。根据《电气工程接地用铜覆钢技术条件》，30%导电率的铜覆钢C值取144，40%导电率的铜覆钢C值取167。可见，在相同截面时，铜材的热稳定性最好。同等热稳定条件下，钢接地体所需的截面积为铜材的3倍，是30%铜覆钢的2.1倍，是40%铜覆钢的2.4倍。
由以上几点可以看出铜材作为接地材料在性能上是最优的。
二、全寿命周期成本对比
根据相关资料，接地网采用三种接地接地材料经济比较表如下表所示：
由上表可见镀锌扁钢虽然初期投资成本最低，但在耐腐蚀性能较差，按全寿命周期考虑，接地网更换难度较大，投资成本升高。
銅覆钢与纯铜比较，初期投资费用有一定优势，且在耐腐蚀性及热稳定性能上接近铜，但是不适宜用在焊接点较多的场合。
三、施工及采购情况
镀锌扁钢作为过去几十年来我国最常用的接地材料，已经积累了很丰富的施工经验，扁钢之间的连接常采用传统的电弧焊接方式，此连接方式容易破坏接地体接头部位的镀锌层。
铜覆钢需采用放热焊接的方式连接。放热焊接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，具有方法简单、无需外部电源、接头电阻低、连接可靠，焊接所用的模具等国内已能生产供应。
扁铜也是我国常用的接地材料，同样采用放热焊接进行连接或铜焊。以往的工程往往受到铜材价格较高，采用铜接地网不够经济等因素，使得铜地网的使用受到限制。如今考虑到全寿命周期以及扁铜截面较小，施工方便美观等因素，并考虑的建构筑物、设备基础等以下的主地网无法寿命周期内无法更换等因素，推荐户内等变电站地下接地网部分采用扁铜。
综上分析，扁钢等材料最为廉价，但考虑全寿命周期内需要更换，施工难度大甚至不能施工，因此地下部分的接地体不推荐采用扁钢。铜覆钢使用寿命存在不确定性，价格比扁铜低，考虑施工及全寿命周期等因素可以使用。扁铜全寿命周期内价格最低，施工方便，工艺美观，初期投资较高，建议变电站地下部分采用扁铜，地上部分采用扁钢等混合材质的地网。地上部分基本不存在土壤腐蚀等情况，扁钢的使用寿命也可接近40年（视具体使用环境），即使达不到40年，地上接地扁钢也容易更换，成本低廉。