浅谈变电站接地中的放热焊接法

浅谈变电站接地中的放热焊接法

作者：张秀枝

来源：《中国科技博览》2014年第05期

摘要：随着我国经济的不断发展，高科技现代化技术不断应用于电力系统中，现在对变电站接地设计方面的要求也因此变得逐步变高。能够维护变电站设备安全和稳定运行以及工人安全的重要保障就是要有着长期稳定可靠的接地系统。因为在变电站的接地系统中存在大量的金属之间的连接，因此只有连接之间保证稳定可靠才能保证接地网的安全。本文主要介绍了放热焊接法的特点以及与传统的连接方式之间的区别与联系，并对放热焊接法在变电站接地中的应用进行了分析。

关键词：变电站；接地；放热焊接法；应用 【分类号】TM862 一、我国接地系统研究现状

目前我国传统接地体大多采用钢材质，其主要原因是我国的早期电力系统设计技术多借鉴前苏联相关技术，另外我国自身铜储探明量的不足，加上西方国家过去对我国的封锁，中国不容易取得铜。为节约有色金属，在20世纪50～60年代提出“以钢代铜，以铝代铜”，所以一度大量选用钢材和铝材。而国外（除前苏联和印度以外），以铜材以及铜镀钢材料作为主要接地材料已有超过100年的历史，而且被相关的国际标准（如：IEEE和IIIEc）推荐为主要的接地材料。

目前，我国大部分地区仍然使用镀锌扁钢作为接地材料，但几十年的实践证明镀锌钢并不能解决接地装置腐蚀问题，像华北电网天津北郊500kV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，不得不投巨资更换成铜接地装置。还有，北京房山变电站、大同二电厂等大型500kV变电站投运10～11年后，因腐蚀严重均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花费了不少资金，因此整个改造工程比新建接地装置所需费用增加很多[1]。

我国解放前，曾大量采用铜质材料作为接地材料，如天津塘沽110kV变电站、上海杨树浦电厂等，经检查，其接地装置至今仍然合格，至今仍可使用。在外资投资的工厂，电厂的变电站中，大量使用铜质材料接地装置，如秦山核电站、连云港核电站、无锡海力士半导体变电站、INTEL等。

目前铜材已经不再作为国家战略物资，国家外汇储备充沛，在上海成立了铜期货交易所，可以很方便地购买铜。

二、目前变电站接地系统普遍存在的问题

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变电站接地装置由于和土壤直接接触，地下接地体、接地线（尤其是焊接口）的腐蚀和锈蚀严重。接地装置腐蚀使有效截面积逐年减小，当接地故障发生时，故障电流易将这些薄弱点烧断而扩大事故。广东省电力试验研究所统计数据表明，对运行10年及以上的130个35—220kV变电站的接地网进行挖土检查，发现61个接地网均有不同程度的腐蚀，尤其运行20年以上的接地网腐蚀严重，近20个变电站的接地网钢材腐蚀达到甚至超过了50%。

接地体或接地引下线截面积偏小，焊接口长度不足或不牢固，造成动、热稳定容量不足。接地引线截面积小于主地网干线截面积，由于引线承受全部故障电流，易烧断，造成事故扩大，成了接地网中的薄弱点[2]。

一些重要设备（包括主控室、变压器开关等）未能按要求使用两根或以上的接地线分别焊于干线上。利用设备构架基础的钢筋作为接地引下线工程施工过程中钢筋焊接不良和存在个别漏接地现象。由于这种接地引线非常隐蔽，运行中不易发现。

忽视了地网的电位均衡问题。由于地网内的电流密度分布不同、土壤电阻率不等、设备引下地线过长等原因，在地网内存在着局部电位差。随着系统容量增大，故障电流相应增大，故障点与主地网的电位差将因此而增高，甚至可达数千伏。 三、目前变电站接地系统采用铜接地的理由

1）当前中国电力系统容量越来越大，短路电流也越来越大；二次控制系统敏感性较高，所以不仅对接地电阻要求高，而且对接地系统散流和热稳定的要求越来越高。而铜材料导电能力强，散热好，大大降低接地电阻，以铜为主的接地网能满足变电所接地系统发展的需要。在土壤电阻率比较低的土壤中，铜镀钢棒可有效防腐，增加接地系统寿命，降低总成本。 2）当前中国土地费用不断升高，节约用地意识增强，尤其是GIS的应用使变电站占地面积大大减小。220kV缗城变电所220kV和110kV配电装置选用GIS封闭组合电器，35kV配电装置选用金属铠装开关柜，所区围墙中心东西长100米，南北宽60米，占地面积仅9.00亩，与采用普通配电装置相比，占地面积减少了70%左右，以水平为主的接地系统很难满足电力系统容量对接地电阻要求。其次密集型的设备布置，接地系统很难甚至不可维护，这要求接地装置要有很强的耐腐蚀性[3]。

3）中国加入WTO以后，经济发展迅速，进口铜越来越方便。同时铜镀钢接地棒用铜量很少，使铜接地系统越来越被接受。目前在全球50%变电站采用铜镀钢接地棒，60%变电站采用放热焊接方式作为接地系统连接方式。IEC和IEEE推荐所有接地系统连接也是采用放热焊接连接。

四、放热焊接连接法优势及应用

放热焊接工艺最早是由美国艾力高公司（ERIC0）的查尔斯·卡特威尔博士1938年开发的，该工艺最早用于铁路信号线焊接。艾力高公司为表彰卡特威尔博士（Dr.Charles Cadwell）

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的贡献，将该工艺的商标命名为CADWELD。目前数以千万计的CADWELD焊接在使用了50多年后，性能依然良好。

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[4]。 放热焊接的作业程序：

①准备工作：将导线和模具清理干净，再将模具用喷灯加热以去除水分，然后把导线放人模具内，扣紧夹具以固定模具； ②把杯状焊药放入模具内； ③将电子控制器终端夹到点火条上；

④盖上盖子持续按下电子控制器按钮5s后点火；

⑤打开模具并移去钢杯，就可见焊接好的接头。清除焊渣，等待下一次焊接。 放热焊接接头的特性； ①外形美观一致；

②连接点为分子结合，没有接触面，更没有机械压力，因此，不会松弛和腐蚀； ③具有较大的散热面积，通电流能力与导体相同； ④熔点与导体相同，能承受故障大电流冲击，不至熔断。

放热焊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、镀铜钢等之间的连接；甚至可以实现导体间不同形状的连接，如铜导线与铜镀钢接地棒的连接、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[5]。 放热焊接的优点：

①焊接方法简单，容易掌握； ②无需外接电源或热源；

③供焊接用的材料、工具很轻、携带方便；

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④焊接点的载流能力与导线的载流能力相等； ⑤焊接是一种永久性的分子结合，不会松脱； ⑥焊接点像铜一样，耐腐蚀性能强； ⑦焊接速度快捷，节省人工[6]；

在国外，放热焊接已通过UL标准严格论证，并被IEEE Std80大纲等规程中指定为接地系统中埋地导体地连接方式。在国内，放热焊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等部门产品质量监督检验中心的检验，并已应用在电力系统的重点工程[7]。 五、结语

放热焊接法已成为变电站最理想的铜接地体的连接方式，操作非常方便快捷，同时焊接质量比其他的连接方式有很大的优势，因此此种长期稳定牢固的连接方式，铜接地体的性能比钢接地体更好。 参考文献：

[1]湖北省电力局.湖北省85-86年三次变电站内弧光闪络故障由接地网不良引起事故扩大的[2]综合分析.全国高电压专业会议交流资料之四接地-32.1986.12.28.

[3]刘宝成. 低电压大电流法检测接地网技术研究. 华北电力技术， No. 2， 1999 [4]傅知兰.电力系统电气设备选择与实用计算.北京：中国电力出版社，2004. [5]李景禄.接地装置的运行与改造.北京：中国水利水电出版社，2005. [6]接地装置的运行与改造[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[7]变电站接地网存在的问题及整改措施[M].北京：中国水利水电出版社，2005.