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变电站铜接地网与 镀铜接地网 钢接地网的技术经济比较 2010 年 10 月 1 目录 1 概述 2 2 技术比较 2 3 经济比较 3 3 1 根据 IEEE STD80 计算导体截面积 3 3 2 材料统计 8 3 3 工程预算 11 4 结论 12 附录一 由 DL T 621 1997 规定求得的导体截面 13 2 1 概述 随着电力系统的发展 对变电所接地设计的要求也越来越高 长期 可靠 稳定 经济 的接地系统 是维持设备稳定运行 保证设备和人员安全的根本保障 符合国家所提出的可 持续发展 变电站全寿命管理的宗旨 接地系统长期安全可靠运行的关键在于品质好的接地 材料和可靠的连接 本报告首先从技术角度比较分析了铜接地网 镀铜接地网和钢接地网的特点 其次 以 某 220kV 变电站和某 500kV 变电站工程的接地网设计为实例 对铜接地网 镀铜接地网与钢 接地网的经济性进行比较分析 我们实际工程中都是按照 DL T 621 1997 来进行相关接地计算 但由于镀铜钢在此标准 中还未体现 所以本文中我们参照国外的 IEEE Std 80 1986 规程进行相关的接地计算 在 附录一中我根据国内标准对铜和扁钢进行了计算 以供参考比较 2 技术比较 耐腐蚀性 耐腐蚀性 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 这两种 腐蚀同时存在 铜 镀铜 在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的 1 10 1 50 而且电气性能 和物理性能稳定 铜的表面会产生附着性极强的氧化物 铜绿 对内部的铜 钢 有很好的保护作用 阻断腐蚀的形成 鉴于在各相关规程中均未提及铜的腐蚀率 故本文中的计算都不考虑铜的 腐蚀性 钢材是逐层腐蚀 镀锌层具有一定的抗腐蚀性 但是一般只能在前十年起作用 十 年以后钢材将考虑年腐蚀厚度 设备引下线按 0 1 0 2mm 年考虑 主接地网按 0 05 0 1mm 年考虑 钢接地体接头和钢接地体本身在腐蚀的过程中会出现点腐蚀情况 钢材点腐蚀的速度是 均匀腐蚀速度的 4 60 倍 正是由于点腐蚀的存在 所以无法通过增加钢接地截面积的方法 来增加其使用年限 铜不存在点蚀情况 寿命较长 接地体连接方式 接地体连接方式 只有可靠的 牢固的链接才能保证接地网的运行可靠性 目前 钢接 地体之间的连接均为传统的电弧焊接方式 高温电弧会破坏接地体接头部位的镀锌层 有可 3 能导致点腐蚀的出现 严重影响接地体的寿命 铜 镀铜 接地体的连接方式一般为放热焊 接连接法 利用活性较强的铝把氧化铜还原 整个过程时间很短 反映所产生的热量足以使 被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成 3 经济比较 根据现有厂家产品实际情况 绞线和扁钢的规格列表如下 接地线材料规格 铜绞线 mm2 50 70 95 120 150 185 240 镀铜钢绞线 mm2 50 70 95 120 150 185 240 扁钢 mmXmm 50X3 6 70X4 8 80X5 8 10 90X6 8 10 12 100X6 8 10 12 14 16 110X6 8 10 12 14 16 130X6 8 10 12 14 16 3 1 根据 IEEE std80 计算导体截面积 在 IEEEstd80 中规定 接地线的最小截面积要求为 ln 10 1 0 0 4 a m rrc TK TK t TCAP IA 式中 电流有效值 KA I 导体横截面积 mm2 A 最大允许温度 mT 环境温度 aT 在参考温度时的电阻率温度系数 在参考温度时接地导体的电阻率 1 或 1 Tr 0K0 电流持续时间 s ct 4 单位体积热容常数 J cm3 TCAP 下表中提供的和都是在参考温度为 20 时的数据 各参数取值见下表 材料 材料导电 率 20 时 1 r 1 0 K 0 0 熔化温度 0 m T 20 时 r m TCAP 热 容量 J cm3 退火软铜线1000 0039323410831 72413 422 铜镀钢绞线400 0037824513004 3973 846 铜镀钢绞线300 0037824513005 8623 846 镀锌钢8 50 0032029341920 13 931 某某 500kV500kV 变电站 变电站 短路电流计算结果如下 短路 类型 500kV 侧单 相接地短路 500kV 侧两 相接地短路 220kV 侧单 相接地短路 220kV 侧两 相接地短路 35kV 两相 接地短路 短路电路 32 4kA33 0kA47 3kA46 2kA39 4kA 纯铜引下线所需截面计算如下 单位 mm2 1 500kV 侧 33kA 0 35sIct 注 按 DL T 621 1997 计算值为 92 97mm2见附表 4 1 33 78 1 3 422 10234 1083 ln 0 35 0 00393 1 7223440 A 一 2 220kV 侧 47 3kA 0 45sIct 注 按 DL T 621 1997 计算值为 151 1mm2见附表 4 1 47 3 126 9 3 422 10234 1083 ln 0 45 0 00393 1 72234 40 A 一 3 35kV 侧 39 4kA 0 6sIct 注 按 DL T 621 1997 计算值为 145 3mm2见附表 4 1 39 4 122 1 3 422 10234 1083 ln 0 6 0 00393 1 7223440 A 一 纯铜水平网所需截面为最大截面引下线的 75 选 5 注 按 DL T 621 1997 计算值为 113 3mm2 见附表 max 75 95 2 gg SS 一 所以当采用纯铜地网时 主接地网的水平接地体截面取截面积为 120mm2的裸铜绞线 500kV 侧接地引下线选用截面积为 120mm2的铜绞线 220kV 侧接地引下线选用截面积为 150mm2的铜绞线 35kV 侧接地引下线选用截面积为 150mm2的铜绞线 镀铜钢引下线所需截面计算如下 单位 mm2 1 500kV 侧 4 1 33 114 8 3 846 10245 1300 ln 0 35 0 00378 5 86224540 A 2 220kV 侧 4 1 47 3 186 6 3 846 10245 1300 ln 0 45 0 00378 5 86224540 A 3 35kV 侧 4 1 39 4 179 5 3 846 10245 1300 ln 0 6 0 00378 5 86224540 A 镀铜钢水平网所需截面为最大截面引下线的 75 选 max 75 139 9 gg SS 所以当采用镀铜钢地网时 主接地网的水平接地体截面取截面积为 150 mm2的镀铜钢绞 线 500kV 侧接地引下线选用截面积为 150 mm2的镀铜钢绞线 220kV 侧接地引下线选用截 面积为 240 mm2的镀铜钢绞线 35kV 侧接地引下线选用截面积为 185 mm2的镀铜钢绞线 镀锌扁钢引下线所需截面计算如下 单位 mm2 1 500kV 侧 注 按 DL T 621 1997 计算值为 278 9mm2见附表 4 1 33 291 4 3 931 10293 419 ln 0 35 0 00320 20 1293 40 A 一 2 220kV 侧 注 按 DL T 621 1997 计算值为 453 3mm2见附表 4 1 47 3 473 6 3 931 10293 419 ln 0 45 0 00320 20 1293 40 A 一 3 35kV 侧 6 注 按 DL T 621 1997 计算值为 435 9mm2见附表 4 1 39 4 455 5 3 931 10293419 ln 0 6 0 00320 20 129340 A 一 镀锌扁钢水平网所需截面为最大截面引下线的 75 选 注 按 DL T 621 1997 计算值为 340mm2 见附表一 max 75 355 2 gg SS 当采用钢地网方案时 除了考虑热稳定校验的因素外 还应当按 50 年考虑钢材的腐蚀 其中镀锌层寿命考虑 10 年 当站址属于轻度腐蚀地区时 主接地网考虑 0 075mm 年 引下 线考虑 0 15mm 年 所以主接地网的水平接地体应采用 90 x8 的镀锌扁钢 500kV 侧接地引下 线选用 100 x10 的镀锌扁钢 220kV 侧接地引下线选用 130 x10 的镀锌扁钢 35kV 侧接地引下 线选用 130 x10 的镀锌扁钢 当站址属于中度腐蚀地区时 主接地网考虑 0 1mm 年 引下线 考虑 0 2mm 年 所以主接地网的水平接地体应采用 110 x8 的镀锌扁钢 500kV 侧接地引下线 选用 100 x12 的镀锌扁钢 220kV 侧接地引下线选用 100 x14 的镀锌扁钢 35kV 侧接地引下线 选用 130 x12 的镀锌扁钢 当站址属于强腐蚀地区时 应采取阴极保护措施或采用铜接地体 某某 220kV220kV 变电站 变电站 短路电流计算结果如下 短路 类型 220kV 侧单 相接地短路 220kV 侧两 相接地短路 110kV 侧单 相接地短路 110kV 侧两 相接地短路 35kV 两相 接地短路 短路电路 15 03kA18 41kA15 46kA25 09kA13 50kA 纯铜引下线所需截面计算如下 单位 mm2 1 220kV 侧 18 41kA 0 6sIct 注 按 DL T 621 1997 计算值为 67 91mm2见附表 4 1 18 41 57 1 3 422 10234 1083 ln 0 6 0 00393 1 7223440 A 一 2 110kV 侧 25 09kA 1sIct 注 按 DL T 621 1997 计算值为 119 5mm2见附表 4 1 25 09 100 4 3 422 10234 1083 ln 1 0 00393 1 7223440 A 一 3 35kV 侧 13 5kA 2sIct 7 注 按 DL T 621 1997 计算值为 90 9mm2见附表 4 1 13 5 76 4 3 422 10234 1083 ln 2 0 00393 1 7223440 A 一 纯铜水平网所需截面为最大截面引下线的 75 选 注 按 DL T 621 1997 计算值为 89 6mm2 见附表一 max 75 75 3 gg SS 所以当采用纯铜地网时 主接地网的水平接地体截面取截面积为 95 mm2的裸铜绞线 220kV 侧接地引下线选用截面积为 95mm2 的铜绞线 110kV 侧接地引下线选用截面积为 120 mm2的铜绞线 35kV 侧接地引下线选用截面积为 95 mm2的铜绞线 铜镀钢引下线所需截面计算如下 单位 mm2 1 220kV 侧 4 1 18 41 83 9 3 846 10245 1300 ln 0 6 0 00378 5 86224540 A 2 110kV 侧 4 1 25 09 147 5 3 846 10245 1300 ln 1 0 00378 5 86224540 A 3 35kV 侧 4 1 13 5 112 3 3 846 10245 1300 ln 2 0 00378 5 86224540 A 镀铜钢水平网所需截面为最大截面引下线的 75 选 max 75 110 6 gg SS 所以当采用镀铜钢地网时 主接地网的水平接地体截面取截面积为 120 mm2的铜镀钢绞 线 220kV 和 35kV 侧接地引下线选用截面积为 120 mm2的镀铜钢绞线 110kV 侧接地引下线 选用截面积为 150 mm2的镀铜钢绞线 镀锌扁钢引下线所需截面计算如下 单位 mm2 1 220kV 侧 注 按 DL T 621 1997 计算值为 203 7mm2见附表 4 1 18 41 212 8 3 931 10293419 ln 0 6 0 00320 20 129340 A 一 2 110kV 侧 注 按 DL T 621 1997 计算值为 358 4mm2见附表 4 1 25 09 374 5 3 931 10293419 ln 1 0 00320 20 129340 A 8 一 3 35kV 侧 注 按 DL T 621 1997 计算值为 272 7mm2见附表 4 1 13 5 284 9 3 931 10293419 ln 2 0 00320 20 129340 A 一 镀锌扁钢水平网所需截面为最大截面引下线的 75 选 注 按 DL T 621 1997 计算值为 268 8mm2 见附表 max 75 280 9 gg SS 一 当采用钢地网方案时 除了考虑热稳定校验的因素外 还应当按 30 年考虑钢材的腐蚀 其中镀锌层寿命考虑 10 年 当站址属于轻度腐蚀地区时 主接地网考虑 0 075mm 年 引下 线考虑 0 15mm 年 所以主接地网的水平接地体应采用 80 x6 的镀锌扁钢 220kV 侧接地引下 线均选用 100 x6 的镀锌扁钢 110kV 侧接地引下线均选用 90 x8 的镀锌扁钢 35kV 侧接地引 下线均选用 100 x6 的镀锌扁钢 当站址属于中度腐蚀地区时 主接地网考虑 0 1mm 年 引 下线考虑 0 2mm 年 所以主接地网的水平接地体应采用 90 x6 的镀锌扁钢 220kV 侧接地引 下线均选用 80 x8 的镀锌扁钢 110kV 侧接地引下线均选用 110 x8 的镀锌扁钢 35kV 侧接地 引下线均选用 80 x8 的镀锌扁钢 3 2 材料统计 某某 500kV500kV 变电站 变电站 铜接地方案的材料统计结果见表 1 镀铜钢接地方案的材料统计结果见表 2 扁钢接地 方案的材料统计见表 3 轻度腐蚀 和表 4 中度腐蚀 表表 1 1采用铜接地设计的材料表采用铜接地设计的材料表 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 1 紫铜棒 20cm L 2500根 245 主接地网垂直接地体 2 镀锡铜绞线截面 150mm2 m1800 220kV 35kV 侧设备 引下线 3 镀锡铜绞线截面 120mm2 m10550 水平主接地网 500kV 侧设备引下线 4 镀锡铜绞线截面 50mm2 m2000 均压坏 9 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 5 铜焊接头个 1300 6 铜鼻子个 600 表表 2 2采用镀铜钢接地设计的材料表采用镀铜钢接地设计的材料表 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 1 镀铜钢接地极 20mm L 2500m根 245 主接地网垂直接地体 2 30 镀铜钢绞线截面 185 mm2 m800 35kV 侧设备引下线 3 30 镀铜钢绞线截面 150 mm2 m10550 水平主接地网 500kV 侧设备引下线 4 30 镀铜钢绞线截面 240 mm2 m1000 220kV 侧设备引下线 5 30 镀铜钢绞线截面 50 mm2 m2000 均压坏 6 铜鼻子个 600 7 铜焊接头个 1300 表表 3 3采用钢接地设计的材料表 轻度腐蚀 采用钢接地设计的材料表 轻度腐蚀 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 1 热镀锌角钢 L50 5 L 2500 根 245 主接地网垂直接地体 2 热镀锌扁钢 130 10 m1800 220kV 35kV 侧设备 引下线 3 热镀锌扁钢 90 8 m10850 水平主接地网 均压 坏 4 热镀锌扁钢 100 10 m1700 500kV 侧设备引下线 表表 4 4采用钢接地设计的材料表 中度腐蚀 采用钢接地设计的材料表 中度腐蚀 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 1 热镀锌角钢 L50 5 L 2500 根 245 主接地网垂直接地体 10 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 2 热镀锌扁钢 130 12 m1800 220kV 35kV 侧设备 引下线 3 热镀锌扁钢 110 8 m10850 水平主接地网 均压 坏 4 热镀锌扁钢 100 12 m1700 500kV 侧设备引下线 某某 220kV220kV 变电站 变电站 铜接地方案的材料统计结果见表 5 镀铜钢接地方案的材料统计结果见表 6 扁钢接地 方案的材料统计见表 7 轻度腐蚀 和表 8 中度腐蚀 表表 5 5采用铜接地设计的材料表采用铜接地设计的材料表 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 1 紫铜棒 20cm L 2500根 160 主接地网垂直接地体 2 镀锡铜绞线截面 95mm2 m3980 水平主接地网 220kV 35 kV 侧设 备引下线 3 镀锡铜绞线截面 120mm2 m830 110kV 侧设备引下线 4 铜焊接头个 684 5 铜鼻子个 450 11 表表 6 6采用镀铜钢接地设计的材料表采用镀铜钢接地设计的材料表 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 1 镀铜钢接地极 20mm L 2500m根 160 主接地网垂直接地体 2 30 镀铜钢绞线截面 150 mm2 m830 110kV 侧设备引下线 3 30 镀铜钢绞线截面 120 mm2 m3980 水平主接地网 220kV 35kV 侧设备 引下线 4 铜焊接头个 684 5 铜鼻子个 450 表表 7 7采用钢接地设计的材料表 轻度腐蚀 采用钢接地设计的材料表 轻度腐蚀 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 1 热镀锌角钢 L50 5 L 2500 根 160 主接地网垂直接地体 2 热镀锌扁钢 90 8 m830 110kV 侧设备引下线 3 热镀锌扁钢 80 6 m2270 水平主接地网 4 热镀锌扁钢 100 6 m1710 220kV 35kV 侧设备 引下线 表表 8 8采用钢接地设计的材料表 中度腐蚀 采用钢接地设计的材料表 中度腐蚀 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 1 热镀锌角钢 L50 5 L 2500 根 160 主接地网垂直接地体 12 序号序号名称名称型号及规范型号及规范单位单位数量数量备注备注 2 热镀锌扁钢 110 8 m830 110kV 侧设备引下线 3 热镀锌扁钢 90 6 m2270 水平主接地网 4 热镀锌扁钢 80 8 m1710 220kV 35kV 侧设备 引下线 3 3 工程预算 各方案的造价见附件二 下表为各方案的总费用 单位 万元 统计 镀锌扁钢接地 轻度腐蚀中度腐蚀 镀铜钢接地镀锡铜接地 500kV 变电站 170 14188 21204 92266 45 220kV 变电站 51 4653 9970 9992 48 4 结论 通过以上分析 可得结论如下 1 镀铜钢或镀锡铜地网相对钢接地网具有 导电性能优 热稳定性能好 耐腐蚀能 力强 施工方便 寿命长 投运后检验维护工作量少 无污染等优点 2 采用镀铜或镀锡铜地网相对于采用镀锌扁钢的接地网 接地体的截面大为减小 解决了因接地体过大导致施工困难的问题 3 镀铜或镀锡铜地网采用放热焊接 确保连接点为分子结合 无腐蚀 无松弛 导 电能力和原导体保持一致 并且放热焊接操作简单快捷简单 焊点美观可靠 是真正可靠 牢固 永久的连接 4 与省内运行习惯采用的扁钢接地体相比 镀铜钢绞线或镀锡铜绞线都可以成盘或 成卷供应 仓贮和运输方便 并且可以连续的铺设 导体间连接点更少 相对 6 米 根的扁 钢接地体 施工的速度更快 连接点更少 地网系统更可靠 稳定 13 5 比较不同材料地网的一次性投资 镀锌钢接地的总费用最小 镀锡铜接地的费用 最高 镀铜钢介于两者之间 6 500kV 变电站钢接地方案 轻度腐蚀 总静态投资 170 万元 钢接地方案 中度 腐蚀 总静态投资 188 万元 镀锡铜接地方案总静态投资 266 万元 镀铜钢接地方案总静态 投资 205 万元 镀铜钢地网比镀锌钢地网 轻度腐蚀 的造价提高了 20 6 镀铜钢地网比 镀锌钢地网 中度腐蚀 的造价提高了 9 镀锡铜地网比镀铜钢地网的造价提高了 29 7 7 220kV 变电站钢接地方案 轻度腐蚀 总静态投资 51 5 万元 钢接地方案 中度 腐蚀 总静态投资 54 万元 镀锡铜接地方案总静态投资 92 5 万元 镀铜钢接地方案总静态 投资 71 万元 镀锌钢地网 轻度腐蚀 的费用比镀铜钢地网的费用只降低了 27 5 镀锌 钢地网 中度腐蚀 的费用比镀铜钢地网的费用只降低了 24 镀锡铜地网的费用比镀铜钢 地网的费用提高了 37 8 8 综合考虑其使用年限与总造价 以及材料的耐腐蚀性能 将总造价与维护费用平 摊至每一年 则镀铜接地网的平均每年的费用是最低的 而钢和镀锡铜接地网平均每年的费 用比较高 综上 在不考虑镀铜层腐蚀性的情况下 综合考虑接地网的投资和接地网的施工工艺 质量控制 运行维护 使用寿命等因素 镀铜钢接地方案技术上优于镀锌扁钢 接地费用低 于全铜接地 镀铜钢接地无论是技术上还是经济上都是具有一定的优越性 具有较好的应用 前景 建议在非酸性土壤地区优先考虑使用 14 附录一 由 DL T 621 1997 规定求得的导体截面 根据 DL T 621 1997 可得 钢接地体的热稳定系数为 70 纯铜的热稳定系数为 210 根 据电流和短路时间的长短 就可以计算出在同等的条件下 不同材料所需的截面积 忽略腐蚀的影响对铜接地体进行热稳定校验时 接地引下线的最小截面应满足下式 e g g t C I S 式中 接地引下线的最小截面 mm2 g S 流过接地引下线的短路电流稳定值 A 根据系统 5 10 年发展规划 按系 g I 统最大运行方式确定 短路电流的等效持续时间 s e t 接地引下线材料的热稳定系数 根据材料的种类 性能及最高允许温度和短 C 路前接地引下线的初始温度确定 短路等效持续时间 ofme tttt 式中 短路电流的等效持续时间 s e t 主保护动作时间 s m t 断路器失灵保护动作时间 s f t 开关固有动作时间 s o t 500kV500kV 变电站 变电站 纯铜纯铜引下线所需截面计算如下 单位 mm2 1 500kV 侧 33kA 210 0 35s g I C e t 33000 0 3592 97 210 g S 2 220kV 侧 47 3kA 210 0 45s g I Ce t 47300 0 45151 1 210 g S 3 35kV 侧 39 4kA 210 0 6s g I Ce t 15 39400 0 6145 3 210 g S 纯铜水平网所需截面为最大截面引下线的 75 选 max 75 113 3 gg SS 所以当采用纯铜地网时 主接地网的水平接地体截面取截面积为 120mm2的裸铜绞线 500kV 侧接地引下线选用截面积为 120mm2的铜绞线 220kV 侧接地引下线选用截面积为 185mm2的铜绞线 35kV 侧接地引下线选用截面积为 150mm2的铜绞线 镀锌扁钢镀锌扁钢引下线所