CN103618154A

CN103618154A - 一种用于输电线路杆塔耐腐蚀接地装置及其制备方法

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Publication number: CN103618154A
Application number: CN201310566135.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡焕青; 周明; 邵瑰玮; 易辉; 张予; 付晶; 胡霁; 文志科; 胡丹晖; 闵绚; 陈怡�; 余建飞; 曾云飞; 张明; 白尧
Original assignee: Wuxi Yaming Electric Power Engineering Technology Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Electric Power Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Current assignee: Wuxi Yaming Electric Power Engineering Technology Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Electric Power Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: CN103618154B

Abstract

一种用于输电线路杆塔耐腐蚀接地装置，所述接地装置是由接地体、一字形连接头和T字形连接头组成的闭合环形或多边形，所述T字形连接头垂直方向的端口通过接地体引下线与接地线连接板；接地体、一字形连接头和T字形连接头之间通过液压压接使其之间紧密连接；所述接地装置的接地体是由不锈钢包覆碳素钢所构成；连接处平整均匀、连接可靠、接触性能和密封性能好，可减缓腐蚀。

Description

一种用于输电线路杆塔耐腐蚀接地装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路杆塔接地装置及其制备方法，特别涉及一种用于输电线路杆塔耐腐蚀接地装置及其制备方法。

背景技术

目前，我国输电线路杆塔常用的接地装置是镀锌钢、镀铜钢(铜覆钢)或铜材质接地装置，实际应用表明，镀锌钢接地装置在酸性土壤中腐蚀较严重；镀铜钢(铜覆钢)或铜材质接地装置工程造价高，对环境污染严重，且其表面电镀层损伤时会发生两种不同金属之间的极化腐蚀反应，加速接地装置的腐蚀；因此，目前由于缺乏特种材料和相关的技术，尚未有一种既适用于酸性土壤又适用于碱性土壤、全生命周期成本低、资源节约、环境友好形的输电线路杆塔耐腐蚀接地装置及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于输电线路杆塔耐腐蚀接地装置及其制备方法，该接地装置连接处平整均匀、连接可靠、接触性能和密封性能好，可减缓腐蚀。

本发明的具体方案为：

一种用于输电线路杆塔耐腐蚀接地装置，所述接地装置是由接地体、一字形连接头和T字形连接头组成的环形或多边形，所述T字形连接头垂直方向的端口通过接地体引下线与接地线连接板连接，所述接地装置是由不锈钢包覆碳素钢所构成，所述不锈钢包含如下重量百分比的合金元素：C≤0.05%,Si≤1.00%,Mn≤2.00%,P≤0.035%,S≤0.03%,Ni≤9%～14%,Cr≤16%～18%,Mo≤1.5%～2.5%。。

和最接近的技术方案比，本发明的优异效果是：

针对我国输电线路杆塔接地装置的腐蚀现状，本发明提出了一种输电线路杆塔耐腐蚀接地装置。该输电线路杆塔耐腐蚀接地装置是由不锈钢包覆碳素钢所形成的复合金属材料为接地体和不锈钢制成的各种连接件通过液压压接相互组成，与常规的镀锌钢、镀铜钢(铜覆钢)、铜材及其他材质接地装置相比，该接地装置在强酸、强碱、中性和盐渍土壤（例如大庆碱性土壤，格尔木盐渍土壤，沈阳中性土壤和鹰潭酸性土壤）中有较好的适用性，在自然腐蚀状态和偶接腐蚀状态下，该不锈钢复合材料接地体的腐蚀速率都远小于铜接地体的腐蚀速率，使用寿命大于50年，耐腐蚀性和使用寿命远远优于常规的镀锌钢、镀铜钢(铜覆钢)、铜材及其他材质接地装置。并且，接地体通过极尖密封，以及一字形连接头、T字形连接头的电气连接点或引出线的连接处都采取液压压接和连接板、连接管之间的气体保护焊焊接，连接处平整均匀、连接可靠、接触性能和密封性能好，可减缓腐蚀，杜绝采用化学工艺，对大气、水、土壤不会产生二次污染，符合国家资源节约、环境友好形的要求，有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供接地装置的接地体剖视图；

图2是本发明提供接地装置的一字形连接头的剖视图；

图3是本发明提供接地装置的T字形连接头的剖视图；

图4是本发明提供接地装置的接地线连接板的剖视图；

图5是本发明提供接地装置的接地线连接板的侧视图；

图6是本发明提供接地装置的极尖端的剖视图；

图7是本发明提供接地装置一实施方式的结构示意图；

图8是本发明提供接地装置另一实施方式的结构示意图；

图9是本发明提供接地装置另一实施方式的结构示意图；

图10是本发明提供接地装置另一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

一种用于输电线路杆塔耐腐蚀接地装置，所述接地装置是由接地体3、一字形连接头4和T字形连接头5组成的环形或多边形，所述T字形连接头5垂直方向的端口通过接地体引下线2与接地线连接板1连接，所述接地装置是由不锈钢包覆碳素钢所构成，所述不锈钢包含如下重量百分比的合金元素：C≤0.05%,Si≤1.00%,Mn≤2.00%,P≤0.035%,S≤0.03%,Ni≤9%～14%,Cr≤16%～18%,Mo≤1.5%～2.5%。。

如图1所示，一种接地体3，如图2所示，一种一字形连接头，是用于两根接地体之间的直线连接，如图3所示，一种T字形连接头，是用于接地体与接地线连接板之间、水平接地体和垂直接地体之间的连接；所述一字形连接头4和T字形连接头5的端部均为管体，所述管体分别与所述接地体3和所述接地线连接板1压接成一体。

如图4和图5所示，一种接地线连接板1，接地线连接板1是用于接地引下线与杆塔之间的连接，接地线连接板由连接板11和连接管12两部分组成，连接板11用于与杆塔连接，接地引下线2设置在连接管12内，其一端连接连接板11，另一端连接接地体3，连接板与连接管的焊接采用气体保护焊，焊接长度不小于接地引下线直径的10倍，并双面焊接。

如图6所示，一种极尖端6，极尖端6是用于水平接地体或垂直接地体端面的密封。

如图7所示，所述接地装置是由接地体3、一字形连接头4和T字形连接头5组成的环形或多边形，所述T字形连接头5垂直方向的端口通过接地体引下线2与接地线连接板1连接。

如图8所示，所述接地装置是由接地体3、一字形连接头4和T字形连接头5组成的矩形，所述T字形连接头5垂直方向的端口通过接地体引下线2与接地线连接板1连接；所述接地装置的四边端部沿水平方向设有水平接地体，所述水平接地体的端部设有极尖端6，所述水平接地体与所述接地体3之间通过T字形连接头5连接。

如图9所示，述接地装置是由接地体3、一字形连接头4和T字形连接头5组成的矩形，所述T字形连接头5垂直方向的端口朝上，所述端口与接地线连接板1连接，所述接地线连接板1与所述接地体3之间设有接地引下线2；部分所述T字形连接头5垂直方向的端口朝下，所述端口与垂直接地体连接，所述垂直接地体的端部设有极尖6。

如图10所示，所述接地装置是由接地体3、一字形连接头4和T字形连接头5组成的矩形，所述T字形连接头5垂直方向的端口通过接地体引下线2与接地线连接板1连接；所述接地装置的四边端部沿水平方向设有水平接地体，所述水平接地体的端部设有极尖6，所述水平接地体与所述接地体3之间通过T字形连接头5连接，部分所述T字形连接头5的端口与垂直接地体连接，所述垂直接地体的端部设有极尖6。

针对不同的土壤电阻率和不同施工条头要求，设计的耐腐蚀接地装置主要有四种结构形式：1）如图7所示的闭合环形接地装置，主要适用于土壤电阻率100Ω·m及以下的地区；2）如图8所示的闭合环形兼放射形接地装置，主要适用于土壤电阻率100Ω·m～500Ω·m的地区；3）如图9所示的带垂直极的闭合环形接地装置，主要适用于施工条头受限时，土壤电阻率100Ω·m及以下地区；4）如图10所示的带垂直极的闭合环形兼放射形接地装置，主要适用于施工条头受限时，土壤电阻率100Ω·m～500Ω·m的地区。

本发明接地装置的材质是由不锈钢包覆碳素钢所构成的不锈钢复合材料，是把处理后的碳素钢套入不锈钢管内，再经过轧制、拉伸等工艺制作而成，该不锈钢复合材料的加工工艺主要包括以下步骤：

（1）材料的选取：选取碳素钢和不锈钢；（2）物理去皮；用物理的方法去除碳素钢表面氧化层；（3）预切：切断碳素钢；（4）扎头：用机械方法使碳素钢局部直径改变；（5）轧制拉伸：使整根碳素钢改变直径的一种方法；（6）检验过程1：按IS09000认证要求检验；（7）退火：使碳素钢机械性满足加工要求；（8）校直：校直碳素钢；（9）精拉：使碳素钢直径达到加工要求；（10）抛丸：清理碳素钢表面并增加粗糙度；（11）半成品检验：检验碳素钢半成品；（12）套管：碳素钢套入不锈钢管内；（13）轧尖：使不锈钢和碳素钢头部结合并改变直径；（14）拉伸：使不锈钢和碳素钢整体紧密结合；（15）过程检验2：按IS09000认证要求检验；（16）校直：校直不锈钢复合材料；（17）切断：切断不锈钢复合材料；（18）成品检验；（19）包装；（20）入库。

目前，接地装置主要采用两种方法制备，一种是采用镀锌钢材，另一种是采用镀铜钢材(铜覆钢)或铜材。

第一种方法，接地装置采用镀锌钢材制备；镀锌钢材主要利用高温热浸时所形成的锌合金表层本身的防腐特征，来提高接地装置的使用寿命；但在工程实际使用中，镀锌层不可避免的在施工、安装、运输、焊接、回填过程遭受各类破坏，造成局部腐蚀，镀锌层会很快被腐蚀掉，失去防腐腐蚀效果；据统计，在一般情况下镀锌钢在土壤中只能正常使用7～15年；实际运行经验表明，传统的镀锌钢材料已经逐渐显现出它固有的缺点。主要原因是：

（1）由于镀锌钢是由碳素钢线材经酸洗高温浸润镀锌后制成的，在生产过程中，很容易造成表面热镀锌层的不均匀；在使用中容易造成表面微电池效应，很大程度上，降低了镀锌钢耐腐蚀能力，缩短了使用寿命；在运输及施工中，容易被局部破坏，产生点腐蚀效应。此外，在镀锌钢的生产制造过程中，很容易造成对空气、水及土壤的二次环境污染，这也是国家环保部门重点监控的对象。

（2）采用镀锌钢接地体（极），在安装过程中均采用电弧焊焊接，由于电弧焊的焊接产生的高温，造成镀锌钢的表面镀锌层严重破坏，虽然焊接处经过二次刷漆保护的补救措施，但防腐水平大打折扣，仍达不到理想效果，在实际开挖检查中多次发现焊接处明显腐蚀、膨胀、开裂直至断开。

（3）由于镀锌钢在实际使用中，从镀锌层到钢材的腐蚀量，均不能满足全寿命周期管理要求，为了延长镀锌钢的使用寿命，采用扩大材料直径方法（即：原来φ10㎜的基础上，分二步扩展至φ14㎜），但直径的扩大，加大了安装成形的难度。

（4）土壤的污染使腐蚀速度加快，由于工业化的快速发展使土壤化学污染日趋严重，农业生产过程中农民大量使用农药和化肥，使得土壤中有机化合物成分日趋增多，镀锌钢埋设于遭受各类污染的土壤中，更加快了镀锌钢在土壤中的腐蚀速度。

第二种方法，接地装置采用镀铜钢材(铜覆钢)或铜材制备，国外，美国、日本等国家曾采用铜材敷设变电站接地装置，这主要是考虑到变电站接地装置的重要性和铜的耐腐蚀性和稳定性，我国在上世纪也曾采用过铜材作为接地体，如二十世纪40年代建设的天津塘沽110kV变电站的接地网采用的是铜材，至今仍在使用。

《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》修订版（国家电网生2012［352］号文头）规定：对于110kV及以上变电站，在中性或酸性土壤地区，接地装置选用热镀锌钢为宜，在强碱性土壤地区或者其站址土壤和地下水条头会引起钢质材料严重腐蚀的中性土壤地区，宜采用铜质、铜覆钢或者其他具有防腐性能材质的接地网。对于室内变电站及地下变电站应采用铜质材料的接地网。

采用铜材或镀铜钢材(铜覆钢)作为接地网可以解决部分地区土壤和地下水对镀锌钢材的腐蚀问题，但如果不顾具体条头和具体情况盲目大量采用铜材作为接地材料，将会带来一系列问题。

（1）铜材或镀铜钢材(铜覆钢)对中性、碱性介质有较好的防腐性能，但对酸性介质防腐性能较差，所谓铜接地装置耐腐蚀，实质上是牺牲腐蚀钢而保护了铜，国外，美国ERICO电气公司铜材耐腐蚀试验结果表明：在酸性土壤条头下,相同的环境土壤中，独立铜的腐蚀速度大于钢；如果铜埋在地下，与其它金属构头绝缘没有电气联接时，铜仍然被腐蚀。国内，大量实验结果表明，在一般土壤中，铜接地装置使用寿命大约为30年，而在酸性土壤中其使用寿命不到5年，原因是酸性土壤对铜的腐蚀比较严重。

（2）铜材或镀铜钢材(铜覆钢)接地装置存在对邻近钢材的阳极腐蚀问题。起初采用铜接地材料时，对铜接地装置附近混凝土中的钢筋阳极腐蚀还未发现，后来发现铜材接地装置对邻近的构架钢筋、地下电缆和管道、及其他钢材造成严重的阳极腐蚀，如采用铜接地装置，还要采用复杂的防腐措施，保护构架钢材。

（3）2012年国务院发布“土壤重金属污染防治十二五规划”（征求意见稿）后，国家环境保护部也对土壤中的重金属污染控制制定了十八项土壤环境监测标准和五项土壤环境质量标准及评价办法，各项修订中的法律法规和已经公布的各项土壤环境标准中明确了重金属铜在土壤中的残留限值，在后续即将出台的国家层面的相关环境评估中会非常严格，这对电力系统今后大量使用铜制产品会带来政策制约。

（4）铜材或(铜覆钢)接地材料的大量使用不符合中国的国情。由于我国还处于社会主义初级阶段且人口众多、土地辽阔，人口受教育的平均水平不高，输变电设备在实际运行中常常出现各种各样的偷盗现象，铜质接地材料的使用只会加剧偷盗现象的发生，光靠电力部门一家想要防止这种情况产生非常困难，使电力系统十分头疼。

（5）铜是一种不可再生的战略资源，我国是一个缺铜形国家，每年要大量进口铜资源，现在进口的铜资源中的三分之二是用于电力产品，其定价权主要掌握在西方发达国家手中，大量消耗铜资源对于国家是一种资源浪费，不符合资源节约的国家策略。

综上所述，本发明采用不锈钢包覆碳素钢所组成的不锈钢复合材料，解决了上述问题，为了验证不锈钢复合材料接地体的耐腐蚀性能，取不锈钢复合材料接地体1、2、3和其他金属（铜）的样本1、2、3进行耐腐蚀性试验，所述不锈钢复合材料样本1中的不锈钢由以下重量百分比的组分组成：0.03%C,0.4%Si,0.5%Mn,0.02%P,0.015%S,9%Ni,16%Cr,1.5%Mo,余量为Fe以及杂质所构成；所述不锈钢复合材料样本2中的不锈钢由以下重量百分比的组分组成：0.04%C,0.6%Si,1.0%Mn,0.025%P,0.02%S,11%Ni,17%Cr,2%Mo,余量为Fe以及杂质所构成；所述不锈钢复合材料样本3中的不锈钢由以下重量百分比的组分组成：0.05%C,0.8%Si,1.5%Mn,0.035%P,0.025%S,13%Ni,18%Cr,2.5%Mo,余量为Fe 以及杂质所构成；试验具体如下：

1）在自然腐蚀状态下；不锈钢复合材料试样有效工作面积为3000mm²，铜电化学测试工作电极的有效工作面积为986mm²；

2）在电偶腐蚀状态下；不锈钢复合材料试样有效工作面积为9600mm²，电化学测试工作电极的有效工作面积为113mm²。两种状态下非工作面用沥青密封，试样工作面逐级打磨至1000#砂纸，蒸馏水冲洗，后用丙酮脱脂，酒精去污，吹干备用。

选取四种典形土壤环境（大庆碱性土壤，格尔木盐渍土壤，沈阳中性土壤和鹰潭酸性土壤）作为试验介质对材料腐蚀进行评价研究；各种土壤环境中不锈钢复合材料和铜材接地体在自然腐蚀状态下的90天腐蚀数据见表1，在偶电腐蚀状态下的数据见表2。

由附表1和附表2可知，在自然腐蚀状态下，四种土壤环境中，铜的腐蚀速率远大于不锈钢的腐蚀速率，其中在大庆碱性土壤环境中铜的腐蚀速率最大，达到了0.0034mm/a，格尔木盐渍土壤环境中铜的腐蚀速率最小，为0.001mm/a；大庆碱性土壤环境和沈阳中性土壤环境中不锈钢腐蚀速率最大，为0.0005mm/a，鹰潭酸性土壤环境中不锈钢腐蚀速率最小，为0.0002mm/a。在电偶腐蚀状态下，四种土壤环境中，相比自然腐蚀状态下的腐蚀速率，铜的腐蚀速率显著增大，而不锈钢的腐蚀速率略微降低。其中沈阳土壤环境中偶接铜的腐蚀速率最大，达到0.0813mm/a，为自然腐蚀状态下的58倍；格尔木盐渍土壤环境中偶接铜的腐蚀速率最小，达到0.0304mm/a，为自然腐蚀状态下的30倍；而大庆碱性土壤和鹰潭酸性土壤环境中偶接铜的腐蚀速率分别为自然腐蚀状态下的12倍和23倍；大庆碱性土壤环境中不锈钢的腐蚀速率最大，为0.0004mm/a，鹰潭和格尔木土壤环境中不锈钢的腐蚀速率最小，为0.0001mm/a。

因此，在四种土壤环境（碱性土壤、中性土壤、酸性土壤和盐渍土壤）中，铜的腐蚀速率都大于不锈钢的腐蚀速率。当两者偶合后，铜的腐蚀速率将大大增加。

由以上耐腐蚀试验研究分析可知，本发明提出的耐腐蚀接地装置的使用寿命大于50年，远大于常规的镀锌钢接地装置（使用寿命为7～15年）和镀铜钢(铜覆钢)接地装置（在一般土壤中使用寿命大约为30年，在酸性土壤中不到5年）；以热镀锌碳素钢接地装置与本发明提出的不锈钢复合材料接地装置进行全寿命周期成本比较，其参数和价格比较见附表3。

假设在某地区安装一基220kV杆塔的带4根（每根1.5m）垂直极的闭合环形接地装置，其每边长度为10m共40m，另加4根（每根2m）引出线分别安装在杆塔的对角主材上，敷设场所为普通农田，估算安装费包括：辅助材料费21.5元、土方开挖回垫费600元、接地体敷设费698.21元、接地电阻测试费153.04元、农作物损坏赔偿费300元，安装费合计为1772.75元。

采用热镀锌钢材组成的接地装置需要在线路设计寿命内平均改造3.5次，在线路生命周期内该接地装置需要的费用约为(10.3×54+1772.75)×3.5=8151.33元。如果采用不锈钢复合材料组成的接地装置，其使用寿命大于50年，只需一次性投资，其费用为：30×54+1772.75=3392.75元，可节约费用8151.33-3392.75=4758.58元（该比较为静态计算，未计算多次接地装置改造人力成本和政策处理历年费用的上涨）。

因此，本发明提出的不锈钢复合材料接地装置的全寿命周期成本低，约为热镀锌钢材接地装置全寿命周期成本的41.6%。

附表1四种土壤环境中自然状态下不锈钢复合材料90天腐蚀失重数据

Figure 201310566135X100002DEST_PATH_IMAGE001

附表2四种土壤环境中电偶状态下不锈钢复合材料90天腐蚀失重数据

Figure 201310566135X100002DEST_PATH_IMAGE003

附表3参数和价格比较

Figure 201310566135X100002DEST_PATH_IMAGE004

Claims

1.一种用于输电线路杆塔耐腐蚀接地装置，其特征在于，所述接地装置是由接地体（3）、一字形连接头（4）和T字形连接头（5）组成的环形或多边形，所述T字形连接头（5）垂直方向的端口通过接地体引下线（2）与接地线连接板（1）连接，所述接地装置是由不锈钢包覆碳素钢所构成，所述不锈钢包含如下重量百分比的合金元素：C≤0.05%,Si≤1.00%,Mn≤2.00%,P≤0.035%,S≤0.03%,Ni≤9%～14%,Cr≤16%～18%,Mo≤1.5%～2.5%。

2.如权利要求1所述的接地装置，其特征在于，所述接地装置（3）呈闭合矩形，其四边端部沿水平方向设有水平接地体，所述水平接地体的端部设有极尖（6）。

3.如权利要求1或2所述的接地装置，其特征在于，所述T字形连接头（5）垂直方向的端口与垂直接地体连接，所述垂直接地体的端部设有极尖（6）。

4.如权利要求1所述的接地装置，其特征在于，所述一字形连接头（4）和T字形连接头（5）的端部均为管体，所述管体分别与所述接地体（3）和所述接地线连接板（1）压接成一体。

5.如权利要求1所述的接地装置，其特征在于，所述接地线连接板（1）包括连接板（11）和连接管（12），所述连接板与所述连接管为气体保护焊连接。

6.如权利要求5所述的接地装置，其特征在于，所述气体保护焊的焊接长度不小于所述接地引下线直径的10倍。

7.如权利要求1-6任一所述的接地装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）选取碳素钢和不锈钢管；（2）将碳素钢和不锈钢管物理去皮、预切、扎头、轧制拉伸、退火、校直、抛丸；（3）将碳素钢套入不锈钢管内；（4）通过轧尖机使不锈钢管和碳素钢头部结合；（5）轧制拉伸不锈钢管和碳素钢。