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                电力系统接地应采用放热焊接工艺
                发表日期:2012/2/28 13:48:38 浏览次数:2638
                电力系统接地应采用放热焊接工艺
                四川省成都桑莱特科技股份有限公司龚震李昊伟
                四川省成都市送变电建设有限责任公司沈诚文
                四川省重庆市防雷中心李黎
                前言
                对于一个接地工程,我们大多在接地方案设计以及材料的选用上下大量的功夫,但却忽视了中■间一个重要环节所发挥的作用焊接工艺。可能原本在设计上可以达到的接地效果,由于焊接工艺上的问题,如虚焊、漏焊、焊工操作不规范等,都可直接导致焊接点电气导通性和可靠性差、阻抗大、最终影响整个接地系统的使用效果,以至工程达不到设计要求。这样的工程案例是有的,山东某220KV变电站占地面积3万平方米做全场接地。该项目地质条件比※较理想,土壤电阻 率平均值为210Ω.m,设计要求接地电阻不大于0.5Ω。方案采用6米长的铜︻棒作为垂直接极,中间均压网格规格为10m10m,铜绞线作为水平接地极,焊接工艺采用铜焊。工程施工中间,技术人员自测发现接地电阻达不到设计要求,查☆找了很多方面的原因不得其果,最终在焊接工艺这一环招到了问题。有几个重要的焊接部位出现了虚焊,现场监理用手居然都可以拉断焊接〇点,以致接地系统没有可靠卐的电气连通,因此该项目又进行了整才达到了设计要求。设想,若是工程竣工才发现不能达到设计要求,或是没有找到根本原因就增加接地体数量和增加地网的面积,则工程整与变更将给项目甲乙双方都带来更大的成本及损失。因此在一些事物上,细节是可以决定成败的。
                电力系统的Ψ 接地类型主要有工作接地、保护接地、防雷接地,这些接地都采用共用接地网,因此接地网是整个接地系统正常运作和发挥作用的▂核心。在电力系统接地规范中,无论是对接地网的合理布置,还是接地电阻值的要求,以及使用寿命普遍高于其他行业和系统,因此电力系统接地的主要特点归纳为:接地电阻↘值小、接地系统稳定可靠、使用寿命长。接地网的质量以及发▲挥的效果主要由以上3方面的⊙特点所决定,只有具备了以上特点才能保证电力系统的安全平稳的运行。
                一个完整的接地网是由水平接地体、垂直接地体、引出线、检测装置等〇大量接地材料所构成。虽然接地技术和接地材料不断革新,但就目前而言国内外最前沿的接地材料依『然以金属材料为主,尤其是导电性上佳与防腐能力突〖出铜质材料,在大型接地工程上的使用非常广泛,如电力、地铁、民航等。在接地施工过程中,引下线◥至地网的连接;水平接地体与垂直接地体之间的连接;地网引上线与设备接地的连接等●等,都需要可靠的电气连接才能发挥接地装置应有的接地效果。同时,接地系统的复杂性使其施工工艺也有特●殊的要求,例如铜质材料之间的焊接;铜质材料与钢质材料之间的焊接等,在工艺上♀的要求让传统焊接工艺显得力不从【心,可以说接地施工焊接的工作量不仅大,而且对焊接工艺有严格的要求。一言蔽之,接地网除了科学的方案设计和合理的选用接地材料外,优质的施工工艺也是其成败的重要因素,针对电力行业接地的特点选用一种科学合理的焊接工艺非常重要。
                1.各类焊接工艺的特∮点
                1.1电力系统接地与焊接工艺的关系
                接地电阻值小、接地系统稳定可靠、使用寿命长是电力系统接地的主要特点,通过综合分析我们可以从中了解焊接工艺与电力系统♀接地的关系。
                从下表中可以看到,焊接工艺对接地系统的3个主要特点都有重要影响。我们可︽以根据电力系统接地特点,将现有主要焊接工艺的原理和特点进行综合比较,以体现各类焊接工艺∮在电力系统接地上的⊙优缺点,从中选择最合理的焊接工艺。
                内容接地电阻值接地系统稳定、可靠使用寿命 
                 (土壤电阻率;地网的『大小;接地材料属性;接地极埋设深度(如深井法);接地系统的接◥触电阻电气性);接地※网布置合理;接地材料的属性;环境的季节变化;焊接点的质量和◢机械承载力;土壤的物理及化学环境;接地材料的属性和防腐措施;焊接点的属性、质量;
                 接地系统的接触电阻决定电气导通性,影响接地电阻大小的主要因素除去接地装置自身及在空气和土▆壤中等介质阻抗外,焊接点的阻抗是最大的。接地材料的活泼属性、土壤中的水分随季节变化以及■焊点的化学性质对接地系统的稳定性影响最大,接地材料的属性、焊接点的机械承载能力、耐冲击电流能力直接决定接地系统的牢》固可靠。在确定的土壤环境中,接地材料的属性和防腐措施将直接决定接地系统的寿』命,而焊接点的质量和①防腐性可以影响整个接地网的使用寿命。

                1.2主要的焊接工艺
                目前国内建筑和工业中普遍运用的焊接方法有40种以上,主要分为熔←焊、压焊和钎焊三大类。(螺栓压接的连接方式,本文不做讨论)由于电力行业接№地材料大多采用钢制和铜质金▅属,因此在接地工程中我们采用最多的以电焊和铜焊为主焊接∏工艺。 
                1.2.1电焊
                电焊工艺是目前应♂用最广的焊接方式,这主要是由在工业建设中大量金属构建还是采用铁、钢作为主要材料所决定的。以电焊工艺的主要原理,是将工件与焊条接电源的不同极(正极或负╱极),使焊条与工件瞬间接触使空气电离产生电弧,并产生约5000-6000度的高温,使工件表面熔化形成熔池,焊条金※属熔化后涂敷在工件表面形成冶金结合,从而达到工件之间的连接。
                优点:
                )操作方便,效率高; 
                热度集中,工件不容易变↘形;
                缺点:
                )焊接的质量和焊接操作人员的水平有直接关系,人为因素影响大; 
                接头强度一般,可靠性和电气导通性都不够理想。 
                1.2.2铜焊
                所谓铜焊,也叫钎焊,其原理就是先将母材加热到熔点状态,然后加入比母材→熔点低的焊材,利用焊材较好的流动性形成焊缝,从而将两个工件连接在一起。要是@焊接符合规范要求,没有未熔合、气孔、裂纹、夹渣等焊接缺陷的前提下,其抗拉强度至少是填充焊材的抗拉强度。
                优点:
                )可用于不同属性金属的焊接,应用面广; 
                电气导通性较好;
                缺点: 
                )焊点易产生焊接应力和变形。 
                2)接头强度低,机▲械承载能力有限,可靠性差。
                1.2.3放热焊接的原理和々特点
                1)工作原理
                放热焊接,又称火泥熔接或放热熔接,是一种安全、简便、高效、环保的金←属连接工艺。基本原理是利用铝和氧化铜之间发生的置换反应产生液态高温铜和氧化铝残渣,同〓时利用反应产生的大量热量将需要连接的金属连接处局部融化,最后冷却成模。
                3Cuo+2Al 点燃3Cu+Al2O3+Q
                放热焊接化◤学反应速度非常快,仅几秒就可以完成焊接,产生热量极高,理论温度在 2537℃至4600℃,实际使用中因各种损耗,放热焊接产生的温♀度约在1900度可有效的传导至熔接部位,使其熔为一体形成分子结合。放热焊接的适用面非常广,适用于各种铜、铁、钢及铁合金等材质的金属∏之间的电气连接。常规的铁轨、螺纹钢、钢管、管道等都在此列。 
                 
                2)放热焊接的主要特点。
                优点:
                操作简捷,操作人员无需□特殊保护措施和专业技术。
                除对模具和焊点进行除湿的瓦斯和液化气外,无外接能源,携带方便,施工效率高(平均连接一个焊点需4-5分钟)。
                连接点以分子形▲式结合,接头为纯度97%的金属铜,强度高,化学性质稳定耐腐蚀。
                焊接接头本身的载流能力大于焊接构件本身的载流能力←,不增加电阻,耐冲击电流能力大于构件本身。
                应用范围☆广,可用于铜、铜与钢、铜与镀锌钢等金属材料之间的熔接。 
                缺点:
                反应使用的模具由耐高温的石墨制成,因此模具不耐冲击使用需轻拿轻放。
                石墨模具具有水性,因此焊接前需将模具与焊接器件的焊接部↓位高温除湿,否则焊接质量受影响,不适合在室外雨雪气候下施工∩。
                不同的焊接◥方式将使用不同的模具,因此一个接地工程往往不止选用№一种焊接模具。
                2.各类焊接工艺的比较
                根据电力系※统接地电阻值小、稳定可靠、寿命长的特点,我们采用φ12圆钢构件〓进行放热焊接对接,从剖面结构图对电焊、铜焊与放热焊接在阻抗、机械承载、防腐蚀等特点进行分析和比较。
                 
                2.1接触电阻及↓电气性
                我们知道,电阻的大小受到接触电阻的直接影响,接触电阻越小,阻抗越小,电气⌒性越好。从图中可以清楚▲的看到,焊接头截面直径达到16 .5mm,接头外层包裹厚度达到3.5mm,比圆钢连接构件直径多出 
                4.5mm,接头截面积大于圆钢构件的截面积,载流能力也大于圆钢构件,因此焊接点
                面积大,接触电阻小阻抗也小,整个连接构件是一个良好的导电体。另一方面,放热焊接的置换反应使焊接头为含量为97%的金属铜,导电性优于圆钢构件自身的导电性。
                电焊和铜焊一般只将焊接构件的接触面周围进行了熔接∑ ,内部几乎不受影响,因此结构件不能充分的熔合,导电性低于构件自身的导电性。
                根据▽热稳定条件,避免Ψ 接地线,接地⌒ 体熔化,铜和钢截面积之比为3:1。
                我国《电力行业标准DL/T621-1997》以及热稳定★条件,接地线的最小截面应符合下式要求:
                Ig
                Sg � te C 
                式中: I g —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— 接地线材料的热稳定系数;近似取铜为210,钢为70。
                公式按国标计算,与国际电力电子工程协标准I EEE-80-2000的计算方式类似。结果证明,铜截面是选用钢材截面积的1/3倍。综合∮考虑到电阻、腐蚀和连接等因素的影响,关于铜和钢的截面关系由以上分析和计算可归〖纳如下:
                )根据热稳定条件,避免接地线、接地体熔化,铜材和钢材的截面比为1:3(I EEE80-2000的计算,其截面比为1:10)。 
                考虑到腐蚀和连接头的焊接要≡求的影响,采用电焊与铜焊,尤其是电焊截面将增大,否则有ζ 较大的接触电阻,电气性能将低于导体本〓身。为弥补其不足,就要增大导体的截面面积,而选用放热焊接可不考虑这个问题。
                由以上可得出铜和钢两种材料的等到效截面可取1:10,按故障电流的最长持续时间为 3秒,计算在各故障电流下,采用铜Ψ和钢做接地材料所需最小截面比较。 
                故障电流最小截面材料种类(m m) 22000A 5000A 10000A 15000A 20000A 30000A 
                铜12.3 30.74 61.49 92.23 122.98 184.46 
                钢 123 307.4 614.9 922.3 1229.8 1844.6

                根据导电电阻一致条件,则铜与钢的截面积之比为10 :1。根据∴集肤效应,铜泄流能力是钢的4倍。
                综合各种因素比∞较,铜与钢的等效截面积之比为1:6以下。对于铜焊而言,由于焊接头属性的特点,电气性能要▂略优于电焊,但依然达不到放热焊接的效果。
                2.2稳定、可靠 
                放热焊接将连接构件熔化再结合,接头以分子结构熔【合,接头的机械承载力↑大于连接构件的承载能力,经过抗拉测试,将连接构件拉断焊接头也没有断裂。而电焊和铜焊只对焊接接触面进行了熔接,在焊接出现虚焊和漏焊的情况下,机械承载力非常差,自然断开的情况也有发生,因此机械承载力远不如构件自身的强度,可靠性亦不「如放热焊接。
                在大电流的冲击下,电焊和铜焊接头也出现了变形和强度降低的现象,放热焊接则表现并不※明显,因此在稳定性上放热焊接更突出。
                铜的相对磁导率为1,钢为636,接地系统的电位差随着相对磁导率的增大而增大,接触电压和跨步电压相对较小,泄流速度比钢更快, “反击”等事故发生概率更低,系统安全得到提高。
                2.3使用寿命
                接地网的寿命由▆接地材料的防腐能力所决定,一旦接地网发生腐蚀将引起的接地系统电阻超标,或短路事故,就造成地电位升高而出现“反击”现象,对接地网中的直流,保护,通信,低压线路等二次设备和低压系统,接着造成事故,使变压器,发电机等设备损坏。焊接ω点的寿命作为整个接地网寿命的组成部◆分,防腐能力直接影响整个地网的寿命。
                放热焊接的接头为97%的金属铜,Cu的腐蚀①率为10 μm/a,本身就具备良好的抗腐蚀能力,而且铜的表面产生附着性较强的氧化物(铜绿Cu(OH)2),对内部的铜有很好的保护 作用,阻断了进一步腐蚀的形成。
                对于电焊接头,Fe的腐蚀︻率为44 .45μ m/a,若防腐措施做得不到位,将很快腐蚀,从而ω 导致了整个连接构件的寿命减短。镀锌钢为 
                6.75μm/a,防腐能力很强,但目前的工艺使镀锌的厚∑度非常有限,因此防腐性也存在局限。
                 
                2
                采用截面积为18 5mm裸铜线采用放热焊接进行焊接后,得到的接技术参数如下表。
                项目要求 
                直流电阻比■率 ≤1.2 
                直流电阻比率离散度 ≤0.15 
                短路电流试验后直流◆电阻比率 ≤1.2 
                短路电流试验后直流电阻比率离散度 ≤0.15 
                短路电流试验√后直流电阻比率高化率 ≤0.20 
                拉力试验 ≥20KN 

                表中的技术参数范围全部达到焊接相关规范要求及防雷验标准。
                2.4采用传统电◎焊、铜焊与放热焊接的综合比较
                以下比较可以较直观的看到,放热焊接在焊接点的接触电阻小、稳定可靠、防腐长寿命3个主要特点上都明显优于传统的电焊和铜焊工〗艺,而在焊接形式以及室外环境使用上的受到一定的︾限制,不如传统焊接。综合比较,放热焊接在焊●接的整体效果上要优于电焊和铜焊,对于电气连接质量高的电力系统接地,采用放热焊接更能发挥接地网的使用效果及提高整体质量。
                结束语:目前我们采用的大多数焊接工艺都存在气孔、焊接裂纹、夹渣、未溶合、未焊透、冷热裂纹、层状撕裂等缺陷,这主卐要还是 
                项目传统电焊、铜々焊放热焊接
                焊接可靠漏焊、虚焊漏焊现象较普遍,焊接操作人员々和设备因素对焊接质量与可靠性影响大。所有焊接点以分子形式结合,牢固是其最大特点之一,无人为因素影响。
                焊点寿命焊接点耐腐蚀性不强,寿命是连接构件寿命的6 0% -90%左右。焊接头为金属铜,在化学和高温下稳定性好,耐腐蚀、寿命大于连█接构件材质本身寿命。
                机械承载经机械抗拉实验☉及实际施工,部分焊点有发生接头脱落现象。经机械抗拉实验及实际施工,焊点无脱落现象,承受拉力大于连接构件本身。
                载流量焊接点的氧化反应导致接点的载流能力小于连接构件自身。截面积和载流量都大于连接构件本身。
                阻抗电阻大于导体△,连接点的承受电流能力◥要小于连接构件本身。截面积大于导体,经阻抗测试电阻小于构件。
                外ㄨ接能源必须外接电源或氧气,否则无法施工。大型的接地网,外接电源和线材受一定的限制。需液化气或瓦斯罐,在施工前对模具除湿。
                焊接环↘境没有较高要求,但对远距离焊接的线材要求较多。室外雨雪天气下不能施工,受到雨雪天气的影响。
                铜层厚▓度采用铜焊,铜层较薄。焊点处为 %铜质,厚度可根据模具调整。 97
                设备设备较笨重,携带不方便。配套工具简单易携带。
                适用范围大多数情况下,只能焊接同材质的金属构件。可以焊接几乎所有金属构件,以及不同金属构件【之间的焊接。
                专业能力∩要有高质量的焊接工艺,必须有专业焊工。不需专业人员操作。
                人身安全由于焊接时间长,对操作人员的呼和视力健康有一定的危害。瞬间产生▼的烟雾对人身的影响小。
                焊接形式对焊接的构件形状、角度没有限制。对不同的焊接构件和焊接角度需要提供不同的焊接模◢具,焊接形式受到一定的限制。

                与焊接人员的水平、焊接环境和↓焊接材料及设备有直接关系,而放热焊接在将这一系列缺陷最★小化的同时,还具备安全、环保与经济性等前瞻优势。目前放热焊接作为一种成熟的焊接工艺,在国际上已经得到广泛运用,近年来∮在国内也得到认可,并逐渐在各行业充分展示出工艺上的技术优势。尤其是√对于接地系统要求较高的电力、铁路、石化等系统ζ和行业,更应该提倡适用该焊接技术。在防雷接地技术的日新月异的今天,放热焊接的应用必将使防雷与接地事业更上一个台阶。
                参考文献 
                《常见焊接缺陷种类及预防浅谈》东北林业大学李明书 
                《金属的腐蚀与防腐》国防工业出版社 2002年9月第一版赵♂麦群雷阿丽 
                《雷电防护与标准化》2004年第2期阮少波汪海涛 
                摘要本文介绍了汽车加油站防◥雷检测的具体ζ 方法,指出加油站防雷检测中容易忽略的问题,总结出做好加油站的防直击雷、防雷电感应、防静电、防雷电波侵入、防雷击电磁脉冲的综合检测工作,才能降低雷击事故,保证加油站安全可靠运行。关键词汽车加油站■防雷安全检测技术

                湖南义盟克甲级检测防雷资质公司主营防雷:湖南甲级防雷检测工程,机房防雷工程,校园防雷,医院防雷,加油站防雷工程,湖南防雷公司,搅拌站防雷检测,监控防雷工程检测,网络防雷,小区防雷工程检测,工厂↙防雷工程检测,加气站防雷工程,长沙防雷,变电站接地等防雷工程业务。
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