王海军 史升振 王文龙
山东电力建设第三工程有限公司，山东青岛， 266100
Application of ACR alloy grounding material in CSP power station
( Wang Haijun Shi Shengzhen Wang Wenlong ）
摘要：国内某槽式光热电站的接地采用ACR合金新型材料。采用ACR合金新型材料不但缩短接地施工工期而且减少人力成本减少了施工费用。能够为新建、扩建和改建的火力发电厂、变电站、光热光伏电站以及风力发电工程的防雷接地工程提供一种思路与解决问题的方式。
关键词：ACR接地材料、接地、电站建设、应用
Abstract: ACR alloy new material is used for grounding of CSP power plant in China. The new ACR alloy materials not only shorten the construction period, but also reduce the labor cost and construction cost. It can provide an idea and a way to solve problems for lightning and grounding protection of new, expanded and rebuilt thermal power plants, substations, photovoltaic power stations and wind power generation projects.
Key words: ACR alloy material; Grounding; power station construction; Applications
1引言
电气接地系统是电力系统安全和稳定运行的重要保障,接地系统出现问题将对电气设备以及人身安全造成危害，造成重大损失。国内防雷接地材料通常都会选用热镀锌钢材，但是热镀锌钢材耐腐蚀性能差，而且在焊接过程破坏镀锌保护层，时间长了会对电力接地系统带来巨大安全隐患；部分工程采用铜包钢热熔焊接工艺性能差，也会对接地系统造成一定隐患。
国内某槽式光热电站的接地采用ACR合金新型材料。与传统材料相比，ACR合金新型材料施工方法操作简单，施工质量可控性高，缩短施工工期，既减少人力成本，又减少了施工费用。
2 ACR 接地材料简介
ACR接地合金材料是针对镀锌钢在碱性土壤中腐蚀快、寿命短，铜接地极成本高、易污染水源地的问题，研发出的一种环保型接地合金材料。不同于镀锌钢、镀铜钢等接地材料体系，ACR接地合金是一种耐腐蚀铝铜稀土合金一体化的材料,具有优异的耐腐蚀性能、极低的单位体积成本、优良的导电率和轻质高强等显著优势。
ACR接地合金的腐蚀速率是镀锌钢的1/6，可以做到电站的全寿命周期使用。ACR的密度是镀锌钢的1/3，可以降低材料的运输成本，减少施工人员的劳动强度。ACR具备较低的材料成本以及良好的接地性能,符合客户的实际需求。
3 技术方案比较
3.1 性能比较
分别从导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面比较ACR接地合金与铜、镀锌钢的差异。
a.导电性能
在20?C时，镀锌钢的电阻率138×10-6(Ω·mm)，铜的电阻率是17.24×10-6 (Ω·mm)，ACR接地合金的电阻率为39.3×10-6(Ω·mm)。通过电阻率可以发现，ACR接地体导电性能比钢接地体好，比铜接地体稍差。
b．热稳定性
GB50169-2016《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》要求电气设备接地线的截面，应按接地短路电流进行热稳定校验。钢接地线的短时温度不应超过400℃，铜接地线不应超过450℃，铝接地线不应超过300℃。根据热稳定条件，在没有考虑腐蚀时，接地装置接地导体的截面不宜小于连接至该接地装置的接地引下线截面的75%。
c.耐腐性
接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式。在多数情况下，这两种腐蚀同时存在。镀锌钢在土壤中的腐蚀速度为0.03~0.1mm/a，铜在土壤中的腐蚀速度为0.002~0.004mm/a，ACR接地合金在土壤中的腐蚀速度为0.007~0.01mm/a; ACR接地合金在土壤中的腐蚀速度大约是镀锌钢的1/6，是铜的腐蚀速度的2倍，而且电气性能稳定。
国内某220kV变电站通过联网测试三种不同材料接地网，对比运行400天开挖检视结果。发现采用热镀锌扁钢做接地体材料，锌层完全耗尽，钢腐蚀严重；采用铜做接地材料，几乎没有腐蚀；采用ACR接地铝合金材料，表面形成稳定导通氧化层，呈现更好的耐土壤腐蚀性能。
3.2 接地体截面选择
a.忽略腐蚀的影响，对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：
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b.考虑腐蚀因素，并留有充分的裕度，500kV变电所铜接地引下线的截面均取200mm2(铜排);镀锌钢接地引下线的截面为1000 mm2(扁钢);ACR接地引下线的截面为360 mm2。水平接地网截面按照GB50169-2016《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》的规定，取接地引下线的75%，即铜水平接地体截面取120mm2(裸铜绞线);镀锌钢水平接地体截面取750mm2;ACR水平接地体截面取270mm2。
c.新建变电的接地网所按40年免维护设计，则接地网40年后的腐蚀情况为：
a).铜的腐蚀速率按0.003mm/a计算，40年后纯铜损失的厚度约为40×0.003×2=0.24mm。主接地网接地体选择50×4 mm2的铜排时，其腐蚀后的截面为：(50-0.24) ×(4-0.24)=187 mm2>177.5 mm2。可满足40年的热稳定要求。
b).镀锌钢在不同的土壤中腐蚀速率变化较大，可按0.05mm/a进行估算，40年后镀锌钢损失的厚度约为40×0.05×2=4mm。主接地网接地体选择100×10 mm2的扁钢时，其腐蚀后的截面为：(100-4) ×(10-4)=576 mm2>532.5 mm2。可满足40年的热稳定要求。
c).ACR接地合金在不同的腐蚀速率按0.009mm/a进行估算，40年后ACR接地合金损失的厚度约为40×0.009×2=0.72mm。主接地网接地体选择60×6 mm2的ACR接地合金排时，其腐蚀后的截面为：(60-0.72) ×(6-0.72)=313mm2>310.5 mm2。可满足40年的热稳定要求。
综上所述，ACR接地体的截面显著小于钢接地体。
3.3 接地体连接方式
变电所的接地网金属导体存在着大量的连接，只有可靠的、牢固的连接才能保证接地网的运行可靠性。
a. 钢接地体的连接方式
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，有可能导致点腐蚀的出现，严重影响接地体的寿命。
b. ACR接地体的连接方式
ACR接地体之间的连接采用与基材成份一致的专用焊条，通过传统的氩弧焊或其它气体保护焊的方式进行焊接，由于焊条的成份与基材相同，焊口结合紧密，焊接不会破坏接地体的导通及耐腐蚀性能，从而保证接地体的长寿命运行。
c.铜接地体的连接方式
目前铜接地体主要采用放热焊接工艺进行焊接。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。但是，放热焊的成本较高。
4 经济效益分析
电站防雷接地若用常规接地设计，采用-60×6热镀锌扁钢，Φ12热镀锌圆钢，由接地主网引至接地设备采用直接焊接方式。热镀锌扁钢市场价位5600元/吨；Φ12圆钢市场价位5050元/吨。
本工程防雷接地主网实际采用ACR合金接地材料，与设备连接采用ACR合金排引出；然后通过软连接与主网ACR合金圆钢连接。ACR合金接地排的市场价位8元/米，ACR合金接地棒的市场价位6元/米。考虑到包括螺栓、焊材电费等其他费用以及人工费，安装完成整个光热电站共节省费用7.1万元。在节省费用的同时，还有施工周期缩短了1个月，经济效益效果显著。
5 结语
经过现场实际验证，采用ACR接地材料施工方法操作简单且施工质量可控性高，不但能够降低成本，更能缩短施工工期，具有显著的经济效果。ACR接地合金作为一种新型接地材料，具有良好的接地电气性能和耐土壤腐蚀性能，完全可以有效的代替镀锌钢和纯铜作为接地材料使用。可为火力发电厂、变换电站、光热光伏电站以及风力发电防雷施工提供一种解决问题的途径；增加了防雷接地施工的多元化措施的选择。
6参考文献
[1]《国家电网公司依托工程设计新技术推广应用成果汇编(2015 年版)》
[2] GB50169-2016，电气装置安装工程接地装置施工及验收规范［S］
【作者简介】
姓名：王海军 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：中西亚区域总裁
姓名：史升振 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：电气专业副首席工程师
姓名：王文龙 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：电气专业主管