0  引言

隔離開關是在分閘位置時觸頭間有符合規(guī)定要求的絕緣距離和明顯的斷開標志，并且在合閘位置時能承載正常回路條件下的電流和在規(guī)定時間內(nèi)異常條件(例如短路)下的電流的開關設備^[1]。

    隔離開關是在變電站、輸配電線路中與斷路器配合使用的一種主要設備。是保障電網(wǎng)持續(xù)、可靠供電的主要變電設備?，F(xiàn)役隔離開關的觸頭彈簧片為錳鋼和不銹鋼，觸指材料為黃銅或紫銅，并在表面鍍銀。隔離開關一般在戶外運行，受到風霜雨露、鹽霧、工業(yè)廢氣形成的化合物的影響，易發(fā)生銹蝕。觸指、觸頭接觸部位在銹蝕后導致接觸電阻增大，使觸頭產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。彈簧片的銹蝕使夾緊力衰減，導致接觸壓力減小，接觸電阻增大，產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。觸頭發(fā)熱后接觸面氧化造成接觸電阻進一步增大, 觸頭發(fā)熱更厲害, 形成惡性循環(huán), 嚴重時發(fā)生熔焊產(chǎn)生拉弧^[2]。

    另外，在電力系統(tǒng)實際運行過程中，隔離開關長期處于合閘運行狀態(tài)時，若觸指彈簧質(zhì)量不佳，極易產(chǎn)生金屬疲勞，彈性指標下降，經(jīng)過分閘后再次合閘，觸頭與觸指之間的接觸壓力將減小，導致接觸電阻增大從而使觸頭發(fā)熱；觸頭發(fā)熱則使彈簧受熱，彈性指標進一步下降，接觸電阻進一步增大。最終觸指彈簧將失去彈性，接觸電阻將更大，導致溫度急劇升高燒損觸頭。所以觸頭元件的質(zhì)量直接影響到隔離開關運行安全^[3]。

    在實際生產(chǎn)中，部分隔離開關制造廠商為了降低成本，制造出的彈簧片表面的鍍鋅層厚度較薄，附著力不足，所以彈簧片在使用過程中容易銹蝕，導致觸頭夾緊力下降。銀具有優(yōu)良的導電性，因而鍍銀層的厚度是保證接觸電阻達標的基本要求，直接影響高壓隔離開關觸頭的可靠性和運行壽命。觸指鍍銀層硬度較低時，在開合過程中鍍層脫落或磨薄，減少使用壽命，給生產(chǎn)帶來不安全因素^[4]。針對這種情況，對變電站一組改進后的隔離開關觸頭進行了檢測，并與收集到的部分彈簧片和觸指檢測對比。分析表明，改進型隔離開關觸頭元件質(zhì)量優(yōu)異，導通性能較好，解決了隔離開關發(fā)熱問題。

1  方法分析

1.1  鍍層材料

    鍍層材料采用能譜儀測試。能譜儀用來對材料微區(qū)成分元素種類與含量進行分析，配合掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡使用。

    X射線光子進入檢測器后，在Si（Li）晶體內(nèi)激發(fā)出一定數(shù)目的電子空穴對。產(chǎn)生一個空穴對的最低平均能量ε是一定的（在低溫下平均為3.8 eV），而由一個X射線光子造成的空穴對的數(shù)目為N=△E/ε，因此，入射X射線光子的能量越高，N就越大。利用加在晶體兩端的偏壓收集電子空穴對，經(jīng)過前置放大器轉(zhuǎn)換成電流脈沖，電流脈沖的高度取決于N的大小。電流脈沖經(jīng)過主放大器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖進入多道脈沖高度分析器，脈沖高度分析器按高度對脈沖分類進行計數(shù)，這樣就可以描出一張X射線按能量大小分布的圖譜^[5]。

1.2  鍍層厚度

    鍍銀層厚度的測量方法較多，根據(jù)在測量過程中基體材料有無損壞，可分為有損檢測法與無損檢測法兩大類。其中有損檢測法有金相顯微法、電解法、化學溶解法（點滴法﹑液流法﹑稱量法）等多種，其中金相顯微法是最直觀、有效的檢測方法。

    本次測試所采用方法為掃描電鏡測試。

    2004年，國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)運營部為完善高壓隔離開關的改造要求，特頒布了《關于高壓隔離開關訂貨的有關通知》，對鍍層性能提出了明確的要求，其中鍍層厚度不得低于20 μm^[6]。

1.3  鍍層硬度

    依據(jù)國家電網(wǎng)公司《高壓開關設備管理規(guī)范-交流高壓隔離開關和接地開關技術(shù)標準》對觸頭鍍層的要求，要求觸頭鍍層硬度不小于120 HV。鍍銀層的硬度采用顯微維氏硬度計依據(jù)標準GB/T4340.2-2009《金屬材料維氏硬度試驗》進行測試。

    維氏硬度試驗是用一個相對面夾角為136°的正四棱錐體金鋼石以規(guī)定的試驗力F壓入試樣表面, 經(jīng)保持規(guī)定時間后, 卸除試驗力, 測出壓痕表面積, 維氏硬度值是試驗力F與壓痕表面積S之比,即HV=F/S^[7]。

1.4  抗拉強度

    測量抗拉強度比較普遍的方法是采用萬能材料試驗機等來進行測定。材料在拉伸過程中，經(jīng)過屈服階段后進入強化階段，隨著橫向截面尺寸明顯縮小，在拉斷時所承受的最大力（F_b）除以試樣原橫截面積（S_o）所得的應力（σ），稱為抗拉強度或者強度極限（σ_b），單位為N/mm²（MPa）。它表示金屬材料在拉力作用下抵抗破壞的最大能力。

2  檢測

2.1  彈簧片

    觸指彈簧的功能主要有：（1）用來穩(wěn)固觸指，（2）使觸指和觸頭之間有足夠的作用壓力。由于觸指彈簧具有上述兩個功能，所以彈簧性能的好壞將直接影響觸指和觸頭能否有效地接觸^[8]。

    隨機抽取改進型隔離開關彈簧片2件，選取搜集到普通彈簧片2件，試樣見圖1。

    （1）彈簧片材質(zhì)及鍍層檢測結(jié)果見表1。

    （2）彈簧片材料性能對比見表2。

    由表2可知，與普通65Mn彈簧鋼相比，雖然鎳鈦基合金屈服強度和抗拉強度略低，但是鎳鈦基合金的彈性應變是65Mn彈簧鋼的6~16倍，更適合作為彈簧片材料。

    TiNi合金是一種典型的形狀記憶合金，具有良好的形狀記憶效應、偽彈性、耐腐蝕性及生物相容性，在航空航天、建筑和醫(yī)療等領域均得到廣泛的應用^[9-10]。

    記憶合金材料因其極佳的耐腐蝕性，可以在戶外惡劣環(huán)境條件下提供持續(xù)穩(wěn)定的彈力，使觸頭與觸指貼合緊密，增大接觸壓力，降低接觸電阻。

2.2  觸指

    觸指是隔離開關導流的關鍵元件，在實用中，若觸指表面導電鍍銀層剝落，在觸指夾緊力不變的情況下，接觸部位的接觸面積及強度都有所下降，可能影響隔離開關回路電阻，導致通流能力下降^[11]。

    （1）觸指鍍層材質(zhì)檢測

     隨機抽取改進型隔離開關2件觸指和搜集到的2件觸指試樣，試樣形貌和編號如圖2所示。其中改進1和改進2為改進型隔離開關觸指。所有樣件均為國產(chǎn)樣件。

    對試樣沿橫截面剖開，采用掃描電子顯微鏡和能譜儀分析，檢測結(jié)果如表3所示。

    由表3可知，改進型觸頭所用觸指鍍層材質(zhì)為銀，導電較好，而且銀氧化后氧化物電阻較小，不易導致接觸處發(fā)熱。對比樣品表面鍍層主要成分是Sn，沒有鍍銀。

    （2）觸指鍍層厚度檢測

    隔離開關觸指鍍層厚度檢測結(jié)果見表4。

    由表4可知，改進1和改進2號觸指鍍層厚度符合要求，其余樣品鍍層厚度不滿足國家電網(wǎng)公司的相關技術(shù)標準（《高壓開關設備管理規(guī)范—交流高壓隔離開關和接地開關技術(shù)標準》）要求。

    （3）觸指鍍層硬度檢測

    采用HV1000顯微維氏硬度計對1~5號樣品進行顯微維氏硬度測試，結(jié)果見表5。

    由表5可知，所檢的改進1和改進2樣品的鍍層硬度符合國家電網(wǎng)公司有關技術(shù)標準要求，其余樣品由于鍍層太薄無法測到顯微維氏硬度。

3  結(jié)論

    （1）普通觸指鍍層材料、厚度、硬度不符合要求，應予以技術(shù)改進；

    （2）改進型觸指鍍銀層硬度和厚度均高于國家電網(wǎng)相關技術(shù)標準要求；

    （3）改進型隔離開關記憶合金彈簧片相比普通彈簧片具有較大的彈性。

    綜上，改進型觸指鍍銀層硬度和厚度均高于國家電網(wǎng)相關技術(shù)標準要求，隔離開關部分現(xiàn)役觸指鍍層材料、厚度、硬度不符合要求，應予以技術(shù)改進。

參考文獻

[1] DL/T 486—2010《高壓交流隔離開關和接地開關》[S]. 北京: 中國電力出版社, 2011. 

[2] 蔣平, 李晶.高壓隔離開關觸指壓力的測試[J]. 四川電力技術(shù), 2009, 32(6): 26-28.

[3] 夏壽鵬. 淺析隔離開關發(fā)熱原因及處理預防措施[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2001(4): 262.

[4] 徐雪霞, 馮硯廳, 柯浩, 等. 高壓隔離開關觸頭鍍銀層質(zhì)量檢測分析[J]. 河北電力技術(shù), 2013, 32( 3): 3-5,11. 

[5] 衛(wèi)巍, 程國營. Ｘ射線熒光測量技術(shù)在冷軋鍍鋅處理線的應用[J]. 寶鋼技術(shù), 2007(1): 54-57. 

[6] 劉純, 謝億, 陳軍君, 等. 高壓隔離開關觸指鍍銀層現(xiàn)場測厚技術(shù)開發(fā)[J]. 湖南電力2010, 30(5): 14-16. 

[7] 蔡麗清. 維氏硬度試驗及其主要影響因素分析[J]. 物理測試, 2008, 26(5): 21-23. 

[8] 何兵, 鄧海峰. GW4/GW5型隔離開關燒壞原因分析及預防控制措施研究[J]. 電氣開關, 2012(4): 46-48. 

[9] 舟久保, 熙康. 形狀記憶合金[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1992. 

[10] 楊大智, 張連生, 王風庭. 形狀記憶合金[M]. 大連: 大連工學院出版社, 1988.

[11] 楊堃, 宋杲, 曹德新, 等. 隔離開關觸頭壽命的試驗研究[J]. 智能電網(wǎng), 2014, 2(2): 63-66. 

作者信息:

孟令文1，程  斌1，李  巖2

（1.國網(wǎng)陜西銅川供電公司, 陜西 銅川 727000；

2.蘇州國嘉記憶合金有限公司，江蘇 常熟 215500）