鄭克勤,呂旺燕，聶銘，王貽波，劉仲武

(1.華南理工大學 材料科學與工程學院，廣東 廣州 510641；2.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

隨著經濟的快速發(fā)展，對電力的需求也日益增大。在“十三五”期間[1]，著力解決能源供應、生態(tài)環(huán)境和電網安全問題的同時，超高壓、特高壓線路以及智能電網的建設也全面展開，戶外高壓隔離開關作為變電站中使用量最大的高壓開關設備，對其可靠性要求也越來越高。

隔離開關的主要用途是保證設備中檢修部分與帶電體隔離，還可以進行電路的切換或者拉合空載電路。隔離開關結構原理簡單，但由于其使用環(huán)境的多變性導致其在長期帶電工作中暴露出各種缺陷[2-4]。在2009至2013年的5年間，根據《廣東電網110 kV～500 kV隔離開關質量分析報告(2009—2013)》故障統(tǒng)計顯示，隔離開關設備共發(fā)生事故3起，出現緊急、重大缺陷791起。近5年設備缺陷率變化趨勢如圖1所示。2009年和2012年的缺陷率較高，而2010、2011和2013年基本持平，這說明缺陷率周期性反復上升。以如圖2所示的2013年缺陷分布為例，出現緊急、重大缺陷97起，缺陷主要包括：過熱、拒動和機械損壞缺陷。而過熱缺陷次數最多，達40次，占整個缺陷的41.2%；拒動缺陷次之，共有16次，占16.5%；機械損壞缺陷有12次，占12.4%。缺陷的出現嚴重威脅到電網的長久穩(wěn)定運行，甚至生命安全。

圖1 近5年缺陷率變化趨勢Fig.1 Variation trend of defect rate in recent five years

圖2 隔離開關緊急(重大)缺陷類型分布Fig.2 Distribution of emergency (major) defect types of disconnector

戶外高壓隔離開關的典型故障主要包括兩大類。第一類是機械故障，包括絕緣子斷裂、機構傳動部分卡滯、轉動軸銹死、熔斷絲熔斷和接觸不良等；第二類是觸頭材料本身失效導致的熱缺陷[2-4]。觸頭材料主要是由紫銅以及表面的鍍銀層組成，鍍層的作用是為了防止基體銅過氧化，且可以提高觸頭接觸部位電流導通能力，而鍍銀層硬度較低，容易在觸頭使用的過程中磨損甚至剝落導致露銅，使得基體銅作為陽極迅速腐蝕，導致熱缺陷的產生。其實機械故障本身也有很多缺陷是由于結構材料腐蝕而導致的，比如接觸不良、軸距斷裂和合閘不到位等問題。因此，對隔離開關由于腐蝕導致的故障進行分析并研究其因果關系，對電網的安全穩(wěn)定運行有著重要的意義。

本文著重闡述刀閘觸頭材料的腐蝕以及其現有的相關防護措施，綜述隔離開關觸頭腐蝕失效行為的原因，并提出相關建議；同時總結了現有的有關戶外隔離開關的維護措施，并對其檢修與監(jiān)控手段提出部分建議。

1 影響隔離開關的腐蝕因素

1.1 氣候

隨著四季的變化，人與物都在接受著春夏秋冬的洗禮，經受著綿綿細雨、酷熱難耐、秋高氣爽、寒冷刺骨等氣候的考驗；同時氣候根據地域又可以人為劃分為熱帶雨林氣候、地中海氣候、山地氣候等12種氣候。對長期使用于戶外條件下的隔離開關而言，不同地域、不同季節(jié)引起的氣候變化對其產生的腐蝕是必須要考量的一個因素。

一般氣候因素有溫度、相對濕度、光照和潮濕等因素。鄧飛鳳等[5]的研究發(fā)現，相對濕度的增加有助于在金屬表面形成液膜，在相對濕度大于臨界相對濕度形成液膜時，腐蝕速率大大增加，使金屬從化學腐蝕轉為電化學腐蝕。曹君飛等[6]在溫度濕度對碳鋼土壤腐蝕的研究中發(fā)現：相對濕度的增加直接加劇腐蝕的發(fā)生以及腐蝕速度；同時相對濕度的含量也影響腐蝕形貌，在濕度較低時發(fā)生的是坑點腐蝕，而在40%含水體系中發(fā)生的是均勻腐蝕。Samie等[7]研究了硝酸存在時溫度、相對濕度等因素對Cu腐蝕的影響，結果表明在相對濕度一定的情況下，溫度的升高導致腐蝕增量有小幅的下降，主要是因為溫度的升高使Cu表面的薄液膜厚度減小，從而生成的CuO含量減小。許鳳玲等人[8]研究了在模擬海洋大氣環(huán)境下光照對高強度低合金鋼的影響，電化學測試表明光照使得樣品阻抗值降低，加速了電子傳遞過程，從而使得腐蝕速率加快。

1.2 大氣污染物

1.3 電流電場

除了大氣因素外，使用條件的不同也會使得觸頭材料的腐蝕狀態(tài)發(fā)生變化。觸頭作為開關設備的主要部件，其功能就是導通與斷開電路，所以作為長年在帶電的情況下使用的刀閘觸頭材料，有著不一樣的腐蝕過程。Tang等人[21]利用自制的實驗電路，在質量濃度為4 g/L的硫酸鈉模擬土壤溶液中對Q235鋼鋼材施加交流電，研究交流電對腐蝕速率以及陰極保護電位的影響時發(fā)現：當交流電流密度小于300 A/m2時，增大陰極保護電流可以控制交流引起的腐蝕；當陰極保護電流過大時，會加速Q235鋼的腐蝕。任超等[22]利用極化曲線和電化學阻抗的方法對X70鋼在不同直流通電時間的腐蝕行為進行了分析并發(fā)現：通電時間越長，腐蝕速率總體越大，且腐蝕程度不斷深入。李爽等人[23]通過搭建仿真平臺，把20號碳鋼放置在質量濃度為0.5 g/L的氯化鈉溶液中，分析不同電流對腐蝕速率的影響，研究表明：電流密度越大，腐蝕速率越快，隨著電流密度增大達到一定值時，腐蝕速率趨于恒定。該研究結果與本項目最近實驗結果有相似之處，實驗是通過對材料施加直流電源并放入加速腐蝕試驗箱，來模擬材料在不同的腐蝕介質中的腐蝕過程，分析其中的腐蝕動力學以及腐蝕熱力學原理，并得出電流與腐蝕的關系。實驗部分裝置及結果如圖3和圖4所示。圖4表明：當施加5 A的電流時，材料的腐蝕速率會明顯增加，在腐蝕時間為48 h時，就會出現綠色產物，而不施加電流時出現綠色產物的時間為168 h。相關研究表明，電流作為后處理能使得材料內應力得到消除，龍昕等人[24]通過對H62冷軋鋼材進行高密度單脈沖電流處理后，有效地消除樣品的內應力，減少樣品的內部缺陷，降低表面的吸附幾率，從而減緩材料的應力腐蝕速率。因此電流對刀閘觸頭的腐蝕行為尚未明確，特別是在高壓或者大電流的情況下，腐蝕行為難于預測。

圖3 研究電流影響腐蝕行為的實驗裝置實物圖Fig.3 Experimental device for studying current effect on corrosion behavior

圖4 加載電流對宏觀腐蝕形貌的影響Fig.4 Effect of electric current on macroscopic corrosion morphology

刀閘觸頭附近難免有大大小小的電場，而電場對材料腐蝕的影響也有相關人員進行了研究。Huang等人[25]通過自制的裝置，研究了在薄液膜下直流電場對銅的腐蝕行為，并得出隨著電場強度的增大，Cu的陰極電流密度下降，即電場的存在減緩了Cu的腐蝕行為，且腐蝕薄液膜中的氯離子在電場的作用下，作定向移動。原徐杰等[26]采用薄液膜裝置，研究了外加直流電場作用下電場對腐蝕行為的影響，并發(fā)現：外電場使得鋅電極腐蝕電位負移，同時使得鋅電極在陰極電極極化的條件下增加了其陰極電流密度，即電場的存在加速了鋅電極的腐蝕。Hu等人[27]研究腐蝕性硫介質對銅在電場下的作用時發(fā)現，電場可以加速腐蝕程度，導致腐蝕沉積物的增加。孫偉等[28]研究發(fā)現，在含有大量離子的生物溶液中，靜電場對溶液的相變過程不產生影響，而交變電場影響顯著。

1.4 其他因素

觸頭材料通過彈簧等機械裝置閉合，使得電流流通，而觸頭在較大的非線性壓力下使用。對于應力對材料的腐蝕行為的影響，何建平等[29]的研究發(fā)現，在恒應變速率作用下，鋁合金自腐蝕電位有明顯的負移趨勢，且應變速率愈大，負移速率愈快。饒思賢等[30]對航空結構材料進行了拉伸試驗并同時進行電化學測試時發(fā)現：在彈性加載階段，自腐蝕電位和陽極極化曲線都向負方向移動;且當原腐蝕速度越慢時，荷載加速腐蝕作用越明顯，相反則越不明顯。

高壓隔離開關的腐蝕因素更離不開它的材料本身。金屬在大氣環(huán)境中，腐蝕普遍存在，從本質上說，就是金屬表面在電解質薄膜作用下的電化學腐蝕的過程[31-33]。高壓隔離開關早期觸頭材料大多為純銅或鋁材質，這是因其良好的導電率且價格較為低廉而決定的。但是銅及鋁還不是最優(yōu)良的導電材料，為了減小接觸電阻，國內外的開關觸頭部分都會鍍上一層銀，防止觸頭的氧化和提高其導電性[34]。鍍層需要具有一定的硬度和耐磨性，因為刀閘在合閘過程中會經過強烈的摩擦，不合格的鍍層很容易會脫落而導致露銅。而銀僅作為陰極鍍層，當與基體構成腐蝕微電池時，其只能對基體金屬起機械保護作用。當出現露銅后，銅將加速腐蝕，從而加快觸頭材料的失效過程。

2 隔離開關觸頭的改進與相關防護手段

國家標準規(guī)定開關設備導電回路上主觸頭鍍銀層厚度應不小于20 μm，且硬度不小于120 HV。隨著使用時間的增加，鍍銀層總是過快地磨耗，甚至剝落。許雪霞等[35]通過隨機抽取某供電公司5個高壓隔離開關觸頭樣品對其進行成分分析、厚度測定、硬度測定等，結果發(fā)現只有一個樣品的鍍銀質量符合國家電網有限公司相關規(guī)范要求。下文綜述了鍍銀技術的一些發(fā)展與進步，針對刀閘觸頭材料的不足給出了相關改進的方向，同時對隔離開關使用過程中的維護、檢修與監(jiān)控提供參考。

2.1 鍍銀工藝改良

鍍銀工藝可以在鍍液配方、施鍍條件方面進行優(yōu)化。1840年英國人Elkington兄弟獲得氰化銀專利并創(chuàng)辦電鍍工廠，標志著電鍍工業(yè)的發(fā)端。此后的170多年的時間里，在科研人員的不斷努力下，電鍍行業(yè)的工藝、技術、設備等都在不斷地得到創(chuàng)新[36-38]和進步，對鍍銀工藝預處理、添加劑、電鍍方式等方面的優(yōu)化使銀鍍層的性能得到了很大的提高。邱媛等[39]對鍍銀預處理浸鍍液的硝酸銀、硫脲溶液、pH值等工藝參數進行優(yōu)化，得到了更好的銀鍍層，在300 ℃保溫1 h除氫處理條件下，鍍層無起皮、脫落及起泡現象。單穎會[40]在基礎鍍液的基礎上加入質量濃度為0.2 g/L的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，通過掃描電鏡進行觀察比較發(fā)現，相對于基礎鍍液鍍層，添加了AES的鍍液所得鍍層的表面晶粒尺寸明顯減小，而且由于小晶粒的存在填補了大晶粒的空隙，有效提高了鍍層的耐腐蝕能力。趙永崗等[41]選取脈沖電源并對平均電流密度、脈沖頻率、脈沖工作比、是否啟用負向脈沖等條件進行選取，得到了硬度、耐磨性、抗腐蝕變色能力均較優(yōu)的鍍層，與直流電源鍍層相比明顯在多方面的性能上都得到了提高，同時在實際應用中鍍層無脫落和起皮現象。

氰化鍍銀體系在實際應用中雖然有著很大的優(yōu)勢(鍍液穩(wěn)定、鍍層質量好、工藝簡單等[42])，但是氰化物作為一種劇毒產物，后期對電鍍廢液的回收以及處理將對環(huán)境造成很大的傷害。國家經貿委2002年第32號令規(guī)定淘汰含氰電鍍，2005年第40號令又規(guī)定2006年底前淘汰“氰化鍍銀體系”。相對于氰化鍍銀，無氰鍍銀的發(fā)展歷史只有短短的幾十年[43]，但是經過科研人員的不懈努力，現在已經出現了更多用于電鍍的表面活性劑和添加劑中間體，同時精細化工的發(fā)展也產生了更多優(yōu)良的絡合劑[44-45]，而且電鍍電源技術的發(fā)展和其他輔助設備技術的進步都為無氰鍍銀工藝取得新的突破創(chuàng)造了機會[46-47]。畢晨等[48]通過對丁二酰亞胺無氰鍍銀工藝鍍液配方、溫度、pH值、電流密度等方面進行優(yōu)化，得到了一種結合力良好、抗變色能力優(yōu)于氰化鍍銀的鍍層。劉安敏等[49]研發(fā)了一種采用二甲基乙內酰脲為主配位劑的復合配位劑無氰電鍍銀體系，在適宜的電鍍條件下得到外觀平整光亮、結晶均勻細致同時與基體結合良好的銀鍍層，且抗色變性能優(yōu)于氰化銀鍍層。無氰化鍍銀的發(fā)展不僅可以為電鍍行業(yè)的進步提供指導，同時也堅實地貫徹了環(huán)保理念[50]。

2.2 銀基復合鍍層的應用

為了應對前面提到的鍍銀層在應用過程中的硬度、耐磨性等問題，科研人員通過往鍍銀液中加入第二相粒子進行復合電沉積，加強了鍍層的耐蝕性、耐磨性。

石墨是一種結晶形碳，化學性質穩(wěn)定，具有良好的耐高溫、潤滑、導熱、導電性等優(yōu)點，廣泛應用于金屬復合鍍層中[51-53]，為銅基體的銀基復合鍍提供了一個良好的方向。Lü等人[54]采用復合電鍍工藝在銅基材料上進行了銀-石墨的復合鍍層的研究，并對鍍層進行了一系列機械實驗以及電化學實驗，結果表明銀-石墨鍍層與Cu、銀鍍層相比具有較好的耐蝕性能且有最低的摩擦系數。趙生光等[55]利用電沉積法在銅基體上分別制備了純銀鍍層和銀石墨復合鍍層，并通過磨耗機對鍍層進行磨損實驗，結果表明在相同潤滑脂的情況下，銀石墨復合鍍層具有更好的減磨抗磨性能，與銅基體相比摩擦系數最高可減小51.1%，磨痕寬度最高可降低53.1%。牟童等[56]在丁二酰亞胺無氰電刷鍍過程中添加納米級石墨顆粒，得到了致密的銀-石墨復合鍍層，有效提高了鍍層的硬度、致密性、抗變色能力等性能。德國西門子公司很早以前就對觸頭、觸指接觸材料進行銀-石墨鍍層研究，并在后期投入正式生產應用。涂滿鈺等人[57]在氰化鍍銀體系下制備了銀/納米金剛石復合鍍層，鍍層的耐磨性得到了大大的提高，而在硫酸鈉溶液中的耐蝕性也比鍍銀層要更好。劉建平等人[58]在氰化鍍銀體系下，通過往復合鍍銀液中添加活性劑、SnO2和In2O3，制備了具有較低硬度以及優(yōu)異導電性的復合鍍層。蘇永堂等人[59]利用脈沖電鍍的方式，在無氰鍍銀配方中加入納米級TiO2，并在磁場的作用下制備了Ag/TiO2復合鍍層，鍍層的耐蝕性及硬度均有一定的提高。

近年來，石墨烯開始被眾人所熟識，相較與石墨，它比石墨有更高的硬度、更好的導電性能，同時石墨烯的厚度可以達到幾個納米以下，是已知的最薄的材料[60-61]。相關研究還表明，石墨烯具有優(yōu)異的疏水性[62]，在一定程度上使得電化學腐蝕介質與基體材料隔開，有一定的鈍化作用，使耐蝕性得到提高。Kumar等人[63]從碳鋼上沉積的鎳-石墨烯復合鍍層中發(fā)現，鍍層中加入石墨烯后，Ni晶粒得到了明顯的細化，這是由于石墨烯在沉積過程中有效地提高了鎳金屬的形核率，且石墨烯在沉積過程中會填充鍍層缺陷，阻礙腐蝕的進行。YAN等人[64]將石墨烯引入了鍍銀層，并獲得了相對于銀-石墨鍍層的更好的機械性能及耐磨性能的鍍層，從圖5中的顯微硬度對比中發(fā)現，在鍍銀層中加入不同的第二相粒子，對于硬度值會引起不同的改變。當添加石墨烯時，其復合鍍層硬度得到了提高。對于磨痕寬度測試，如圖6，石墨的加入也能有效地降低其磨痕寬度值，這得益于固體潤滑劑石墨的減磨作用，改變了摩擦副與鍍層之間的摩擦屬性。張弘弘等[65]在質量濃度分別為0.2 g/L表面活性劑和9.0 g/L的石墨烯、攪拌速度為160 r/min的硫代硫酸鹽體系下，以0.6 A/m2電流密度施鍍得到的銀-石墨烯復合鍍層摩擦系數降低了80%,磨損量降低了89%。TANG等人[66]用循環(huán)伏安點解法制備了石墨烯-聚苯胺復合鍍層，該鍍層為交替層狀的graphene-PANI薄膜組成，具有優(yōu)異的電化學性能。Stankovich等人[67]也是利用電化學還原法制備了聚苯乙烯-石墨烯復合材料，得到復合材料的電導約為0.1 S/m，滿足許多電氣應用。相關研究發(fā)現，石墨烯能夠有效阻擋Cl-的腐蝕，Raman等人[68]通過化學氣相沉積法在純銅片表面制備了石墨烯薄膜，置于NaCl溶液中測試其電化學性能，發(fā)現鍍膜后的樣品的極化電流密度和腐蝕電位均低于未處理樣品1～2個數量級。

圖5 銅鍍層、銀鍍層、銀石墨鍍層和銀石墨烯鍍層的顯微硬度Fig.5 Micro-hardness of Cu, Ag coating, Ag-graphite coating, and Ag-graphene coating

圖6 銅鍍層、銀涂鍍、銀-石墨復合鍍層和銀-石墨烯復合鍍層的磨損寬度Fig.6 Wear width of Cu, Ag coating, Ag-graphite composite coating, and Ag-graphene composite coating

2.3 監(jiān)控與檢修手段

高壓隔離開關作為維持電網穩(wěn)定運行的重要保障設施之一,日常維護與檢修是電網工作者需要注意的一個方面。日常高壓電路巡視過程中對高壓隔離開關進行監(jiān)控，對于事故易發(fā)、頻發(fā)的線路段可適當加強巡視強度，并將巡視情況匯總成表，對后期檢修有很大幫助[69-70];同時對基層電網工作人員可加強相關技能的培訓，在了解相關金屬材料的基礎知識下正確操作高壓隔離開關的合閘、開閘，保障操作人員的人身安全，有效減少錯誤操作對高壓隔離開關的損害[71-72]。

腐蝕產物的生成會導致開關的接觸電阻增大，從而產生過熱現象的發(fā)生。在日常的檢修過程中可對刀閘接觸面進行打磨操作，將腐蝕層、氧化層打磨除去，然后涂抹導電膏、潤滑劑等可減小接觸電阻。喻華玉等[73]運用一種新型磨光機可以實現帶電情況下進行打磨操作，在停電情況下對刀閘觸頭進行打磨操作使接觸電阻從145 μΩ減小到35 μΩ。對帶電情況下高溫刀閘進行打磨處理使溫度下降到30 ℃左右并保持穩(wěn)定。打磨操作對腐蝕層的去除有很大的優(yōu)勢，但是很有可能對銀鍍層造成損傷。國內已有相關的科研人員進行這方面的研究，費敬銀等[74]在基于銅基體的情況下研究電刷鍍工藝，對鍍銀層進行加熱、磨削、彎曲等結合力測試，結果表明鍍銀層與銅基體有良好的結合力。曹春博等[75]通過清潔、修整、電凈、活化、刷鍍工作鍍層等工藝手段對現場銀層脫落的觸指進行刷鍍，成功修復銀鍍層，修復后的銀鍍層厚度、維氏硬度等指標也達到了厚度不小于20 μm、硬度不小于120 HV的技術指標要求，表1為部分樣品實驗結果。

鑒于高壓隔離開關在高壓線路正常運行中的重要支撐作用以及人工檢測監(jiān)視的局限性，開發(fā)一套在線監(jiān)測平臺對維護整個高壓線路正常運用有重大意義[76-78]。針對高壓隔離開關接觸電阻過大會導致過熱現象的產生，現有的監(jiān)測手段主要是從溫度入手。李中祥等[79]在紅外測溫的基礎上，設計開發(fā)了配套的溫度監(jiān)測硬件電路、溫度監(jiān)測軟件以及基于局域網絡的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，在實際應用中可以有效測量溫度。李玉柱等人[80]運用一種環(huán)境補償辦法有效減少了紅外測溫過程中環(huán)境因素的干擾，使測溫誤差保持在±1.5 ℃內。陳強等[81]運用多點式光纖光柵技術在建立三維仿真模型模擬情況下，利用人工神經網絡算法，解決光纖光柵傳感器無法直接測量導體溫度的問題。

表1 新工藝現場刷鍍觸指鍍銀層性能檢測結果Tab.1 Performance test results of silver coating on brush-plated touch fingers in new technology field[75]

3 結束語

高壓隔離開關是變電站中使用量最大的高壓開關設備，詳盡地分析高壓隔離開關刀閘觸頭材料的腐蝕因素、全面地了解和掌握電鍍以及快速發(fā)展的復合材料制造技術可為今后觸頭材料的開發(fā)和防護提供強有力的理論支撐；同時必須重視高壓隔離開關應用過程中的防護與監(jiān)控檢測，牢牢把握巡邏機器人、在線監(jiān)測等手段并運用得當，從而保證電網的安全運行。