高壓開關設備鍍銀缺陷分析

胡加瑞 *，劉純，謝億，牟申周

（1.湖南省電力公司科學研究院，湖南 長沙 410007；2.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南 長沙 410007）

目前高壓開關的觸頭基本上都鍍銀，主要采用Ag-Sb合金(Sb含量1.7% ～ 3.0%)以改進觸頭的導電性，減小表面的接觸電阻[1]。觸頭鍍銀層的質量將直接影響設備的載流量和使用壽命，觸頭鍍銀效果不好，會直接導致觸頭接觸電阻大、觸頭發(fā)熱、觸頭加速氧化等。觸頭鍍銀層的厚度、硬度以及附著力不足也將造成因鍍銀層過早剝落、露銅而發(fā)熱。對高壓開關而言，其觸頭鍍銀層的質量是關鍵指標，直接影響高壓隔離開關的可靠性和運行壽命。隨著電力建設的快速發(fā)展，目前一些高壓開關廠家對觸銀工藝的管理仍較為粗放，或觸頭為外購件，加之對觸頭缺乏有效的檢測手段，因觸頭失效而導致的開關發(fā)熱或跳閘事故時有發(fā)生。本文結合高壓開關觸頭鍍銀的失效案例，對其失效原因進行分析，為觸頭的設計、監(jiān)造以及檢修提供一定的參考。

1 斷路器典型的金屬失效形式

1. 1 鍍層剝落

某220 kV GIS氣體絕緣金屬封閉開關設備現(xiàn)場安裝過程中發(fā)現(xiàn)間隔本體至出線套管連接(運輸解體)部分，絕緣盤導體連接面(運輸包裝側)鍍銀層起泡脫落，絕緣盤的基體材質為鋁。圖 1為絕緣盤的宏觀照片，剝落位置遍布整個鍍銀層，嚴重區(qū)域可見明顯的大塊鍍銀層脫落，脫落后顯示為黑灰色。

圖1 鍍銀層剝落及起泡Figure 1 Peeling and blistering of silver coating

對樣品進行常規(guī)金相處理并超聲清洗后，在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察微觀組織形貌和進行能譜(EDS)分析。圖2為鍍層脫落位置的金相圖和EDS譜圖。銀層脫落后，基體呈黑色，表面分布一些白色塊體，能譜分析表明這些黑色及白色塊體均為Al2O3，由于基體氧化程度不同，而造成襯度的差異。

圖3為鍍銀層未脫落部位的SEM照片，表1為對應部位的EDS譜圖分析結果。從圖3可知鍍銀層表面有較多的白色塊狀物，且其尺寸較大，約為150 μm。結合能譜分析結果可知，這些白色物質都以氧化鋁為主，主要因為鍍前打磨時氧化膜未被徹底處理掉。另外，基體上存在較多的黑色點狀物，可能是由工藝不當所致，這些顆粒與基體間存在一定的界面孔隙，將成為潮濕空氣入侵基體的通道。

圖2 鍍銀層剝落處的金相圖和EDS譜圖Figure 2 Metallograph and EDS spectrum for peeling area of silver coating

圖3 鍍銀層表面凸起的氧化物及點狀缺陷Figure 3 Raised oxide and spot defects on silver coating surface

表1 鍍銀層表面缺陷的成分Table 1 Composition of defects on surface of silver coating

圖4為鍍層與基體的截面形貌照片。從圖4可清楚地看到，整個截面由基體、富Cu層以及銀層構成。結合厚度測量可知局部區(qū)域富 Cu層與銀層的總厚度約為10 μm，其中富Cu層約為2 μm，銀層約為8 μm。觀察鍍層的多個部位發(fā)現(xiàn)，脫落位置全部在基體與富Cu層之間，而非在銀層與過渡銅層之間。

圖4 鍍層與基體開裂Figure 4 Crack between coating and substrate

鋁及鋁合金屬于兩性金屬，在酸堿溶液中都不穩(wěn)定，并且與氧有較高的親和力，表面易形成天然氧化膜，阻止鍍層與基底之間的結合[2]。基體與鍍層間結合力差的原因為鍍前處理過程中未徹底去除氧化膜。因此，鋁及鋁合金電鍍的關鍵是在鍍前徹底去除其表面的天然氧化膜。

金屬零件的鍍前處理是能否獲得優(yōu)質鍍層的重要環(huán)節(jié)。生產(chǎn)實踐表明，鍍層出現(xiàn)脫殼、起泡甚至不上鍍等質量事故大多數(shù)并非由電鍍工藝本身造成，而是鍍前處理不當所致，所以鍍前處理對鍍層質量起著至關重要的作用。金屬表面附著的各種污物(如防銹油、潤滑油、手汗污染以及毛刺、塵粒、粉末、氧化膜等)是阻礙電解液與金屬表面直接接觸的中間夾層，會使零件表面產(chǎn)生介電、鈍態(tài)、電阻大等不良狀況，使鍍層結合力降低。正常情況下鍍銀層較為致密，孔隙較少，由外界氧分子入侵導致基體Al氧化的可能性較小。但當鍍層表面有一定顆粒狀物質存在或起泡時，其表面將會出現(xiàn)一些裂痕和缺陷，在一定程度上為氧的入侵提供了通道，致使氧化加速。

1. 2 硫化發(fā)黑

在某220 kV變電站基建過程中發(fā)現(xiàn)，10 kV中置柜梅花觸頭導電桿表面發(fā)黑，對該梅花觸頭進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)其動靜導電桿對接鍍銀層面存在黑色薄層，約占周長的25%，且部分位置有露銅現(xiàn)象，如圖5所示。對導電桿黑色區(qū)域進行金相組織分析，發(fā)現(xiàn)黑色區(qū)域的厚度約為201 μm，如圖6所示。

圖5 導電桿發(fā)黑區(qū)域Figure 5 Blackened area of conducting rod

圖6 導電桿發(fā)黑區(qū)域金相組織Figure 6 Metallographic structure of blackened area of conducting rod

圖7為導電桿發(fā)黑區(qū)域的截面形貌和EDS譜圖。從圖 7可以看出，發(fā)黑處存在大量顆粒狀物質。能譜分析表明，該區(qū)域含有大量的S、O、Cl等非金屬元素。

圖7 導電桿發(fā)黑區(qū)域SEM照片和元素成分Figure 7 SEM image and elemental composition of blackened area of conducting rod

通常情況下，鍍銀層對H2S和SO2等含硫化合物特別敏感，當大氣中或溶液中含有約百萬分之幾的H2S或約十幾萬分之幾的 SO2時，鍍銀層即發(fā)生變色。隨反應進行，鍍層表面逐漸由亮白色向深灰色及黑色變化。黑色產(chǎn)物主要為β-Ag2S和Ag2SO3，其反應如下：

Ag2S及 Ag2SO3的生成會造成導電桿的接觸電阻升高，若發(fā)黑區(qū)域較厚，可能使設備的可靠性下降。鍍銀過程中接觸硫化物的可能性較小，發(fā)黑的起因應為電鍍銀之后的包裝工藝不嚴格，使導電桿的端部與大氣接觸，當空氣中含有較多的H2S和SO2時，鍍銀層便發(fā)生硫化。因此，包裝時應在觸頭處涂覆惰性物質，防止其氧化。

1. 3 表面露銅

某220 kV變電站10 kV開關柜在耐壓試驗中不合格，現(xiàn)場對該開關柜進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)梅花觸指及導電桿均有大量的露銅現(xiàn)象，如圖 8所示。采用顯微維氏硬度計測得導電桿鍍銀層的顯微硬度為96 HV。根據(jù)DL/T 486-2010《高壓交流隔離開關和接地開關》技術標準規(guī)定，導電回路主觸頭的鍍銀層顯微硬度不應小于120 HV。開關設備的觸頭在運行時需要具備自潔功能，即觸頭接觸閉合時可通過摩擦來進行表面自清潔。因此，為防止觸頭表面鍍銀層在摩擦過程中過度剝落或減薄，避免其在規(guī)定的開合閘次數(shù)內(nèi)失效，鍍銀層必須有足夠的硬度和耐磨性。

圖8 觸指露銅Figure 8 Exposed copper of conducting pole

該開關設備的鍍銀層硬度較低，導致其耐磨性能和附著力較差，鍍銀層與基體銅之間經(jīng)過例行試驗的摩擦之后脫落。目前國內(nèi)部分廠家高壓開關的觸頭為電鍍銀-銻合金層，甚至為電鍍純銀層。這2種鍍層的綜合性能有限，已滿足不了高壓開關對電接觸部位鍍銀層性能的要求。國外廠商多采用納米粉體復合鍍銀工藝，以提高鍍銀層的耐磨性和自磨(自潤滑)性等，所用納米粉體主要有納米氧化鋁粉體、納米石墨粉體以及復混的納米粉體。當鍍層厚度為18 μm時，其顯微硬度可達 350 HV，中性鹽霧試驗達 GB/T 10125-1997規(guī)定的10級，在9 kg壓力下工件裝機實際耐磨2 500次左右。

2 結論及建議

(1) 電鍍銀過程中工藝參數(shù)不合格是高壓開關觸頭失效的主要原因。鍍前處理欠佳會使鍍層發(fā)生剝落，鍍后包裝不當可能導致鍍銀層硫化，而不合格的中間工藝會導致鍍銀層硬度偏低，耐磨性能變差。因此，生產(chǎn)中的任一環(huán)節(jié)都與鍍銀層的質量密切相關。

(2) 高壓開關生產(chǎn)廠家需提高技術，加強質量管理，嚴格把控各個環(huán)節(jié)，避免不合格產(chǎn)品出廠。另外，電網(wǎng)建設和運維單位應加強設備的入網(wǎng)檢測和基建階段驗收工作，將關口前移，最大限度地避免不合格設備投運。

[1] 屠振密. 電鍍合金原理與工藝[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社, 1995： 386.

[2] 胡傳. 表面處理技術手冊[M]. 北京： 北京工業(yè)大學出版社, 1997.