工業(yè)園區(qū)附近高壓隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱問題分析

楊倩倩，呂雨桐，王 耀，王 彪，徐 宇，武占軍，王 威

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地，河南 洛陽 471003；3.巴彥淖爾電業(yè)局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

0 引言

變電站隔離開關(guān)作為電力系統(tǒng)中關(guān)鍵的基礎(chǔ)性一次元件，承擔(dān)著隔離、轉(zhuǎn)接、接通、分?jǐn)嗟裙δ躘1-3]，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用量大，工作環(huán)境惡劣的特點(diǎn)[4]。隨著電網(wǎng)負(fù)荷的不斷增加，同時(shí)受設(shè)備質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境的影響，隔離開關(guān)在運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)觸頭發(fā)熱現(xiàn)象[5]，加速接觸部位的氧化和侵蝕[6-7]，甚至導(dǎo)致觸頭燒毀，嚴(yán)重威脅到電力設(shè)備安全和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為提高隔離開關(guān)的使用壽命，其表面一般采用鍍銀工藝[7]。但在實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，作為第一層防線的鍍銀層存在過早機(jī)械磨損、腐蝕剝落等問題，導(dǎo)致接觸電阻增大，發(fā)熱問題突出。溫度升高使得觸頭氧化、腐蝕問題加劇，形成惡性循環(huán)[8]。蒙西地區(qū)工業(yè)園區(qū)分布著較多的煤化工、裝備制造和建材等產(chǎn)業(yè)，靠近工業(yè)園區(qū)的變電站隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱問題尤其突出。本文針對(duì)蒙西地區(qū)工業(yè)園區(qū)附近隔離開關(guān)發(fā)熱問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)建議。

1 隔離開關(guān)存在的問題

蒙西地區(qū)變電站多建于城郊、曠野等地，處于多風(fēng)沙環(huán)境，長期運(yùn)行使得導(dǎo)電部分銹蝕嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱。高壓隔離開關(guān)檢修通常安排在每年春查、秋查及大負(fù)荷到來前[9]。大修中發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)觸頭、觸指等部件氧化、老化、銹蝕嚴(yán)重[10-11]，對(duì)隔離開關(guān)觸頭、觸指進(jìn)行清洗、更換后情況雖有所改善，但也僅能維持運(yùn)行2～3年，上述問題又會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。以靠近工業(yè)園區(qū)的某變電站為例，受園區(qū)內(nèi)硅鐵冶煉廠排放物（含有SO2氣體和含Cl-粉塵）的影響，隔離開關(guān)腐蝕嚴(yán)重，發(fā)熱率高于非工業(yè)園區(qū)附近變電站隔離開關(guān)，使用壽命低。圖1為蒙西地區(qū)某工業(yè)園區(qū)附近隔離開關(guān)表面銹蝕及紅外測(cè)溫結(jié)果。

從該供電局故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知，隔離開關(guān)過熱故障占該局所有過熱設(shè)備故障的60%左右[12]。對(duì)該供電局隔離開關(guān)觸指更換、檢修原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，其中80%以上隔離開關(guān)觸指表面鍍銀層脫落，更換下的舊觸指也因無法修復(fù)成為報(bào)廢品，其次為大氣腐蝕和觸頭形變，表1為2017—2019年該供電局隔離開關(guān)觸指更換數(shù)量統(tǒng)計(jì)。進(jìn)一步分析觸頭更換原因，其中表面鍍層脫落占比81%，觸頭直接發(fā)熱占比14%，觸頭形變占比5%。

圖1 蒙西地區(qū)某變電站隔離開關(guān)表面腐蝕與發(fā)熱檢測(cè)情況

表1 2017—2019年蒙西地區(qū)某供電局隔離開關(guān)觸指更換數(shù)量統(tǒng)計(jì) 組

2 發(fā)熱原因分析

根據(jù)焦耳定律可知，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體的電阻、通電時(shí)間及電流的二次方成正比[13]。一般來說，如果隔離開關(guān)設(shè)備的電流高于額定電流的70%，就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電回路過熱[14]，因此使用過程中需嚴(yán)格控制實(shí)際電流大小。在高壓隔離開關(guān)接觸面接觸電阻嚴(yán)重超標(biāo)的情況下，接觸面產(chǎn)生的熱能將會(huì)成倍增長，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致隔離開關(guān)接觸部位過熱，引起導(dǎo)電接觸面的塑性變形，接頭部分的接觸電阻增大，最終導(dǎo)致接頭燒毀。

2.1 隔離開關(guān)材質(zhì)原因

傳統(tǒng)的隔離開關(guān)普遍使用T2紫銅作為基體材料，并在表面進(jìn)行鍍銀處理，雖然紫銅具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和一定的耐腐蝕性能，但紫銅在強(qiáng)度、剛度等方面存在先天性不足，導(dǎo)致隔離開關(guān)觸頭在使用過程中存在安全隱患。在大氣工作環(huán)境中，純銅易發(fā)生表面氧化、銹蝕等問題，表面生成堿式碳酸銅，俗稱“銅綠”。堿式碳酸銅在空氣中受熱易分解，最終以Cu2O或CuO兩種氧化物形式存在，其氧化物組織疏松多孔，不具有自保護(hù)性，抗氧化能力較弱，銅基體會(huì)繼續(xù)發(fā)生氧化。一般認(rèn)為銅在大氣中氧化時(shí)，氧離子及銅離子的擴(kuò)散比較慢，因?yàn)檠醯膬?nèi)擴(kuò)散非常緩慢，所以銅的氧化主要以銅離子的外擴(kuò)散為主，從而促進(jìn)Cu2O的繼續(xù)生長，在合金/氧化物界面的氧氣會(huì)使純銅氧化生成單一的Cu2O層。

表面鍍銀處理常用來增強(qiáng)導(dǎo)電性及抵抗腐蝕、氧化，但普通電鍍工藝鍍銀層與銅基體結(jié)合不牢固。此外，純銀的硬度不高，易磨損消耗，且工業(yè)大氣中的H2S極易與銀發(fā)生反應(yīng)，生成不導(dǎo)電的Ag2S。鍍銀層的破損和反應(yīng)均會(huì)使導(dǎo)電表面的接觸電阻增大，從而導(dǎo)致產(chǎn)生熱量增加。

2.2 環(huán)境原因

高壓隔離開關(guān)直接暴露在大氣環(huán)境中，氣象因素和大氣污染物是影響隔離開關(guān)腐蝕的因素之一。氣象因素包括溫度、相對(duì)濕度和光照等，大氣污染物包括SO2、Cl-、CO2、NH3、H2S、NOx和有機(jī)物塵埃等，其中SO2和Cl-是影響金屬大氣腐蝕的主要成分。圖2是蒙西地區(qū)某工業(yè)園區(qū)附近的隔離開關(guān)表面銹蝕及腐蝕檢測(cè)結(jié)果，由EDS圖可看出，隔離開關(guān)表面銹蝕層存在大量Cl-。隔離開關(guān)長時(shí)間處于分閘位置，受外界環(huán)境及粉塵污染的影響，動(dòng)靜觸頭積污嚴(yán)重且表面形成一層氧化膜，在轉(zhuǎn)換為合閘狀態(tài)時(shí)，容易出現(xiàn)接觸不良、發(fā)熱現(xiàn)象。通過EDS和XRD檢測(cè)，對(duì)觸頭表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氧化層中含有Cl-，說明開關(guān)表面存在明顯的化學(xué)腐蝕及Cl-點(diǎn)蝕，而成分中未檢測(cè)到銀離子，表明鍍銀層已磨損脫落。

圖2 蒙西地區(qū)某工業(yè)園區(qū)附近的隔離開關(guān)表面銹蝕檢測(cè)結(jié)果

2.3 隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)原因

蒙西地區(qū)普遍采用GW型隔離開關(guān)，該型號(hào)隔離開關(guān)采用彈簧結(jié)構(gòu)，利用彈簧的伸縮施加夾緊力，導(dǎo)電方式為線接觸。彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖增加了觸頭、觸指間的夾緊力，但也存在嚴(yán)重的分流作用。高壓隔離開關(guān)長時(shí)間閉合，彈簧結(jié)構(gòu)一直處于壓縮狀態(tài)，長期運(yùn)行造成彈簧疲勞。由于受外界環(huán)境的影響，彈簧銹蝕、腐蝕嚴(yán)重，彈性變差，夾緊力不足，接觸壓力降低。另外，隔離開關(guān)刀口發(fā)熱以及觸指彈簧導(dǎo)流，均會(huì)造成彈簧剛性退火，影響彈性，最終導(dǎo)致觸頭接觸電阻增大。當(dāng)發(fā)熱問題產(chǎn)生時(shí)，會(huì)造成彈簧性能下降，觸頭、觸指間的壓力減小，接觸電阻增大，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)熱問題，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致隔離開關(guān)出現(xiàn)過熱甚至燒毀。

2.4 其他原因

DL/T 486—2010《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》規(guī)定了開關(guān)設(shè)備導(dǎo)電回路上主觸頭鍍銀層厚度不小于20μm，鍍銀層硬度不低于120（HV）[15-16]。目前國內(nèi)GW型隔離開關(guān)供貨商較多，部分廠家為節(jié)約成本，鍍銀層厚度和質(zhì)量等方面得不到保證，如采用鍍錫替代鍍銀；鍍銀層非純銀，雜質(zhì)成分較高；鍍銀層依附力或硬度不夠，易脫落磨損。若隔離開關(guān)觸頭、觸指及導(dǎo)電桿表面鍍銀層厚度不夠、硬度低或附著力差，操作過程中隔離開關(guān)的開合動(dòng)作等都會(huì)造成鍍銀層磨損或脫落，出現(xiàn)露銅現(xiàn)象，失去鍍層的保護(hù)作用，加速了電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，同時(shí)致使導(dǎo)電率降低，接觸電阻增大，出現(xiàn)發(fā)熱問題。

除表面鍍銀層質(zhì)量原因外，安裝和維護(hù)不當(dāng)也會(huì)縮短隔離開關(guān)使用壽命，主要表現(xiàn)為觸頭安裝調(diào)整不當(dāng)、固定接觸部位安裝不到位、運(yùn)行維護(hù)操作不當(dāng)、隔離開關(guān)長時(shí)間不動(dòng)作、導(dǎo)電油脂涂敷不當(dāng)?shù)取?/p>

3 控制隔離開關(guān)發(fā)熱問題的建議措施

3.1 觸頭材質(zhì)改進(jìn)

大量研究表明，銅合金具有優(yōu)異的綜合性能，在銅中添加0.4%～1.1%鉻元素制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻合金，其導(dǎo)電率能維持在80%～85%IACS，抗拉強(qiáng)度達(dá)450 MPa以上，且耐蝕性能隨著鉻元素含量的增加而增強(qiáng)。目前在銅中添加各種微量元素已成為制備高強(qiáng)高導(dǎo)等綜合性能優(yōu)異銅合金的重要研究方向。國內(nèi)外在制備高性能銅合金方面，主要添加Cr、Zr、Ag、Ni、Si、Co、Ti、Fe、P和稀土等元素，強(qiáng)化方式多為析出彌散強(qiáng)化，既能保證導(dǎo)電率，又能提高其力學(xué)性能和耐蝕性能。

3.2 表面鍍層改進(jìn)

鍍層方面建議采取以下兩方面改進(jìn)：一是采用鍍硬銀的方式，在鍍層中加入難熔的硬質(zhì)顆粒物，如碳化鎢、二硫化鉬等硬質(zhì)顆粒，形成釘扎作用，提高鍍銀層的耐磨性。相關(guān)研究表明，鍍硬銀可以將開關(guān)使用壽命提高2～3倍[18]；二是制備銀石墨烯復(fù)合鍍層，石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨和耐蝕性能[17]，在銅基體表面制備銀石墨烯復(fù)合鍍層，能夠顯著提高其耐蝕性[19-21]。

3.3 觸頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

可以兩方面進(jìn)行改進(jìn)：一是改變?cè)瓉砭€接觸的導(dǎo)電方式，將點(diǎn)接觸或線接觸改為面接觸，增大接觸面積；二是增大觸頭、觸指間壓力，增大觸指厚度或改進(jìn)觸指回彈裝置，觸指回彈裝置與觸指之間采用絕緣材料隔開，防止電流分流。

3.4 質(zhì)量管控及日常維護(hù)

（1）在高壓隔離開關(guān)采購方面，選取具有相關(guān)資質(zhì)的企業(yè)，嚴(yán)格把控設(shè)備出廠關(guān)，確保設(shè)備質(zhì)量合格，檢查鍍層厚度和質(zhì)量是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試溫升回路電阻是否達(dá)標(biāo)。

（2）確?，F(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量，減小安裝位置誤差，做到開關(guān)觸頭處于正常接觸位置、插入深度足夠、觸指接觸可靠、隔離開關(guān)合閘到位等。安裝過程中，避免觸頭鍍層表面損傷等人為缺陷的發(fā)生。運(yùn)行過程中，建立規(guī)范的巡檢制度，加強(qiáng)巡視和紅外測(cè)溫，做好日常維護(hù)和大負(fù)荷前的檢查等工作。

（3）針對(duì)園區(qū)內(nèi)或園區(qū)附近的隔離開關(guān)表面腐蝕問題，需要通過表面鍍銀層處理和開發(fā)耐腐蝕性銅基體解決；針對(duì)大氣中粉塵和水蒸氣等其他組分造成的問題，需要通過密封防護(hù)和開關(guān)的維護(hù)保養(yǎng)等手段來解決。

4 結(jié)語

對(duì)于蒙西地區(qū)工業(yè)園區(qū)附近變電站隔離開關(guān)發(fā)熱問題，僅采取加強(qiáng)監(jiān)管、重復(fù)鍍銀及更換觸頭的措施并不能從根本上解決問題，需結(jié)合隔離開關(guān)具體工作狀況分析其發(fā)熱的根本原因。本文從開關(guān)質(zhì)量、環(huán)境因素等方面對(duì)蒙西地區(qū)工業(yè)園區(qū)附近的隔離開關(guān)發(fā)熱問題進(jìn)行了分析，認(rèn)為鍍銀層脫落后大氣腐蝕導(dǎo)致接觸電阻增大，是造成隔離開關(guān)發(fā)熱的主要原因，觸頭結(jié)構(gòu)是造成隔離開關(guān)發(fā)熱的重要原因。建議采用耐腐蝕的銅合金觸頭材質(zhì)，表面進(jìn)行鍍層導(dǎo)熱、抗磨和耐蝕性強(qiáng)化，同時(shí)增大觸頭接觸面積、維持穩(wěn)定的壓力及限制電流分流，以有效解決工業(yè)園區(qū)附近隔離開關(guān)發(fā)熱問題。