高壓隔離開關觸頭鍍銀層質(zhì)量檢測關鍵技術

錢錫穎，金坤鵬，李 楊，江 熠，金從友

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

高壓隔離開關是發(fā)電廠和送配電系統(tǒng)中重要的開關電器，其在戶外工作時會直接暴露在雨淋、雷電、沙塵和腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境中[1-2]。高壓隔離開關觸頭是隔離開關的核心構件，承擔著轉(zhuǎn)接、隔離、接通和分斷等任務，其質(zhì)量的好壞對整個電力系統(tǒng)的運行具有重要影響。目前，高壓隔離開關觸頭多采用純銅基體，為克服其易腐蝕和易磨損等缺陷，往往會對其進行表面防護處理[3]。

目前，我國各高壓隔離開關制造廠家一般采用鍍銀技術來防止觸頭氧化，提高接觸面的導電率和使用壽命。對于高壓隔離開關觸頭鍍銀層的質(zhì)量，DL/T 486—2010《高壓交流隔離開關和接地開關》、DL/T 486—2010《高壓交流隔離開關和接地開關》等標準從材質(zhì)和鍍銀層厚度方面進行了規(guī)定；在耐磨性方面，則通過鍍銀層硬度來進行考量[4]。國內(nèi)對隔離開關觸頭鍍銀的工藝主要有鍍純銀、鍍硬銀和石墨鍍銀3 種方式，鍍銀工藝的不同導致隔離開關觸頭鍍銀層在硬度方面也具有較大的差異[5]。國家電網(wǎng)有限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標準》對鍍銀層硬度提出了明確要求，規(guī)定了開關設備主觸頭鍍銀層維氏硬度應不小于120 HV。

實踐中發(fā)現(xiàn)，受制于檢測技術條件，目前對主觸頭鍍銀層硬度的測量開展較少。由于對于不同厚度的鍍層，其測量方法具有不確定性，因此采取不同的測量參數(shù)將導致測試結果的偏差，影響結果的判定[6-7]。本文開展高壓隔離開關鍍層硬度檢測方法研究，以提高鍍層硬度檢測的可靠性和精確性，為高壓隔離開關觸頭入網(wǎng)質(zhì)量檢測提供技術支持，對保障電網(wǎng)安全運行具有重要意義。

1 試驗模型構建

1.1 鍍銀層硬度檢測原理及方法

根據(jù)GB/T 4340—2009《金屬材料維氏硬度試驗》，使用顯微維氏硬度計對鍍銀層的維氏硬度進行測量[8]。維氏硬度檢測原理為采用一個相對面夾角為136°的正四棱椎體金剛石，以規(guī)定的加載力F 將其壓入試樣鍍銀層表面，如圖1 所示，經(jīng)保壓一定時間后，卸除加載力，測出壓痕表面積，計算出加載力F 與壓痕表面積S 的比值，其比值即為維氏硬度值：

式中：HV 為維氏硬度；S 為壓痕表面積；K 為常數(shù)，數(shù)值為0.102。

式中：d 為兩壓痕對角線長度d1和d2的算術平均值。

所以：

圖1 維氏硬度測量原理示意圖

其中，F(xiàn) 值的大小可根據(jù)鍍層厚度和預估硬度進行調(diào)整。根據(jù)GB/T 4340—2009 及ISO 6507—1:2018 規(guī)定，對鍍層硬度的測量，一般試驗力范圍為0.098～1.96 N，同時要確保鍍層厚度至少為壓痕對角線長度的1.5 倍。

1.2 試驗方案

本試驗采用經(jīng)過鍍銀處理的高壓隔離開關觸頭進行試驗，觸頭母材為維氏硬度117 HV 的T2銅。為更加科學地檢測當前電力市場上不同材質(zhì)、不同厚度的鍍層硬度性能，樣品鍍層分別選用維氏硬度98 HV 的純銀和146 HV 的硬銀，鍍層厚度5～30 μm。試驗前，首先對樣品制樣進行處理，當樣品表面經(jīng)顯微鏡檢查無劃痕、呈鏡面效果時，方可進行試驗；接著采用Thick 800 A型X 射線熒光測厚儀對樣品鍍銀層厚度進行測量；最后使用型號為HV1000 的顯微維氏硬度計對樣品進行硬度檢測。

2 試驗結果及討論

2.1 試驗壓力對觸頭鍍銀層硬度的影響

圖2（a）為高壓隔離開關觸頭為鍍純銀層時，在不同加載力作用下的硬度曲線。由圖2（a）可知：當鍍層材質(zhì)為純銀時，隨著加載力的不斷增加，其硬度呈上升趨勢；但當鍍層厚度不一樣時，其硬度隨加載力的變化顯示出一定的差異性（當加載力在0.098～0.245 N 階段時，其鍍層厚度為5 μm的樣品硬度增加速率高于鍍層厚度為25 μm 的樣品；而當加載力從0.245 N 上升至0.49 N 階段時，鍍層厚度為25 μm 的樣品硬度上升速率高于鍍層厚度為5 μm 的樣品；當加載力進一步增加為0.49 N 時，鍍層硬度隨加載力的增加變得緩慢，呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢）。在相同加載力條件下，鍍層厚度較薄時，鍍層硬度試驗值較大。

圖2（b）為高壓隔離開關觸頭鍍層材質(zhì)為硬銀時，不同厚度鍍層樣品鍍層硬度隨加載力的變化曲線。由圖2（b）可知：當高壓隔離開關觸頭鍍層材質(zhì)為硬銀時，其硬度變化趨勢與純銀相反，隨著加載力的不斷上升，鍍層硬度呈下降趨勢（當加載力在0.098～0.245 N 階段時，其鍍層厚度為5 μm 的樣品硬度下降速率高于鍍層厚度為25 μm 的樣品；當加載力從0.245 N 上升至0.49 N階段時，鍍層厚度為25 μm 的樣品硬度下降速率高于鍍層厚度為5 μm 的樣品；當加載力進一步增加、大于0.49 N 時，鍍層硬度的增加隨加載力的下降變得緩慢，呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢）?？傮w上，在相同加載力條件下，鍍層厚度較薄時，鍍層硬度試驗值更小，該結果與鍍層材質(zhì)為純銀時相反。

圖2 試驗參數(shù)對測試結果的影響

2.2 觸頭鍍銀層硬度測量差異性分析

由圖2 可知，鍍層硬度對鍍層類型、鍍層厚度及加載力表現(xiàn)出了強烈的依賴性。目前，采用硬度計對金屬材料硬度進行測量，其原理為采用一定力作用于材料表面，使材料發(fā)生屈服變形，根據(jù)其屈服變形的尺寸來表征材料硬度屬性[9]。

高壓隔離開關觸頭鍍銀本質(zhì)上為雙層殼體金屬結構，當鍍層為純銀時，由于其本征屬性較軟，鍍層較銅基體更易發(fā)生變形；當鍍層為硬銀時，由于其本征屬性較硬，鍍層較銅基體變形更難。當采用較小的加載力對鍍層進行加載時，其變形行為主要發(fā)生在鍍層，測試所得硬度能較好地體現(xiàn)其鍍層真實硬度，但由于其加載力過小，壓頭壓入鍍層深度較淺，鍍層變形程度較小，壓痕邊界不清晰，在對變形區(qū)測量的過程中，測量誤差較大，導致硬度值誤差較大[10]，不利于鍍層硬度的質(zhì)量管控；隨著加載力的不斷增加，鍍層變形程度加劇，但由于鍍層與基體材料本征屬性不同，導致鍍層與基體材料應力、應變不一致，產(chǎn)生“界面約束”效應[11]，當鍍層變形區(qū)域越靠近基體時，其影響越大，因此隨著加載力的不斷增加，其變形區(qū)域也逐漸增大，界面約束效應也愈顯著，此時所測顯微維氏硬度為復合硬度，不能真實表示其鍍層硬度。受“界面約束”影響，當鍍層材質(zhì)為純銀時，其顯微維氏硬度隨著加載力的增加而上升；當鍍層材質(zhì)為硬銀時，其顯微維氏硬度隨加載力的增加而下降。同時，鍍層厚度越薄，其硬度變化受界面約束影響越大[12]，具體表現(xiàn)為：當加載力由0.098 N 增加到0.245 N、鍍層厚度為5 μm 時，純銀、硬銀鍍層硬度變化率分別為8%和11%；鍍層厚度為25 μm 時，純銀、硬銀鍍層硬度變化率分別為3%和4%。隨著加載力的不斷增加，當鍍層被完全擊穿時，壓頭直接壓在基體上，這時的硬度為基體硬度，且隨著加載力的增加而趨于穩(wěn)定值，不管鍍層是純銀還是硬銀，其顯微維氏硬度在115～125 HV；此時鍍層變形區(qū)域較大，其壓痕邊界清晰，沖擊變形區(qū)尺寸測量偏差較小，因此硬度值誤差也較小[13]。

2.3 超薄鍍銀層硬度測量

由2.1 小節(jié)研究可知，高壓隔離開關觸頭鍍銀層硬度的測量受鍍層厚度影響較大：當鍍層厚度為5 μm 時，采用較小加載力極易導致測量誤差的擴大化；而采用較大加載力測量時，易受基體材料的“界面約束”作用，影響測量結果的準確性。目前，對于鍍層厚度小于10 μm 的樣品而言，其鍍層硬度的測量主要采用間接法[14-18]。本文采用JH（Jonsson-Hogmark）法對超薄鍍層硬度進行了推算：

式中：Hf為鍍層硬度；Hc為薄鍍層硬度測量值；Hs為基體材料硬度；D 為壓痕深度；t 為鍍層厚度；C 為壓痕幾何形狀與界面特征相關的常數(shù)。當薄膜比基體硬時，C=2sin211°；當鍍層比基體軟時，C=2sin222°。

結合式（3）、式（4）可得：

根據(jù)式（5）間接測量法，采用1.96 N 較大載荷對鍍層厚度為5 μm 的高壓開關鍍銀層進行硬度測量，所測鍍純銀硬度Hf為102 HV，鍍硬銀硬度Hf為141 HV。以上測試計算結果與材料本征硬度相比，其誤差分別為4.1%和3.4%。采用顯微維氏硬度計直接測量法和JH 間接測量法對鍍層厚度為5 μm 的高壓隔離開關鍍銀層硬度測量誤差進行比較，結果如表1 所示。由表1 可知，就超薄型鍍銀層硬度測量精度而言，采用不同測量方法，其測量結果具有較大差異。采用顯微維氏硬度計直接測量時，其測量誤差隨著加載力的不同而不同：當鍍層為純銀時，直接測量法的測量誤差在5.1%～9.2%，且始終大于JH 間接測量法測量誤差；但對于硬銀鍍層，當加載力為0.49 N 時，直接測量法實測誤差小于JH 間接測量法；而選擇其他加載力時，其測量誤差大于JH 間接測量法。

表1 不同測量方法測量誤差

該結果表明，采用直接測量法再選擇合適的加載力會適當降低測量誤差，但是在未知基體材料屬性的條件下，選擇合適的加載力存在一定的偶然性，不具備實際操作的可行性。對于超薄鍍銀層的硬度測量，當采用JH 間接測量法進行測量時，其測量結果誤差可控，克服了直接測量法低加載力誤差大、高加載力受基體“界面約束”效應影響的缺點，能有效提高顯微維氏硬度測量精度，極具試驗室推廣價值。

當前，基于國家電網(wǎng)有限公司對高壓隔離開關設備觸頭鍍銀層厚度分為不低于8 μm 和不低于20 μm 的要求，本文建議針對接近8 μm 厚度的鍍銀層采用間接測量法進行測量；而對于厚度接近20 μm 厚度的鍍銀層建議采用JH 直接測量法進行測量。在測試參數(shù)選擇方面，因為不同電鍍工藝對鍍層質(zhì)量影響較大，建議采用加載力從小到大的試探法進行測量，一般可選擇硬度數(shù)值發(fā)生大幅變化的前一次測量值作為鍍層硬度實測值，但不建議超過0.98 N。

3 結語

高壓隔離開關觸頭的鍍銀層質(zhì)量是影響其電接觸性和可靠性的重要因素，鍍層不合格會導致觸頭早期失效，造成電網(wǎng)運行故障。本文通過對高壓隔離開關觸頭硬度進行檢測發(fā)現(xiàn)，高壓隔離開關觸頭鍍銀層硬度檢測與其厚度、基體材質(zhì)屬性和測試加載力等參數(shù)有關。為精準測量鍍銀層硬度，應先準確測量鍍層厚度，隨后針對不同的鍍層厚度選擇合適的加載力進行檢測。而對于超薄型鍍銀層硬度的測量，JH 間接測量法較直接測量法具有更好的測量精度，可實現(xiàn)超薄鍍銀層硬度的精確測量，有助于高壓開關觸頭鍍銀層質(zhì)量的管控，提高電力物資入網(wǎng)質(zhì)量。