高壓斷路器觸頭燒蝕情況分析與研究*

朱元武，楊 俊，沈建梅

(國網(wǎng)武威供電公司，甘肅 武威 733000)

0 引 言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要的組成部件，目前，斷路器主要包括五種：三相共箱斷路器、單相斷路器、單斷口斷路器、雙斷口斷路器、四斷口斷路器。當(dāng)斷路器每次操作運(yùn)行時，由于電壓的作用，斷路器的觸頭位置都會產(chǎn)生電弧，觸頭表面材料都會被電弧多次燒蝕，而且動靜觸頭之間還會出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象[1-3]。由于斷路器觸頭每次操作運(yùn)行時，觸頭表面形狀和材料的成分、組分及性能都出現(xiàn)一定的改變，造成觸頭表面出現(xiàn)裂紋、掉渣、熔化、蒸發(fā)等情況，斷路器操作運(yùn)行到一定次數(shù)后，將會造成斷路器觸頭不能穩(wěn)定工作，使得斷路器不能穩(wěn)定的打開和閉合。

筆者針對斷路器觸頭運(yùn)行過程中，由于高溫電弧燒蝕，使其工作性能下降的問題進(jìn)行試驗(yàn)分析。采用ABB公司型號為HPL550的500 kV斷路器，進(jìn)行觸頭燒蝕實(shí)驗(yàn)，分析斷路器觸頭操作短路電流后，觸頭短路電流的燒蝕機(jī)理。當(dāng)斷路器觸頭被電弧燒蝕后，開展觸頭金相、微觀形貌和能譜的實(shí)驗(yàn)分析，獲得斷路器觸頭表面的變化趨勢。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)構(gòu)分析

采用斷路器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其具有的特點(diǎn)是[4-6]：①優(yōu)良的開斷能力，開斷能力分40、50 kA兩擋，開斷容性電流時不會重燃，開斷感性電流時無過高過電壓；②自力型觸頭的應(yīng)用，觸頭全部為自力型，觸頭間的接觸壓力來自材料自身的彈性保證了產(chǎn)品運(yùn)性的可靠性；③優(yōu)良的導(dǎo)電回路設(shè)計(jì)，滅弧室內(nèi)正常載流主觸頭與弧觸頭分離，保證了斷路器的電壽命和可靠性，壓氣缸成為導(dǎo)電回路，使滅弧室可承載4 000 A額定電流；④結(jié)構(gòu)簡單，單斷口結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，布置緊湊，安全性和可靠性進(jìn)一步提高；⑤比較長的電壽命，可連續(xù)開斷滿容量電流50 kA 20次而無需檢修；⑥便于檢修，由于其結(jié)構(gòu)簡單，其檢修就很方便。同時由于斷路器具有較長的電壽命，所以其檢修周期長。

圖1 斷路器結(jié)構(gòu)示意圖

該斷路器的滅弧室采用單壓式、變開距雙向吹弧熄弧方式，壓氣缸在操作機(jī)構(gòu)的帶動下在其內(nèi)部產(chǎn)生高壓的SF6氣體，高速流過噴口，將在動、靜弧觸頭之間產(chǎn)生的電弧熄滅，在開斷大電流時利用電流本身能量產(chǎn)生的膨脹作用實(shí)現(xiàn)熄弧效果，在開斷小電流時，直接利用壓氣效應(yīng)熄弧。

斷路器的觸頭材料為銅鎢合金CuW70/鉻銅QCr0.5，銅鎢合金具有耐高溫、抗燒蝕、高導(dǎo)熱、高電導(dǎo)率和較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，一般采用熔滲法制備：將鎢粉通過壓制及燒結(jié)成一定密度、強(qiáng)度的多孔鎢骨架，再將銅熔化，利用毛細(xì)管力作用使銅液沿鎢顆粒間隙留空并逐漸填充骨架，形成銅鎢合金。鉻銅QCr0.5能夠提供良好的彈性和導(dǎo)電性能，在正常開斷電流時，電弧產(chǎn)生的熱量由尾部的鉻銅迅速傳導(dǎo)出去以保證端部的銅鎢合金不會因溫度過高而發(fā)生熔焊而失效。

實(shí)驗(yàn)過程中，斷路器一共操作26次閉合過程，分別為16次63 kA電流、1次36 kA電流、5次50 kA電流和4次38 kA電流，模擬斷路器實(shí)際運(yùn)行過程中，經(jīng)歷的開斷電流情況，累積電流達(dá)1 446 kA。斷路器觸頭連續(xù)26次燒蝕后，性能急劇降低，難以穩(wěn)定工作。當(dāng)斷流器進(jìn)行操作過程中，觸頭材料的燒蝕情況受電弧電流和電弧持續(xù)時間的影響，通常，斷路器在閉合過程中，主觸頭的分離會產(chǎn)生一定的磨損，而斷路器在分閘過程中，主觸頭的接觸過程也會產(chǎn)生一定的磨損，這種磨損對斷路器產(chǎn)生的影響，和電弧燒蝕相比非常小。斷路器觸頭的采樣位置選取如圖2所示。

圖2 斷路器觸頭燒蝕采樣選取位置

在圖2中，6個取樣點(diǎn)位置及描述如下：銅鎢和鉻青銅交界面(位置1)；靜弧觸頭燒蝕磨損面(位置2)；靜弧觸頭燒蝕中心(位置3/4)；動弧觸頭燒蝕面(位置5)；動弧觸頭燒蝕磨損面(位置6)。以往的研究，主要針對位置4和位置5進(jìn)行，涉及銅鎢和鉻青銅交界面、銅鎢燒蝕邊界等取樣點(diǎn)(如1，2，3，6位置)的研究比較少，本文重點(diǎn)分析其它4個取樣點(diǎn)的金相、表面微觀形貌及能譜、硬度。

2 高壓斷路器實(shí)驗(yàn)分析與研究

文中為了對斷路器觸頭燒蝕情況進(jìn)行分析，按照上述取樣方式開展實(shí)驗(yàn)分析，試驗(yàn)內(nèi)容含有金相試驗(yàn)、微觀形貌及能譜分析和硬度測試四個方面，采用的儀器設(shè)備型號分別為：DMI3000M/325754的Leica金相顯微鏡、S-3400N/341007-08的掃描電子顯微鏡、EDAX Apollo X的電制冷能譜儀和WHR-60D/2009OC3095的數(shù)顯式洛氏硬度計(jì)。

2.1 觸頭表面宏觀形貌

宏觀上觸頭經(jīng)過累積燒蝕，整體被燒蝕物附著、熏黑，如圖3所示。靜弧觸頭表面整體呈龜裂狀，凹凸不平，出現(xiàn)小孔洞，圓弧狀的觸頭表面被削平。動弧觸頭也呈現(xiàn)一定的龜裂，但裂紋深度不及靜弧觸頭，主要由于觸指結(jié)構(gòu)分散了電弧燒蝕的能量，整體燒蝕程度不及靜弧觸頭嚴(yán)重。同時，觸指也出現(xiàn)了形變，在燒蝕及開合過程中磨損削圓，變薄。

圖3 斷路器觸頭燒蝕后表面宏觀形貌

2.2 金相試驗(yàn)

電觸頭的金相檢測主要檢測合金試樣內(nèi)部夾雜物、裂紋、空隙、聚集物等缺陷，由圖4可見，未經(jīng)燒蝕觸頭的界面左側(cè)為鉻銅，主要為柱狀晶，右側(cè)為銅與鎢的混合物；燒蝕后觸頭的界面左側(cè)為鉻銅，主要為等軸晶，右側(cè)為銅與鎢的混合物。觸頭金相檢測主要特征如下：鉻銅側(cè)：未經(jīng)燒蝕觸頭鉻銅的結(jié)晶方式與燒蝕后不同，柱狀晶和等軸晶都是金屬的結(jié)晶方式都是樹枝狀結(jié)晶，等軸晶是樹枝晶的常態(tài)，柱狀晶只是樹枝晶的特例，兩者的形成與澆注過程中溫度的高低有關(guān)。銅鎢側(cè)：與燒蝕后的金相相比，未經(jīng)燒蝕的觸頭銅相分布不均勻，有部分團(tuán)聚的現(xiàn)象，并帶有孔隙，該廠家銅鎢合金制備工藝有較大的分散性。

圖4 位置1斷路器觸頭金相檢測對比

由圖5可見，取樣點(diǎn)2位于銅鎢/鉻銅界面，未經(jīng)燒蝕的結(jié)合界面良好，與之相比，燒蝕后的結(jié)合界面發(fā)生了變化，可能由于在不斷燒蝕過程中由于兩側(cè)合金熱應(yīng)力不同而形成了微裂紋。與未經(jīng)燒蝕的金相組織相比，靠近燒蝕中心的取樣點(diǎn)2的表面已有燒蝕痕跡，深度大概有70 μm左右，由于銅的蒸發(fā)形成大量空洞和微裂紋。

圖5 位置2斷路器觸頭金相檢測對比

由圖6可見，與未經(jīng)燒蝕的金相組織相比，燒蝕中心的取樣點(diǎn)3的表面已產(chǎn)生明顯的裂紋，由表面向內(nèi)部擴(kuò)散，裂紋深度已接近500 μm左右，與取樣點(diǎn)2相比燒蝕程度加劇，取樣點(diǎn)2的燒蝕情況可作為取樣點(diǎn)3的前期燒蝕狀態(tài)，兩個取樣點(diǎn)的差異在于取樣點(diǎn)2的落弧少于取樣點(diǎn)3，因此取樣點(diǎn)3中形成的裂紋可看作是在取樣點(diǎn)2形成的燒蝕層存在的微裂紋擴(kuò)展形成的。裂紋形成的過程如下：在多次燃弧過程中，銅在電弧作用下熔化、蒸發(fā)，表面開始形成微裂紋，表面的鎢粒子在高溫作用下再燒結(jié)，使鎢骨架產(chǎn)生裂紋，在電弧高溫、高熱作用下，氣體壓力急劇增大，對燒蝕形成的紋形成壓縮應(yīng)力，促使裂紋向內(nèi)擴(kuò)展。同時，觸頭反復(fù)開合使得裂紋前端銅熔化、揮發(fā)及膨脹和凝固收縮過程反復(fù)進(jìn)行，同樣導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。隨著電弧燒蝕程度加劇，燒蝕中心的取樣點(diǎn)表面裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，在燒蝕中心弧根密集地方銅相蒸發(fā)損失增加，形成大量孔洞，孔洞在反復(fù)燒蝕過程中進(jìn)一步擴(kuò)展為裂紋，裂紋增加；同時表面凹凸不平加劇，一方面由于裂紋擴(kuò)展在表面形成凹坑所致，另一方面可能由于滅弧介質(zhì)在高溫下形成的脆性氧化物及碳化物局部剝落所致。

由圖7可見，燒蝕后的觸頭出現(xiàn)了由于銅蒸汽蒸發(fā)而形成的裂紋，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斷路器動弧觸頭的整體燒蝕程度不及靜弧觸頭嚴(yán)重，因?yàn)閯踊∮|頭采用觸指結(jié)構(gòu)，燃弧能量分散。與未經(jīng)燒蝕的觸頭相比，取樣點(diǎn)6表面出現(xiàn)了明顯的燒蝕層深度為70 μm左右，和其他取樣點(diǎn)相比，裂紋深度較小且均勻，這表明斷路器觸頭表面溫升較為均勻，銅蒸汽蒸發(fā)均勻，形成均勻燒蝕層。

2.3 表面微觀形貌及能譜分析

觸頭微觀形貌主要利用電子顯微鏡對觸頭表面的鼓包、裂紋、孔洞等缺陷進(jìn)行檢測，用于分析燒蝕機(jī)理。能譜分析是用來分析材料微區(qū)成分元素種類與含量。

由圖8和表1可知，鉻銅側(cè)：燒蝕前表面平整，與之相比，燒蝕后由于表面被燒蝕生成物附著，表面變得稍凹凸不平。銅鎢側(cè)：與燒蝕前的微觀形貌相比，燒蝕后表面變得坑洼不平，出現(xiàn)部分直徑大約40 μm的凹坑。從能譜分析來看，表面出現(xiàn)了F、S元素，其來源于滅弧介質(zhì)SF6在高溫下形成的固體生成物；Cu的含量高于燒蝕前的含量，這是由于在累積燒蝕過程中，Cu反復(fù)氣化在表面沉積。銅鎢/鉻銅界面：未經(jīng)燒蝕的結(jié)合界面良好，與之相比，燒蝕后的結(jié)合界面出現(xiàn)了明顯斷層裂紋。

圖6 位置3斷路器觸頭燒蝕后金相檢測 圖7 位置6斷路器觸頭燒蝕后金相檢測

圖8 位置1靜弧觸頭微觀形貌對比

表1 位置1能譜分析結(jié)果

由圖9和表2可知：與未經(jīng)燒蝕的微觀形貌相比，表面經(jīng)歷燒蝕，局部表面燒蝕層剝落，未剝離處的表面粗糙不平，未見明顯裂紋，結(jié)合能譜分析結(jié)果，該處Cu含量由于燒蝕后蒸發(fā)沉淀聚集高于燒蝕前，W含量降低是因?yàn)閃的熔點(diǎn)沸點(diǎn)均高于Cu，在同樣燒蝕情況下，蒸發(fā)量小于Cu，同時能譜中O和C含量較高，可以推斷該表面主要是燒蝕形成的脆性氧化物和碳化物，由于機(jī)械的作用，表面的脆性化合物被擊碎，發(fā)生剝落。燒蝕層剝離后，觸頭內(nèi)部凹凸不平加劇，并存在大量孔洞，W含量遠(yuǎn)高于未燒蝕和燒蝕層，Cu在電弧作用下飛濺或蒸發(fā)后產(chǎn)生微小孔洞，鎢粒子裸露在介質(zhì)中，在高溫下再燒結(jié)，表面效應(yīng)使W粒子向表面轉(zhuǎn)移，所以W含量增加。

圖9 位置2靜弧觸頭微觀形貌對比

表2 位置2能譜分析結(jié)果

由圖10可見，與未經(jīng)燒蝕的形貌相比，燒蝕中心的取樣點(diǎn)3的表面已產(chǎn)生明顯的裂紋，裂紋形成原因詳見金相分析。Cu含量增加再次說明Cu蒸汽蒸發(fā)后在表面會形成沉積。

圖10 位置3靜弧觸頭微觀形貌對比

表3 位置3能譜分析結(jié)果

由圖11和表4可見，與未經(jīng)燒蝕的微觀形貌相比，燒蝕中心的取樣點(diǎn)6的表面存在明顯的龜裂紋，由于在多次開合過程中，熔化和凝固交替出現(xiàn)，裂紋中部不斷受到壓縮-拉伸應(yīng)力的影響使裂紋擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中又產(chǎn)生新的裂紋，如此反復(fù)最終形成龜裂狀裂紋。與取樣點(diǎn)3相比，表面出現(xiàn)鼓包凹凸不平加劇，鼓包為燒蝕過程合金中Cu反復(fù)氣化沉積而形成。能譜中出現(xiàn)微量Fe，Al，主要來源于觸頭座鑄鐵材料以及少量的噴口氧化鋁填料。從能譜分析可知，燒蝕后表面出現(xiàn)氧化和碳化現(xiàn)象，Cu在表面聚集，含量增加。

圖11 位置6靜弧觸頭微觀形貌對比

表4 位置6能譜分析結(jié)果

2.4 硬度測試

用WHR-60D型數(shù)顯式洛氏硬度HRBW計(jì)對試品進(jìn)行硬度試驗(yàn)，選用B標(biāo)尺(“1/16”球壓頭，載荷1 000 N)，然后將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的布氏硬度HB，結(jié)果見表5，由表5可知，燒蝕后斷路器觸頭的硬度高于未經(jīng)燒蝕的觸頭，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與鉻銅合金在反復(fù)高溫?zé)g過程中，Cr的再結(jié)晶和晶粒生長有關(guān)，使Cr相分布比燒蝕前更為均勻。

表5 硬度試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

本次檢測選取了斷路器觸頭的4個取樣點(diǎn)，由于取樣點(diǎn)靠近落弧中心的遠(yuǎn)近位置不同，落弧概率高低不同，可以在一定程度上反映燒蝕的演變過程：

(1)當(dāng)開斷次數(shù)不多，落弧較少時，燒蝕程度較弱，弧觸頭表面形成薄燒蝕層(70 μm左右)，表面的Cu開始蒸發(fā)，但明顯裂紋還未形成，隨著開斷次數(shù)的增加，落弧增多，銅在電弧作用下繼續(xù)熔化、蒸發(fā)，表面開始形成微裂紋，表面的鎢粒子在高溫作用下再燒結(jié)，使鎢骨架產(chǎn)生裂紋，在電弧高溫、高熱作用下裂紋擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中又產(chǎn)生新的裂紋，如此反復(fù)最終形成龜裂狀裂紋。

(2)斷路器觸頭經(jīng)過電弧反復(fù)燒蝕和開合磨損，累積開斷電流達(dá)到1 446 kA之后失效，失效后弧觸頭狀態(tài)存在如下特征：①銅鎢鉻銅結(jié)合面會出現(xiàn)裂紋；②弧觸頭表面出現(xiàn)銅蒸汽蒸發(fā)形成的孔洞，孔洞在反復(fù)燒蝕后擴(kuò)展為裂紋；蒸發(fā)后的銅還會在表面沉淀聚集，形成鼓包；鎢粒子也會在表面聚集，造成鎢骨架鎢含量的損失，使鎢骨架出現(xiàn)裂紋、孔洞，與銅蒸發(fā)形成的裂紋相互交織，擴(kuò)展后期演變形成大量龜裂布滿觸頭表面；③表面燒蝕形成的脆性碳化物和氧化物，在開合機(jī)械磨損過程中出現(xiàn)部分剝離現(xiàn)象；④脆性生成物的剝離，燒蝕產(chǎn)生的大量裂紋和孔洞以及銅和鎢在表面聚集形成的鼓包，導(dǎo)致失效，觸頭表面嚴(yán)重凹凸不平；⑤靜弧觸頭比動弧觸頭燒蝕嚴(yán)重，但動弧觸頭裂紋較深，磨損較明顯。

(3)燒蝕后斷路器觸頭的硬度高于未經(jīng)燒蝕的觸頭，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與鉻銅合金在反復(fù)高溫?zé)g過程中，Cr的再結(jié)晶和晶粒生長有關(guān)，使Cr相分布比燒蝕前更為均勻。

通過本次試驗(yàn)，可以獲得高溫電弧對于斷路器運(yùn)行性能的影響，從而為斷路器性能改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。