户外高压隔离开关触头材料的腐蚀与防护分析

郑克勤,吕旺燕，聂铭，王贻波，刘仲武

(1.华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510641；2.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

随着经济的快速发展，对电力的需求也日益增大。在“十三五”期间[1]，着力解决能源供应、生态环境和电网安全问题的同时，超高压、特高压线路以及智能电网的建设也全面展开，户外高压隔离开关作为变电站中使用量最大的高压开关设备，对其可靠性要求也越来越高。

隔离开关的主要用途是保证设备中检修部分与带电体隔离，还可以进行电路的切换或者拉合空载电路。隔离开关结构原理简单，但由于其使用环境的多变性导致其在长期带电工作中暴露出各种缺陷[2-4]。在2009至2013年的5年间，根据《广东电网110 kV～500 kV隔离开关质量分析报告(2009—2013)》故障统计显示，隔离开关设备共发生事故3起，出现紧急、重大缺陷791起。近5年设备缺陷率变化趋势如图1所示。2009年和2012年的缺陷率较高，而2010、2011和2013年基本持平，这说明缺陷率周期性反复上升。以如图2所示的2013年缺陷分布为例，出现紧急、重大缺陷97起，缺陷主要包括：过热、拒动和机械损坏缺陷。而过热缺陷次数最多，达40次，占整个缺陷的41.2%；拒动缺陷次之，共有16次，占16.5%；机械损坏缺陷有12次，占12.4%。缺陷的出现严重威胁到电网的长久稳定运行，甚至生命安全。

图1 近5年缺陷率变化趋势Fig.1 Variation trend of defect rate in recent five years

图2 隔离开关紧急(重大)缺陷类型分布Fig.2 Distribution of emergency (major) defect types of disconnector

户外高压隔离开关的典型故障主要包括两大类。第一类是机械故障，包括绝缘子断裂、机构传动部分卡滞、转动轴锈死、熔断丝熔断和接触不良等；第二类是触头材料本身失效导致的热缺陷[2-4]。触头材料主要是由紫铜以及表面的镀银层组成，镀层的作用是为了防止基体铜过氧化，且可以提高触头接触部位电流导通能力，而镀银层硬度较低，容易在触头使用的过程中磨损甚至剥落导致露铜，使得基体铜作为阳极迅速腐蚀，导致热缺陷的产生。其实机械故障本身也有很多缺陷是由于结构材料腐蚀而导致的，比如接触不良、轴距断裂和合闸不到位等问题。因此，对隔离开关由于腐蚀导致的故障进行分析并研究其因果关系，对电网的安全稳定运行有着重要的意义。

本文着重阐述刀闸触头材料的腐蚀以及其现有的相关防护措施，综述隔离开关触头腐蚀失效行为的原因，并提出相关建议；同时总结了现有的有关户外隔离开关的维护措施，并对其检修与监控手段提出部分建议。

1 影响隔离开关的腐蚀因素

1.1 气候

随着四季的变化，人与物都在接受着春夏秋冬的洗礼，经受着绵绵细雨、酷热难耐、秋高气爽、寒冷刺骨等气候的考验；同时气候根据地域又可以人为划分为热带雨林气候、地中海气候、山地气候等12种气候。对长期使用于户外条件下的隔离开关而言，不同地域、不同季节引起的气候变化对其产生的腐蚀是必须要考量的一个因素。

一般气候因素有温度、相对湿度、光照和潮湿等因素。邓飞凤等[5]的研究发现，相对湿度的增加有助于在金属表面形成液膜，在相对湿度大于临界相对湿度形成液膜时，腐蚀速率大大增加，使金属从化学腐蚀转为电化学腐蚀。曹君飞等[6]在温度湿度对碳钢土壤腐蚀的研究中发现：相对湿度的增加直接加剧腐蚀的发生以及腐蚀速度；同时相对湿度的含量也影响腐蚀形貌，在湿度较低时发生的是坑点腐蚀，而在40%含水体系中发生的是均匀腐蚀。Samie等[7]研究了硝酸存在时温度、相对湿度等因素对Cu腐蚀的影响，结果表明在相对湿度一定的情况下，温度的升高导致腐蚀增量有小幅的下降，主要是因为温度的升高使Cu表面的薄液膜厚度减小，从而生成的CuO含量减小。许凤玲等人[8]研究了在模拟海洋大气环境下光照对高强度低合金钢的影响，电化学测试表明光照使得样品阻抗值降低，加速了电子传递过程，从而使得腐蚀速率加快。

1.2 大气污染物

1.3 电流电场

除了大气因素外，使用条件的不同也会使得触头材料的腐蚀状态发生变化。触头作为开关设备的主要部件，其功能就是导通与断开电路，所以作为长年在带电的情况下使用的刀闸触头材料，有着不一样的腐蚀过程。Tang等人[21]利用自制的实验电路，在质量浓度为4 g/L的硫酸钠模拟土壤溶液中对Q235钢钢材施加交流电，研究交流电对腐蚀速率以及阴极保护电位的影响时发现：当交流电流密度小于300 A/m2时，增大阴极保护电流可以控制交流引起的腐蚀；当阴极保护电流过大时，会加速Q235钢的腐蚀。任超等[22]利用极化曲线和电化学阻抗的方法对X70钢在不同直流通电时间的腐蚀行为进行了分析并发现：通电时间越长，腐蚀速率总体越大，且腐蚀程度不断深入。李爽等人[23]通过搭建仿真平台，把20号碳钢放置在质量浓度为0.5 g/L的氯化钠溶液中，分析不同电流对腐蚀速率的影响，研究表明：电流密度越大，腐蚀速率越快，随着电流密度增大达到一定值时，腐蚀速率趋于恒定。该研究结果与本项目最近实验结果有相似之处，实验是通过对材料施加直流电源并放入加速腐蚀试验箱，来模拟材料在不同的腐蚀介质中的腐蚀过程，分析其中的腐蚀动力学以及腐蚀热力学原理，并得出电流与腐蚀的关系。实验部分装置及结果如图3和图4所示。图4表明：当施加5 A的电流时，材料的腐蚀速率会明显增加，在腐蚀时间为48 h时，就会出现绿色产物，而不施加电流时出现绿色产物的时间为168 h。相关研究表明，电流作为后处理能使得材料内应力得到消除，龙昕等人[24]通过对H62冷轧钢材进行高密度单脉冲电流处理后，有效地消除样品的内应力，减少样品的内部缺陷，降低表面的吸附几率，从而减缓材料的应力腐蚀速率。因此电流对刀闸触头的腐蚀行为尚未明确，特别是在高压或者大电流的情况下，腐蚀行为难于预测。

图3 研究电流影响腐蚀行为的实验装置实物图Fig.3 Experimental device for studying current effect on corrosion behavior

图4 加载电流对宏观腐蚀形貌的影响Fig.4 Effect of electric current on macroscopic corrosion morphology

刀闸触头附近难免有大大小小的电场，而电场对材料腐蚀的影响也有相关人员进行了研究。Huang等人[25]通过自制的装置，研究了在薄液膜下直流电场对铜的腐蚀行为，并得出随着电场强度的增大，Cu的阴极电流密度下降，即电场的存在减缓了Cu的腐蚀行为，且腐蚀薄液膜中的氯离子在电场的作用下，作定向移动。原徐杰等[26]采用薄液膜装置，研究了外加直流电场作用下电场对腐蚀行为的影响，并发现：外电场使得锌电极腐蚀电位负移，同时使得锌电极在阴极电极极化的条件下增加了其阴极电流密度，即电场的存在加速了锌电极的腐蚀。Hu等人[27]研究腐蚀性硫介质对铜在电场下的作用时发现，电场可以加速腐蚀程度，导致腐蚀沉积物的增加。孙伟等[28]研究发现，在含有大量离子的生物溶液中，静电场对溶液的相变过程不产生影响，而交变电场影响显著。

1.4 其他因素

触头材料通过弹簧等机械装置闭合，使得电流流通，而触头在较大的非线性压力下使用。对于应力对材料的腐蚀行为的影响，何建平等[29]的研究发现，在恒应变速率作用下，铝合金自腐蚀电位有明显的负移趋势，且应变速率愈大，负移速率愈快。饶思贤等[30]对航空结构材料进行了拉伸试验并同时进行电化学测试时发现：在弹性加载阶段，自腐蚀电位和阳极极化曲线都向负方向移动;且当原腐蚀速度越慢时，荷载加速腐蚀作用越明显，相反则越不明显。

高压隔离开关的腐蚀因素更离不开它的材料本身。金属在大气环境中，腐蚀普遍存在，从本质上说，就是金属表面在电解质薄膜作用下的电化学腐蚀的过程[31-33]。高压隔离开关早期触头材料大多为纯铜或铝材质，这是因其良好的导电率且价格较为低廉而决定的。但是铜及铝还不是最优良的导电材料，为了减小接触电阻，国内外的开关触头部分都会镀上一层银，防止触头的氧化和提高其导电性[34]。镀层需要具有一定的硬度和耐磨性，因为刀闸在合闸过程中会经过强烈的摩擦，不合格的镀层很容易会脱落而导致露铜。而银仅作为阴极镀层，当与基体构成腐蚀微电池时，其只能对基体金属起机械保护作用。当出现露铜后，铜将加速腐蚀，从而加快触头材料的失效过程。

2 隔离开关触头的改进与相关防护手段

国家标准规定开关设备导电回路上主触头镀银层厚度应不小于20 μm，且硬度不小于120 HV。随着使用时间的增加，镀银层总是过快地磨耗，甚至剥落。许雪霞等[35]通过随机抽取某供电公司5个高压隔离开关触头样品对其进行成分分析、厚度测定、硬度测定等，结果发现只有一个样品的镀银质量符合国家电网有限公司相关规范要求。下文综述了镀银技术的一些发展与进步，针对刀闸触头材料的不足给出了相关改进的方向，同时对隔离开关使用过程中的维护、检修与监控提供参考。

2.1 镀银工艺改良

镀银工艺可以在镀液配方、施镀条件方面进行优化。1840年英国人Elkington兄弟获得氰化银专利并创办电镀工厂，标志着电镀工业的发端。此后的170多年的时间里，在科研人员的不断努力下，电镀行业的工艺、技术、设备等都在不断地得到创新[36-38]和进步，对镀银工艺预处理、添加剂、电镀方式等方面的优化使银镀层的性能得到了很大的提高。邱媛等[39]对镀银预处理浸镀液的硝酸银、硫脲溶液、pH值等工艺参数进行优化，得到了更好的银镀层，在300 ℃保温1 h除氢处理条件下，镀层无起皮、脱落及起泡现象。单颖会[40]在基础镀液的基础上加入质量浓度为0.2 g/L的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，通过扫描电镜进行观察比较发现，相对于基础镀液镀层，添加了AES的镀液所得镀层的表面晶粒尺寸明显减小，而且由于小晶粒的存在填补了大晶粒的空隙，有效提高了镀层的耐腐蚀能力。赵永岗等[41]选取脉冲电源并对平均电流密度、脉冲频率、脉冲工作比、是否启用负向脉冲等条件进行选取，得到了硬度、耐磨性、抗腐蚀变色能力均较优的镀层，与直流电源镀层相比明显在多方面的性能上都得到了提高，同时在实际应用中镀层无脱落和起皮现象。

氰化镀银体系在实际应用中虽然有着很大的优势(镀液稳定、镀层质量好、工艺简单等[42])，但是氰化物作为一种剧毒产物，后期对电镀废液的回收以及处理将对环境造成很大的伤害。国家经贸委2002年第32号令规定淘汰含氰电镀，2005年第40号令又规定2006年底前淘汰“氰化镀银体系”。相对于氰化镀银，无氰镀银的发展历史只有短短的几十年[43]，但是经过科研人员的不懈努力，现在已经出现了更多用于电镀的表面活性剂和添加剂中间体，同时精细化工的发展也产生了更多优良的络合剂[44-45]，而且电镀电源技术的发展和其他辅助设备技术的进步都为无氰镀银工艺取得新的突破创造了机会[46-47]。毕晨等[48]通过对丁二酰亚胺无氰镀银工艺镀液配方、温度、pH值、电流密度等方面进行优化，得到了一种结合力良好、抗变色能力优于氰化镀银的镀层。刘安敏等[49]研发了一种采用二甲基乙内酰脲为主配位剂的复合配位剂无氰电镀银体系，在适宜的电镀条件下得到外观平整光亮、结晶均匀细致同时与基体结合良好的银镀层，且抗色变性能优于氰化银镀层。无氰化镀银的发展不仅可以为电镀行业的进步提供指导，同时也坚实地贯彻了环保理念[50]。

2.2 银基复合镀层的应用

为了应对前面提到的镀银层在应用过程中的硬度、耐磨性等问题，科研人员通过往镀银液中加入第二相粒子进行复合电沉积，加强了镀层的耐蚀性、耐磨性。

石墨是一种结晶形碳，化学性质稳定，具有良好的耐高温、润滑、导热、导电性等优点，广泛应用于金属复合镀层中[51-53]，为铜基体的银基复合镀提供了一个良好的方向。LÜ等人[54]采用复合电镀工艺在铜基材料上进行了银-石墨的复合镀层的研究，并对镀层进行了一系列机械实验以及电化学实验，结果表明银-石墨镀层与Cu、银镀层相比具有较好的耐蚀性能且有最低的摩擦系数。赵生光等[55]利用电沉积法在铜基体上分别制备了纯银镀层和银石墨复合镀层，并通过磨耗机对镀层进行磨损实验，结果表明在相同润滑脂的情况下，银石墨复合镀层具有更好的减磨抗磨性能，与铜基体相比摩擦系数最高可减小51.1%，磨痕宽度最高可降低53.1%。牟童等[56]在丁二酰亚胺无氰电刷镀过程中添加纳米级石墨颗粒，得到了致密的银-石墨复合镀层，有效提高了镀层的硬度、致密性、抗变色能力等性能。德国西门子公司很早以前就对触头、触指接触材料进行银-石墨镀层研究，并在后期投入正式生产应用。涂满钰等人[57]在氰化镀银体系下制备了银/纳米金刚石复合镀层，镀层的耐磨性得到了大大的提高，而在硫酸钠溶液中的耐蚀性也比镀银层要更好。刘建平等人[58]在氰化镀银体系下，通过往复合镀银液中添加活性剂、SnO2和In2O3，制备了具有较低硬度以及优异导电性的复合镀层。苏永堂等人[59]利用脉冲电镀的方式，在无氰镀银配方中加入纳米级TiO2，并在磁场的作用下制备了Ag/TiO2复合镀层，镀层的耐蚀性及硬度均有一定的提高。

近年来，石墨烯开始被众人所熟识，相较与石墨，它比石墨有更高的硬度、更好的导电性能，同时石墨烯的厚度可以达到几个纳米以下，是已知的最薄的材料[60-61]。相关研究还表明，石墨烯具有优异的疏水性[62]，在一定程度上使得电化学腐蚀介质与基体材料隔开，有一定的钝化作用，使耐蚀性得到提高。Kumar等人[63]从碳钢上沉积的镍-石墨烯复合镀层中发现，镀层中加入石墨烯后，Ni晶粒得到了明显的细化，这是由于石墨烯在沉积过程中有效地提高了镍金属的形核率，且石墨烯在沉积过程中会填充镀层缺陷，阻碍腐蚀的进行。YAN等人[64]将石墨烯引入了镀银层，并获得了相对于银-石墨镀层的更好的机械性能及耐磨性能的镀层，从图5中的显微硬度对比中发现，在镀银层中加入不同的第二相粒子，对于硬度值会引起不同的改变。当添加石墨烯时，其复合镀层硬度得到了提高。对于磨痕宽度测试，如图6，石墨的加入也能有效地降低其磨痕宽度值，这得益于固体润滑剂石墨的减磨作用，改变了摩擦副与镀层之间的摩擦属性。张弘弘等[65]在质量浓度分别为0.2 g/L表面活性剂和9.0 g/L的石墨烯、搅拌速度为160 r/min的硫代硫酸盐体系下，以0.6 A/m2电流密度施镀得到的银-石墨烯复合镀层摩擦系数降低了80%,磨损量降低了89%。TANG等人[66]用循环伏安点解法制备了石墨烯-聚苯胺复合镀层，该镀层为交替层状的graphene-PANI薄膜组成，具有优异的电化学性能。Stankovich等人[67]也是利用电化学还原法制备了聚苯乙烯-石墨烯复合材料，得到复合材料的电导约为0.1 S/m，满足许多电气应用。相关研究发现，石墨烯能够有效阻挡Cl-的腐蚀，Raman等人[68]通过化学气相沉积法在纯铜片表面制备了石墨烯薄膜，置于NaCl溶液中测试其电化学性能，发现镀膜后的样品的极化电流密度和腐蚀电位均低于未处理样品1～2个数量级。

图5 铜镀层、银镀层、银石墨镀层和银石墨烯镀层的显微硬度Fig.5 Micro-hardness of Cu, Ag coating, Ag-graphite coating, and Ag-graphene coating

图6 铜镀层、银涂镀、银-石墨复合镀层和银-石墨烯复合镀层的磨损宽度Fig.6 Wear width of Cu, Ag coating, Ag-graphite composite coating, and Ag-graphene composite coating

2.3 监控与检修手段

高压隔离开关作为维持电网稳定运行的重要保障设施之一,日常维护与检修是电网工作者需要注意的一个方面。日常高压电路巡视过程中对高压隔离开关进行监控，对于事故易发、频发的线路段可适当加强巡视强度，并将巡视情况汇总成表，对后期检修有很大帮助[69-70];同时对基层电网工作人员可加强相关技能的培训，在了解相关金属材料的基础知识下正确操作高压隔离开关的合闸、开闸，保障操作人员的人身安全，有效减少错误操作对高压隔离开关的损害[71-72]。

腐蚀产物的生成会导致开关的接触电阻增大，从而产生过热现象的发生。在日常的检修过程中可对刀闸接触面进行打磨操作，将腐蚀层、氧化层打磨除去，然后涂抹导电膏、润滑剂等可减小接触电阻。喻华玉等[73]运用一种新型磨光机可以实现带电情况下进行打磨操作，在停电情况下对刀闸触头进行打磨操作使接触电阻从145 μΩ减小到35 μΩ。对带电情况下高温刀闸进行打磨处理使温度下降到30 ℃左右并保持稳定。打磨操作对腐蚀层的去除有很大的优势，但是很有可能对银镀层造成损伤。国内已有相关的科研人员进行这方面的研究，费敬银等[74]在基于铜基体的情况下研究电刷镀工艺，对镀银层进行加热、磨削、弯曲等结合力测试，结果表明镀银层与铜基体有良好的结合力。曹春博等[75]通过清洁、修整、电净、活化、刷镀工作镀层等工艺手段对现场银层脱落的触指进行刷镀，成功修复银镀层，修复后的银镀层厚度、维氏硬度等指标也达到了厚度不小于20 μm、硬度不小于120 HV的技术指标要求，表1为部分样品实验结果。

鉴于高压隔离开关在高压线路正常运行中的重要支撑作用以及人工检测监视的局限性，开发一套在线监测平台对维护整个高压线路正常运用有重大意义[76-78]。针对高压隔离开关接触电阻过大会导致过热现象的产生，现有的监测手段主要是从温度入手。李中祥等[79]在红外测温的基础上，设计开发了配套的温度监测硬件电路、温度监测软件以及基于局域网络的温度在线监测系统，在实际应用中可以有效测量温度。李玉柱等人[80]运用一种环境补偿办法有效减少了红外测温过程中环境因素的干扰，使测温误差保持在±1.5 ℃内。陈强等[81]运用多点式光纤光栅技术在建立三维仿真模型模拟情况下，利用人工神经网络算法，解决光纤光栅传感器无法直接测量导体温度的问题。

表1 新工艺现场刷镀触指镀银层性能检测结果Tab.1 Performance test results of silver coating on brush-plated touch fingers in new technology field[75]

3 结束语

高压隔离开关是变电站中使用量最大的高压开关设备，详尽地分析高压隔离开关刀闸触头材料的腐蚀因素、全面地了解和掌握电镀以及快速发展的复合材料制造技术可为今后触头材料的开发和防护提供强有力的理论支撑；同时必须重视高压隔离开关应用过程中的防护与监控检测，牢牢把握巡逻机器人、在线监测等手段并运用得当，从而保证电网的安全运行。