文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.080
0 引言
隔離開關是在分閘位置時觸頭間有符合規定要求的絕緣距離和明顯的斷開標志，并且在合閘位置時能承載正常回路條件下的電流和在規定時間內異常條件(例如短路)下的電流的開關設備[1]。
隔離開關是在變電站、輸配電線路中與斷路器配合使用的一種主要設備。是保障電網持續、可靠供電的主要變電設備。現役隔離開關的觸頭彈簧片為錳鋼和不銹鋼，觸指材料為黃銅或紫銅，并在表面鍍銀。隔離開關一般在戶外運行，受到風霜雨露、鹽霧、工業廢氣形成的化合物的影響，易發生銹蝕。觸指、觸頭接觸部位在銹蝕后導致接觸電阻增大，使觸頭產生發熱現象。彈簧片的銹蝕使夾緊力衰減，導致接觸壓力減小，接觸電阻增大，產生發熱現象。觸頭發熱后接觸面氧化造成接觸電阻進一步增大, 觸頭發熱更厲害, 形成惡性循環, 嚴重時發生熔焊產生拉弧[2]。
另外，在電力系統實際運行過程中，隔離開關長期處于合閘運行狀態時，若觸指彈簧質量不佳，極易產生金屬疲勞，彈性指標下降，經過分閘后再次合閘，觸頭與觸指之間的接觸壓力將減小，導致接觸電阻增大從而使觸頭發熱；觸頭發熱則使彈簧受熱，彈性指標進一步下降，接觸電阻進一步增大。最終觸指彈簧將失去彈性，接觸電阻將更大，導致溫度急劇升高燒損觸頭。所以觸頭元件的質量直接影響到隔離開關運行安全[3]。
在實際生產中，部分隔離開關制造廠商為了降低成本，制造出的彈簧片表面的鍍鋅層厚度較薄，附著力不足，所以彈簧片在使用過程中容易銹蝕，導致觸頭夾緊力下降。銀具有優良的導電性，因而鍍銀層的厚度是保證接觸電阻達標的基本要求，直接影響高壓隔離開關觸頭的可靠性和運行壽命。觸指鍍銀層硬度較低時，在開合過程中鍍層脫落或磨薄，減少使用壽命，給生產帶來不安全因素[4]。針對這種情況，對變電站一組改進后的隔離開關觸頭進行了檢測，并與收集到的部分彈簧片和觸指檢測對比。分析表明，改進型隔離開關觸頭元件質量優異，導通性能較好，解決了隔離開關發熱問題。
1 方法分析
1.1 鍍層材料
鍍層材料采用能譜儀測試。能譜儀用來對材料微區成分元素種類與含量進行分析，配合掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡使用。
X射線光子進入檢測器后，在Si（Li）晶體內激發出一定數目的電子空穴對。產生一個空穴對的最低平均能量ε是一定的（在低溫下平均為3.8 eV），而由一個X射線光子造成的空穴對的數目為N=△E/ε，因此，入射X射線光子的能量越高，N就越大。利用加在晶體兩端的偏壓收集電子空穴對，經過前置放大器轉換成電流脈沖，電流脈沖的高度取決于N的大小。電流脈沖經過主放大器轉換成電壓脈沖進入多道脈沖高度分析器，脈沖高度分析器按高度對脈沖分類進行計數，這樣就可以描出一張X射線按能量大小分布的圖譜[5]。
1.2 鍍層厚度
鍍銀層厚度的測量方法較多，根據在測量過程中基體材料有無損壞，可分為有損檢測法與無損檢測法兩大類。其中有損檢測法有金相顯微法、電解法、化學溶解法（點滴法﹑液流法﹑稱量法）等多種，其中金相顯微法是最直觀、有效的檢測方法。
本次測試所采用方法為掃描電鏡測試。
2004年，國家電網公司生產運營部為完善高壓隔離開關的改造要求，特頒布了《關于高壓隔離開關訂貨的有關通知》，對鍍層性能提出了明確的要求，其中鍍層厚度不得低于20 μm[6]。
1.3 鍍層硬度
依據國家電網公司《高壓開關設備管理規范-交流高壓隔離開關和接地開關技術標準》對觸頭鍍層的要求，要求觸頭鍍層硬度不小于120 HV。鍍銀層的硬度采用顯微維氏硬度計依據標準GB/T4340.2-2009《金屬材料維氏硬度試驗》進行測試。
維氏硬度試驗是用一個相對面夾角為136°的正四棱錐體金鋼石以規定的試驗力F壓入試樣表面, 經保持規定時間后, 卸除試驗力, 測出壓痕表面積, 維氏硬度值是試驗力F與壓痕表面積S之比,即HV=F/S[7]。
1.4 抗拉強度
測量抗拉強度比較普遍的方法是采用萬能材料試驗機等來進行測定。材料在拉伸過程中，經過屈服階段后進入強化階段，隨著橫向截面尺寸明顯縮小，在拉斷時所承受的最大力（Fb）除以試樣原橫截面積（So）所得的應力（σ），稱為抗拉強度或者強度極限（σb），單位為N/mm2（MPa）。它表示金屬材料在拉力作用下抵抗破壞的最大能力。
2 檢測
2.1 彈簧片
觸指彈簧的功能主要有：（1）用來穩固觸指，（2）使觸指和觸頭之間有足夠的作用壓力。由于觸指彈簧具有上述兩個功能，所以彈簧性能的好壞將直接影響觸指和觸頭能否有效地接觸[8]。
隨機抽取改進型隔離開關彈簧片2件，選取搜集到普通彈簧片2件，試樣見圖1。
（1）彈簧片材質及鍍層檢測結果見表1。
（2）彈簧片材料性能對比見表2。
由表2可知，與普通65Mn彈簧鋼相比，雖然鎳鈦基合金屈服強度和抗拉強度略低，但是鎳鈦基合金的彈性應變是65Mn彈簧鋼的6~16倍，更適合作為彈簧片材料。
TiNi合金是一種典型的形狀記憶合金，具有良好的形狀記憶效應、偽彈性、耐腐蝕性及生物相容性，在航空航天、建筑和醫療等領域均得到廣泛的應用[9-10]。
記憶合金材料因其極佳的耐腐蝕性，可以在戶外惡劣環境條件下提供持續穩定的彈力，使觸頭與觸指貼合緊密，增大接觸壓力，降低接觸電阻。
2.2 觸指
觸指是隔離開關導流的關鍵元件，在實用中，若觸指表面導電鍍銀層剝落，在觸指夾緊力不變的情況下，接觸部位的接觸面積及強度都有所下降，可能影響隔離開關回路電阻，導致通流能力下降[11]。
（1）觸指鍍層材質檢測
隨機抽取改進型隔離開關2件觸指和搜集到的2件觸指試樣，試樣形貌和編號如圖2所示。其中改進1和改進2為改進型隔離開關觸指。所有樣件均為國產樣件。
對試樣沿橫截面剖開，采用掃描電子顯微鏡和能譜儀分析，檢測結果如表3所示。
由表3可知，改進型觸頭所用觸指鍍層材質為銀，導電較好，而且銀氧化后氧化物電阻較小，不易導致接觸處發熱。對比樣品表面鍍層主要成分是Sn，沒有鍍銀。
（2）觸指鍍層厚度檢測
隔離開關觸指鍍層厚度檢測結果見表4。
由表4可知，改進1和改進2號觸指鍍層厚度符合要求，其余樣品鍍層厚度不滿足國家電網公司的相關技術標準（《高壓開關設備管理規范—交流高壓隔離開關和接地開關技術標準》）要求。
（3）觸指鍍層硬度檢測
采用HV1000顯微維氏硬度計對1~5號樣品進行顯微維氏硬度測試，結果見表5。
由表5可知，所檢的改進1和改進2樣品的鍍層硬度符合國家電網公司有關技術標準要求，其余樣品由于鍍層太薄無法測到顯微維氏硬度。
3 結論
（1）普通觸指鍍層材料、厚度、硬度不符合要求，應予以技術改進；
（2）改進型觸指鍍銀層硬度和厚度均高于國家電網相關技術標準要求；
（3）改進型隔離開關記憶合金彈簧片相比普通彈簧片具有較大的彈性。
綜上，改進型觸指鍍銀層硬度和厚度均高于國家電網相關技術標準要求，隔離開關部分現役觸指鍍層材料、厚度、硬度不符合要求，應予以技術改進。
參考文獻
[1] DL/T 486—2010《高壓交流隔離開關和接地開關》[S]. 北京: 中國電力出版社, 2011.
[2] 蔣平, 李晶.高壓隔離開關觸指壓力的測試[J]. 四川電力技術, 2009, 32(6): 26-28.
[3] 夏壽鵬. 淺析隔離開關發熱原因及處理預防措施[J]. 中國新技術新產品, 2001(4): 262.
[4] 徐雪霞, 馮硯廳, 柯浩, 等. 高壓隔離開關觸頭鍍銀層質量檢測分析[J]. 河北電力技術, 2013, 32( 3): 3-5,11.
[5] 衛巍, 程國營. Ｘ射線熒光測量技術在冷軋鍍鋅處理線的應用[J]. 寶鋼技術, 2007(1): 54-57.
[6] 劉純, 謝億, 陳軍君, 等. 高壓隔離開關觸指鍍銀層現場測厚技術開發[J]. 湖南電力2010, 30(5): 14-16.
[7] 蔡麗清. 維氏硬度試驗及其主要影響因素分析[J]. 物理測試, 2008, 26(5): 21-23.
[8] 何兵, 鄧海峰. GW4/GW5型隔離開關燒壞原因分析及預防控制措施研究[J]. 電氣開關, 2012(4): 46-48.
[9] 舟久保, 熙康. 形狀記憶合金[M]. 北京: 機械工業出版社, 1992.
[10] 楊大智, 張連生, 王風庭. 形狀記憶合金[M]. 大連: 大連工學院出版社, 1988.
[11] 楊堃, 宋杲, 曹德新, 等. 隔離開關觸頭壽命的試驗研究[J]. 智能電網, 2014, 2(2): 63-66.
作者信息:
孟令文1，程 斌1，李 巖2
（1.國網陜西銅川供電公司, 陜西 銅川 727000；
2.蘇州國嘉記憶合金有限公司，江蘇 常熟 215500）