工業園區附近高壓隔離開關觸頭發熱問題分析

楊倩倩，呂雨桐，王 耀，王 彪，徐 宇，武占軍，王 威

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.清華大學天津高端裝備研究院洛陽先進制造產業研發基地，河南 洛陽 471003；3.巴彥淖爾電業局，內蒙古 巴彥淖爾 015000）

0 引言

變電站隔離開關作為電力系統中關鍵的基礎性一次元件，承擔著隔離、轉接、接通、分斷等功能[1-3]，具有結構簡單，使用量大，工作環境惡劣的特點[4]。隨著電網負荷的不斷增加，同時受設備質量、運行環境的影響，隔離開關在運行過程中頻繁出現觸頭發熱現象[5]，加速接觸部位的氧化和侵蝕[6-7]，甚至導致觸頭燒毀，嚴重威脅到電力設備安全和電網的穩定運行。為提高隔離開關的使用壽命，其表面一般采用鍍銀工藝[7]。但在實地調研中發現，作為第一層防線的鍍銀層存在過早機械磨損、腐蝕剝落等問題，導致接觸電阻增大，發熱問題突出。溫度升高使得觸頭氧化、腐蝕問題加劇，形成惡性循環[8]。蒙西地區工業園區分布著較多的煤化工、裝備制造和建材等產業，靠近工業園區的變電站隔離開關觸頭發熱問題尤其突出。本文針對蒙西地區工業園區附近隔離開關發熱問題進行分析，并提出相應建議。

1 隔離開關存在的問題

蒙西地區變電站多建于城郊、曠野等地，處于多風沙環境，長期運行使得導電部分銹蝕嚴重，經常出現隔離開關觸頭發熱。高壓隔離開關檢修通常安排在每年春查、秋查及大負荷到來前[9]。大修中發現隔離開關觸頭、觸指等部件氧化、老化、銹蝕嚴重[10-11]，對隔離開關觸頭、觸指進行清洗、更換后情況雖有所改善，但也僅能維持運行2～3年，上述問題又會重復出現。以靠近工業園區的某變電站為例，受園區內硅鐵冶煉廠排放物（含有SO2氣體和含Cl-粉塵）的影響，隔離開關腐蝕嚴重，發熱率高于非工業園區附近變電站隔離開關，使用壽命低。圖1為蒙西地區某工業園區附近隔離開關表面銹蝕及紅外測溫結果。

從該供電局故障率統計數據得知，隔離開關過熱故障占該局所有過熱設備故障的60%左右[12]。對該供電局隔離開關觸指更換、檢修原因進行統計和分析，其中80%以上隔離開關觸指表面鍍銀層脫落，更換下的舊觸指也因無法修復成為報廢品，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觸指更換數量統計。進一步分析觸頭更換原因，其中表面鍍層脫落占比81%，觸頭直接發熱占比14%，觸頭形變占比5%。

圖1 蒙西地區某變電站隔離開關表面腐蝕與發熱檢測情況

表1 2017—2019年蒙西地區某供電局隔離開關觸指更換數量統計 組

2 發熱原因分析

根據焦耳定律可知，電流通過導體產生的熱量與導體的電阻、通電時間及電流的二次方成正比[13]。一般來說，如果隔離開關設備的電流高于額定電流的70%，就會出現導電回路過熱[14]，因此使用過程中需嚴格控制實際電流大小。在高壓隔離開關接觸面接觸電阻嚴重超標的情況下，接觸面產生的熱能將會成倍增長，長時間運行會導致隔離開關接觸部位過熱，引起導電接觸面的塑性變形，接頭部分的接觸電阻增大，最終導致接頭燒毀。

2.1 隔離開關材質原因

傳統的隔離開關普遍使用T2紫銅作為基體材料，并在表面進行鍍銀處理，雖然紫銅具有優異的導電、導熱性能和一定的耐腐蝕性能，但紫銅在強度、剛度等方面存在先天性不足，導致隔離開關觸頭在使用過程中存在安全隱患。在大氣工作環境中，純銅易發生表面氧化、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，不具有自保護性，抗氧化能力較弱，銅基體會繼續發生氧化。一般認為銅在大氣中氧化時，氧離子及銅離子的擴散比較慢，因為氧的內擴散非常緩慢，所以銅的氧化主要以銅離子的外擴散為主，從而促進Cu2O的繼續生長，在合金/氧化物界面的氧氣會使純銅氧化生成單一的Cu2O層。

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

2.2 環境原因

高壓隔離開關直接暴露在大氣環境中，氣象因素和大氣污染物是影響隔離開關腐蝕的因素之一。氣象因素包括溫度、相對濕度和光照等，大氣污染物包括SO2、Cl-、CO2、NH3、H2S、NOx和有機物塵埃等，其中SO2和Cl-是影響金屬大氣腐蝕的主要成分。圖2是蒙西地區某工業園區附近的隔離開關表面銹蝕及腐蝕檢測結果，由EDS圖可看出，隔離開關表面銹蝕層存在大量Cl-。隔離開關長時間處于分閘位置，受外界環境及粉塵污染的影響，動靜觸頭積污嚴重且表面形成一層氧化膜，在轉換為合閘狀態時，容易出現接觸不良、發熱現象。通過EDS和XRD檢測，對觸頭表面腐蝕產物進行分析，發現氧化層中含有Cl-，說明開關表面存在明顯的化學腐蝕及Cl-點蝕，而成分中未檢測到銀離子，表明鍍銀層已磨損脫落。

圖2 蒙西地區某工業園區附近的隔離開關表面銹蝕檢測結果

2.3 隔離開關結構原因

蒙西地區普遍采用GW型隔離開關，該型號隔離開關采用彈簧結構，利用彈簧的伸縮施加夾緊力，導電方式為線接觸。彈簧結構設計雖增加了觸頭、觸指間的夾緊力，但也存在嚴重的分流作用。高壓隔離開關長時間閉合，彈簧結構一直處于壓縮狀態，長期運行造成彈簧疲勞。由于受外界環境的影響，彈簧銹蝕、腐蝕嚴重，彈性變差，夾緊力不足，接觸壓力降低。另外，隔離開關刀口發熱以及觸指彈簧導流，均會造成彈簧剛性退火，影響彈性，最終導致觸頭接觸電阻增大。當發熱問題產生時，會造成彈簧性能下降，觸頭、觸指間的壓力減小，接觸電阻增大，會進一步導致發熱問題，形成惡性循環，最終導致隔離開關出現過熱甚至燒毀。

2.4 其他原因

DL/T 486—2010《高壓交流隔離開關和接地開關》規定了開關設備導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GW型隔離開關供貨商較多，部分廠家為節約成本，鍍銀層厚度和質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。若隔離開關觸頭、觸指及導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的開合動作等都會造成鍍銀層磨損或脫落，出現露銅現象，失去鍍層的保護作用，加速了電化學腐蝕的發生，同時致使導電率降低，接觸電阻增大，出現發熱問題。

除表面鍍銀層質量原因外，安裝和維護不當也會縮短隔離開關使用壽命，主要表現為觸頭安裝調整不當、固定接觸部位安裝不到位、運行維護操作不當、隔離開關長時間不動作、導電油脂涂敷不當等。

3 控制隔離開關發熱問題的建議措施

3.1 觸頭材質改進

大量研究表明，銅合金具有優異的綜合性能，在銅中添加0.4%～1.1%鉻元素制備高強高導銅鉻合金，其導電率能維持在80%～85%IACS，抗拉強度達450 MPa以上，且耐蝕性能隨著鉻元素含量的增加而增強。目前在銅中添加各種微量元素已成為制備高強高導等綜合性能優異銅合金的重要研究方向。國內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，強化方式多為析出彌散強化，既能保證導電率，又能提高其力學性能和耐蝕性能。

3.2 表面鍍層改進

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

3.3 觸頭結構改進

可以兩方面進行改進：一是改變原來線接觸的導電方式，將點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 質量管控及日常維護

（1）在高壓隔離開關采購方面，選取具有相關資質的企業，嚴格把控設備出廠關，確保設備質量合格，檢查鍍層厚度和質量是否滿足相關標準要求，測試溫升回路電阻是否達標。

（2）確?，F場安裝質量，減小安裝位置誤差，做到開關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生。運行過程中，建立規范的巡檢制度，加強巡視和紅外測溫，做好日常維護和大負荷前的檢查等工作。

（3）針對園區內或園區附近的隔離開關表面腐蝕問題，需要通過表面鍍銀層處理和開發耐腐蝕性銅基體解決；針對大氣中粉塵和水蒸氣等其他組分造成的問題，需要通過密封防護和開關的維護保養等手段來解決。

4 結語

對于蒙西地區工業園區附近變電站隔離開關發熱問題，僅采取加強監管、重復鍍銀及更換觸頭的措施并不能從根本上解決問題，需結合隔離開關具體工作狀況分析其發熱的根本原因。本文從開關質量、環境因素等方面對蒙西地區工業園區附近的隔離開關發熱問題進行了分析，認為鍍銀層脫落后大氣腐蝕導致接觸電阻增大，是造成隔離開關發熱的主要原因，觸頭結構是造成隔離開關發熱的重要原因。建議采用耐腐蝕的銅合金觸頭材質，表面進行鍍層導熱、抗磨和耐蝕性強化，同時增大觸頭接觸面積、維持穩定的壓力及限制電流分流，以有效解決工業園區附近隔離開關發熱問題。