户外高压隔离开关触头材料的腐蚀与防护分析

瞿鹏

摘要：当今时代，人们对电能的依赖性逐渐增强，需求量越来越大。在“十三五”期间，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隔离开关设备，对其可靠性要求也越来越高。

关键词：户外高压隔离开关；触头材料；腐蚀与防护

引言

目前我国已经进入了互联大电网时代，区域电网之间相互揭合程度越来越高，这对电网的安全稳定运行提出了新的要求，高压隔离开关作为电网中使用量最大、应用最为广泛的一次设备，其结构简单，对制造精度的要求不高，易于生产，因而隔离开关又最不受生产厂家重视。由于长期运行于户外恶劣大气环境中，加之运行过程中管理不足、年久失修的现象普遍存在，隔离开关容易出现各种缺陷。高压隔离开关是电网变电站中各类设备部件的关键器件，又有着最高的故障率，其工作状况直接影响到电网的安全稳定性。

1高压隔离开关主要作用

高压隔离开关是变电站隔断电流的一种设备。目前这种开关设备广泛应用在自动化运行的无人变电站。在电力系统中，高压隔离开关的功能是通过隔断电流完成系统的自动跳闸，以保护高压电器设备安全运行，它只能起隔断作用，而不能直接切断电流。

2户外高压隔离开关触头材料腐蚀危害

2.1影响开关性能

高压隔离开关通常都具有良好的转动、传动系统，这样才能正常运行。而一旦发生腐蚀，各零件的性能必会有所降低，致使整个开关出现运行障碍，多表现为传动出现卡滞、反映缓慢，操作失控等。由于操作力矩的不断增加，会使得开关合不到位。如果腐蚀程度加深，承受的力超过了系统设置的值，极有可能折断连杆或者导致绝缘破裂，甚至发生安全事故。

2.2损坏开关外形

腐蚀多是水跟空气或其他物质之间发生化学变化引起的，由于对各零部件构成侵蚀，可能会影响到开关外形的变化，如尺寸、强度等。如果腐蚀程度较深，此情形就较为明显，各部件会出现大的变形。

3户外高压隔离开关触头材料腐蚀的防护策略

3.1镀银工艺改良

对镀银预处理浸镀液的硝酸银、硫脲溶液、pHＨ值等工艺参数进行优化，得到了更好的银镀层，在300℃保温1h除氢处理条件下，镀层无起皮、脱落及起泡现象。在基础镀液的基础上加入质量浓度为0.2g／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。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，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，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，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。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。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。

3.2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，为铜基体的银基复合镀提供了一个良好的方向。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。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％。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。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。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。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。相关研究还表明，石墨烯具有优异的疏水性，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。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。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，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，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。在质量浓度分别为0.2g／L表面活性剂和9.0g／L的石墨烯、搅拌速度为160r／min的硫代硫酸盐体系下，以0.6A／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％。

结语

高压隔离开关是变电站中使用量最大的高压隔离开关设备，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。

参考文献

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