工业园区附近高压隔离开关触头发热问题分析

杨倩倩，吕雨桐，王 耀，王 彪，徐 宇，武占军，王 威

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.清华大学天津高端装备研究院洛阳先进制造产业研发基地，河南 洛阳 471003；3.巴彦淖尔电业局，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

0 引言

变电站隔离开关作为电力系统中关键的基础性一次元件，承担着隔离、转接、接通、分断等功能[1-3]，具有结构简单，使用量大，工作环境恶劣的特点[4]。随着电网负荷的不断增加，同时受设备质量、运行环境的影响，隔离开关在运行过程中频繁出现触头发热现象[5]，加速接触部位的氧化和侵蚀[6-7]，甚至导致触头烧毁，严重威胁到电力设备安全和电网的稳定运行。为提高隔离开关的使用寿命，其表面一般采用镀银工艺[7]。但在实地调研中发现，作为第一层防线的镀银层存在过早机械磨损、腐蚀剥落等问题，导致接触电阻增大，发热问题突出。温度升高使得触头氧化、腐蚀问题加剧，形成恶性循环[8]。蒙西地区工业园区分布着较多的煤化工、装备制造和建材等产业，靠近工业园区的变电站隔离开关触头发热问题尤其突出。本文针对蒙西地区工业园区附近隔离开关发热问题进行分析，并提出相应建议。

1 隔离开关存在的问题

蒙西地区变电站多建于城郊、旷野等地，处于多风沙环境，长期运行使得导电部分锈蚀严重，经常出现隔离开关触头发热。高压隔离开关检修通常安排在每年春查、秋查及大负荷到来前[9]。大修中发现隔离开关触头、触指等部件氧化、老化、锈蚀严重[10-11]，对隔离开关触头、触指进行清洗、更换后情况虽有所改善，但也仅能维持运行2～3年，上述问题又会重复出现。以靠近工业园区的某变电站为例，受园区内硅铁冶炼厂排放物（含有SO2气体和含Cl-粉尘）的影响，隔离开关腐蚀严重，发热率高于非工业园区附近变电站隔离开关，使用寿命低。图1为蒙西地区某工业园区附近隔离开关表面锈蚀及红外测温结果。

从该供电局故障率统计数据得知，隔离开关过热故障占该局所有过热设备故障的60%左右[12]。对该供电局隔离开关触指更换、检修原因进行统计和分析，其中80%以上隔离开关触指表面镀银层脱落，更换下的旧触指也因无法修复成为报废品，其次为大气腐蚀和触头形变，表1为2017—2019年该供电局隔离开关触指更换数量统计。进一步分析触头更换原因，其中表面镀层脱落占比81%，触头直接发热占比14%，触头形变占比5%。

图1 蒙西地区某变电站隔离开关表面腐蚀与发热检测情况

表1 2017—2019年蒙西地区某供电局隔离开关触指更换数量统计 组

2 发热原因分析

根据焦耳定律可知，电流通过导体产生的热量与导体的电阻、通电时间及电流的二次方成正比[13]。一般来说，如果隔离开关设备的电流高于额定电流的70%，就会出现导电回路过热[14]，因此使用过程中需严格控制实际电流大小。在高压隔离开关接触面接触电阻严重超标的情况下，接触面产生的热能将会成倍增长，长时间运行会导致隔离开关接触部位过热，引起导电接触面的塑性变形，接头部分的接触电阻增大，最终导致接头烧毁。

2.1 隔离开关材质原因

传统的隔离开关普遍使用T2紫铜作为基体材料，并在表面进行镀银处理，虽然紫铜具有优异的导电、导热性能和一定的耐腐蚀性能，但紫铜在强度、刚度等方面存在先天性不足，导致隔离开关触头在使用过程中存在安全隐患。在大气工作环境中，纯铜易发生表面氧化、锈蚀等问题，表面生成碱式碳酸铜，俗称“铜绿”。碱式碳酸铜在空气中受热易分解，最终以Cu2O或CuO两种氧化物形式存在，其氧化物组织疏松多孔，不具有自保护性，抗氧化能力较弱，铜基体会继续发生氧化。一般认为铜在大气中氧化时，氧离子及铜离子的扩散比较慢，因为氧的内扩散非常缓慢，所以铜的氧化主要以铜离子的外扩散为主，从而促进Cu2O的继续生长，在合金/氧化物界面的氧气会使纯铜氧化生成单一的Cu2O层。

表面镀银处理常用来增强导电性及抵抗腐蚀、氧化，但普通电镀工艺镀银层与铜基体结合不牢固。此外，纯银的硬度不高，易磨损消耗，且工业大气中的H2S极易与银发生反应，生成不导电的Ag2S。镀银层的破损和反应均会使导电表面的接触电阻增大，从而导致产生热量增加。

2.2 环境原因

高压隔离开关直接暴露在大气环境中，气象因素和大气污染物是影响隔离开关腐蚀的因素之一。气象因素包括温度、相对湿度和光照等，大气污染物包括SO2、Cl-、CO2、NH3、H2S、NOx和有机物尘埃等，其中SO2和Cl-是影响金属大气腐蚀的主要成分。图2是蒙西地区某工业园区附近的隔离开关表面锈蚀及腐蚀检测结果，由EDS图可看出，隔离开关表面锈蚀层存在大量Cl-。隔离开关长时间处于分闸位置，受外界环境及粉尘污染的影响，动静触头积污严重且表面形成一层氧化膜，在转换为合闸状态时，容易出现接触不良、发热现象。通过EDS和XRD检测，对触头表面腐蚀产物进行分析，发现氧化层中含有Cl-，说明开关表面存在明显的化学腐蚀及Cl-点蚀，而成分中未检测到银离子，表明镀银层已磨损脱落。

图2 蒙西地区某工业园区附近的隔离开关表面锈蚀检测结果

2.3 隔离开关结构原因

蒙西地区普遍采用GW型隔离开关，该型号隔离开关采用弹簧结构，利用弹簧的伸缩施加夹紧力，导电方式为线接触。弹簧结构设计虽增加了触头、触指间的夹紧力，但也存在严重的分流作用。高压隔离开关长时间闭合，弹簧结构一直处于压缩状态，长期运行造成弹簧疲劳。由于受外界环境的影响，弹簧锈蚀、腐蚀严重，弹性变差，夹紧力不足，接触压力降低。另外，隔离开关刀口发热以及触指弹簧导流，均会造成弹簧刚性退火，影响弹性，最终导致触头接触电阻增大。当发热问题产生时，会造成弹簧性能下降，触头、触指间的压力减小，接触电阻增大，会进一步导致发热问题，形成恶性循环，最终导致隔离开关出现过热甚至烧毁。

2.4 其他原因

DL/T 486—2010《高压交流隔离开关和接地开关》规定了开关设备导电回路上主触头镀银层厚度不小于20μm，镀银层硬度不低于120（HV）[15-16]。目前国内GW型隔离开关供货商较多，部分厂家为节约成本，镀银层厚度和质量等方面得不到保证，如采用镀锡替代镀银；镀银层非纯银，杂质成分较高；镀银层依附力或硬度不够，易脱落磨损。若隔离开关触头、触指及导电杆表面镀银层厚度不够、硬度低或附着力差，操作过程中隔离开关的开合动作等都会造成镀银层磨损或脱落，出现露铜现象，失去镀层的保护作用，加速了电化学腐蚀的发生，同时致使导电率降低，接触电阻增大，出现发热问题。

除表面镀银层质量原因外，安装和维护不当也会缩短隔离开关使用寿命，主要表现为触头安装调整不当、固定接触部位安装不到位、运行维护操作不当、隔离开关长时间不动作、导电油脂涂敷不当等。

3 控制隔离开关发热问题的建议措施

3.1 触头材质改进

大量研究表明，铜合金具有优异的综合性能，在铜中添加0.4%～1.1%铬元素制备高强高导铜铬合金，其导电率能维持在80%～85%IACS，抗拉强度达450 MPa以上，且耐蚀性能随着铬元素含量的增加而增强。目前在铜中添加各种微量元素已成为制备高强高导等综合性能优异铜合金的重要研究方向。国内外在制备高性能铜合金方面，主要添加Cr、Zr、Ag、Ni、Si、Co、Ti、Fe、P和稀土等元素，强化方式多为析出弥散强化，既能保证导电率，又能提高其力学性能和耐蚀性能。

3.2 表面镀层改进

镀层方面建议采取以下两方面改进：一是采用镀硬银的方式，在镀层中加入难熔的硬质颗粒物，如碳化钨、二硫化钼等硬质颗粒，形成钉扎作用，提高镀银层的耐磨性。相关研究表明，镀硬银可以将开关使用寿命提高2～3倍[18]；二是制备银石墨烯复合镀层，石墨烯具有优异的导电、导热、耐磨和耐蚀性能[17]，在铜基体表面制备银石墨烯复合镀层，能够显著提高其耐蚀性[19-21]。

3.3 触头结构改进

可以两方面进行改进：一是改变原来线接触的导电方式，将点接触或线接触改为面接触，增大接触面积；二是增大触头、触指间压力，增大触指厚度或改进触指回弹装置，触指回弹装置与触指之间采用绝缘材料隔开，防止电流分流。

3.4 质量管控及日常维护

（1）在高压隔离开关采购方面，选取具有相关资质的企业，严格把控设备出厂关，确保设备质量合格，检查镀层厚度和质量是否满足相关标准要求，测试温升回路电阻是否达标。

（2）确保现场安装质量，减小安装位置误差，做到开关触头处于正常接触位置、插入深度足够、触指接触可靠、隔离开关合闸到位等。安装过程中，避免触头镀层表面损伤等人为缺陷的发生。运行过程中，建立规范的巡检制度，加强巡视和红外测温，做好日常维护和大负荷前的检查等工作。

（3）针对园区内或园区附近的隔离开关表面腐蚀问题，需要通过表面镀银层处理和开发耐腐蚀性铜基体解决；针对大气中粉尘和水蒸气等其他组分造成的问题，需要通过密封防护和开关的维护保养等手段来解决。

4 结语

对于蒙西地区工业园区附近变电站隔离开关发热问题，仅采取加强监管、重复镀银及更换触头的措施并不能从根本上解决问题，需结合隔离开关具体工作状况分析其发热的根本原因。本文从开关质量、环境因素等方面对蒙西地区工业园区附近的隔离开关发热问题进行了分析，认为镀银层脱落后大气腐蚀导致接触电阻增大，是造成隔离开关发热的主要原因，触头结构是造成隔离开关发热的重要原因。建议采用耐腐蚀的铜合金触头材质，表面进行镀层导热、抗磨和耐蚀性强化，同时增大触头接触面积、维持稳定的压力及限制电流分流，以有效解决工业园区附近隔离开关发热问题。