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隔离开关触头元件质量检测分析
2018智能电网增刊
孟令文1,程 斌1,李 岩2
1.国网陕西铜川供电公司, 陕西 铜川 727000; 2.苏州国嘉记忆合金有限公司,江苏 常熟 215500
摘要: 隔离开关触头发热是一种极其常见的故障问题。触头元件的质量问题直接关系到隔离开关的运行稳定性和安全性。对触头元件材料、镀层和硬度的检测原理和方法进行简述,并实际检测了搜集的改进型和普通型弹簧片的材料和镀层,以及改进型和普通型触指的材料、镀层、厚度和硬度。检测表明,改进型触指镀银层硬度和厚度均高于国家电网相关技术标准要求,普通触指镀层材料、厚度、硬度不符合要求,应予以技术改进。
中图分类号: TM564
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.080
Abstract:
Key words :

0  引言

隔离开关是在分闸位置时触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志,并且在合闸位置时能承载正?;芈诽跫碌牡缌骱驮诠娑ㄊ奔淠谝斐L跫?例如短路)下的电流的开关设备[1]。

    隔离开关是在变电站、输配电线路中与断路器配合使用的一种主要设备。是保障电网持续、可靠供电的主要变电设备。现役隔离开关的触头弹簧片为锰钢和不锈钢,触指材料为黄铜或紫铜,并在表面镀银。隔离开关一般在户外运行,受到风霜雨露、盐雾、工业废气形成的化合物的影响,易发生锈蚀。触指、触头接触部位在锈蚀后导致接触电阻增大,使触头产生发热现象。弹簧片的锈蚀使夹紧力衰减,导致接触压力减小,接触电阻增大,产生发热现象。触头发热后接触面氧化造成接触电阻进一步增大, 触头发热更厉害, 形成恶性循环, 严重时发生熔焊产生拉弧[2]。

    另外,在电力系统实际运行过程中,隔离开关长期处于合闸运行状态时,若触指弹簧质量不佳,极易产生金属疲劳,弹性指标下降,经过分闸后再次合闸,触头与触指之间的接触压力将减小,导致接触电阻增大从而使触头发热;触头发热则使弹簧受热,弹性指标进一步下降,接触电阻进一步增大。最终触指弹簧将失去弹性,接触电阻将更大,导致温度急剧升高烧损触头。所以触头元件的质量直接影响到隔离开关运行安全[3]。

    在实际生产中,部分隔离开关制造厂商为了降低成本,制造出的弹簧片表面的镀锌层厚度较薄,附着力不足,所以弹簧片在使用过程中容易锈蚀,导致触头夹紧力下降。银具有优良的导电性,因而镀银层的厚度是保证接触电阻达标的基本要求,直接影响高压隔离开关触头的可靠性和运行寿命。触指镀银层硬度较低时,在开合过程中镀层脱落或磨薄,减少使用寿命,给生产带来不安全因素[4]。针对这种情况,对变电站一组改进后的隔离开关触头进行了检测,并与收集到的部分弹簧片和触指检测对比。分析表明,改进型隔离开关触头元件质量优异,导通性能较好,解决了隔离开关发热问题。

1  方法分析

1.1  镀层材料

    镀层材料采用能谱仪测试。能谱仪用来对材料微区成分元素种类与含量进行分析,配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜使用。

    X射线光子进入检测器后,在Si(Li)晶体内激发出一定数目的电子空穴对。产生一个空穴对的最低平均能量ε是一定的(在低温下平均为3.8 eV),而由一个X射线光子造成的空穴对的数目为N=△E/ε,因此,入射X射线光子的能量越高,N就越大。利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对,经过前置放大器转换成电流脉冲,电流脉冲的高度取决于N的大小。电流脉冲经过主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器,脉冲高度分析器按高度对脉冲分类进行计数,这样就可以描出一张X射线按能量大小分布的图谱[5]。

1.2  镀层厚度

    镀银层厚度的测量方法较多,根据在测量过程中基体材料有无损坏,可分为有损检测法与无损检测法两大类。其中有损检测法有金相显微法、电解法、化学溶解法(点滴法﹑液流法﹑称量法)等多种,其中金相显微法是最直观、有效的检测方法。

    本次测试所采用方法为扫描电镜测试。

    2004年,国家电网公司生产运营部为完善高压隔离开关的改造要求,特颁布了《关于高压隔离开关订货的有关通知》,对镀层性能提出了明确的要求,其中镀层厚度不得低于20 μm[6]。

1.3  镀层硬度

    依据国家电网公司《高压开关设备管理规范-交流高压隔离开关和接地开关技术标准》对触头镀层的要求,要求触头镀层硬度不小于120 HV。镀银层的硬度采用显微维氏硬度计依据标准GB/T4340.2-2009《金属材料维氏硬度试验》进行测试。

    维氏硬度试验是用一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金钢石以规定的试验力F压入试样表面, 经保持规定时间后, 卸除试验力, 测出压痕表面积, 维氏硬度值是试验力F与压痕表面积S之比,即HV=F/S[7]。

1.4  抗拉强度

    测量抗拉强度比较普遍的方法是采用万能材料试验机等来进行测定。材料在拉伸过程中,经过屈服阶段后进入强化阶段,随着横向截面尺寸明显缩小,在拉断时所承受的最大力(Fb)除以试样原横截面积(So)所得的应力(σ),称为抗拉强度或者强度极限(σb),单位为N/mm2(MPa)。它表示金属材料在拉力作用下抵抗破坏的最大能力。

2  检测

2.1  弹簧片

    触指弹簧的功能主要有:(1)用来稳固触指,(2)使触指和触头之间有足够的作用压力。由于触指弹簧具有上述两个功能,所以弹簧性能的好坏将直接影响触指和触头能否有效地接触[8]。

    随机抽取改进型隔离开关弹簧片2件,选取搜集到普通弹簧片2件,试样见图1。

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    (1)弹簧片材质及镀层检测结果见表1。

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    (2)弹簧片材料性能对比见表2。

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    由表2可知,与普通65Mn弹簧钢相比,虽然镍钛基合金屈服强度和抗拉强度略低,但是镍钛基合金的弹性应变是65Mn弹簧钢的6~16倍,更适合作为弹簧片材料。

    TiNi合金是一种典型的形状记忆合金,具有良好的形状记忆效应、伪弹性、耐腐蚀性及生物相容性,在航空航天、建筑和医疗等领域均得到广泛的应用[9-10]。

    记忆合金材料因其极佳的耐腐蚀性,可以在户外恶劣环境条件下提供持续稳定的弹力,使触头与触指贴合紧密,增大接触压力,降低接触电阻。

2.2  触指

    触指是隔离开关导流的关键元件,在实用中,若触指表面导电镀银层剥落,在触指夹紧力不变的情况下,接触部位的接触面积及强度都有所下降,可能影响隔离开关回路电阻,导致通流能力下降[11]。

    (1)触指镀层材质检测

     随机抽取改进型隔离开关2件触指和搜集到的2件触指试样,试样形貌和编号如图2所示。其中改进1和改进2为改进型隔离开关触指。所有样件均为国产样件。

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    对试样沿横截面剖开,采用扫描电子显微镜和能谱仪分析,检测结果如表3所示。

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    由表3可知,改进型触头所用触指镀层材质为银,导电较好,而且银氧化后氧化物电阻较小,不易导致接触处发热。对比样品表面镀层主要成分是Sn,没有镀银。

    (2)触指镀层厚度检测

    隔离开关触指镀层厚度检测结果见表4。

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    由表4可知,改进1和改进2号触指镀层厚度符合要求,其余样品镀层厚度不满足国家电网公司的相关技术标准(《高压开关设备管理规范—交流高压隔离开关和接地开关技术标准》)要求。

    (3)触指镀层硬度检测

    采用HV1000显微维氏硬度计对1~5号样品进行显微维氏硬度测试,结果见表5。

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    由表5可知,所检的改进1和改进2样品的镀层硬度符合国家电网公司有关技术标准要求,其余样品由于镀层太薄无法测到显微维氏硬度。

3  结论

    (1)普通触指镀层材料、厚度、硬度不符合要求,应予以技术改进;

    (2)改进型触指镀银层硬度和厚度均高于国家电网相关技术标准要求;

    (3)改进型隔离开关记忆合金弹簧片相比普通弹簧片具有较大的弹性。

    综上,改进型触指镀银层硬度和厚度均高于国家电网相关技术标准要求,隔离开关部分现役触指镀层材料、厚度、硬度不符合要求,应予以技术改进。

参考文献

[1] DL/T 486—2010《高压交流隔离开关和接地开关》[S]. 北京: 中国电力出版社, 2011. 

[2] 蒋平, 李晶.高压隔离开关触指压力的测试[J]. 四川电力技术, 2009, 32(6): 26-28.

[3] 夏寿鹏. 浅析隔离开关发热原因及处理预防措施[J]. 中国新技术新产品, 2001(4): 262.

[4] 徐雪霞, 冯砚厅, 柯浩, 等. 高压隔离开关触头镀银层质量检测分析[J]. 河北电力技术, 2013, 32( 3): 3-5,11. 

[5] 卫巍, 程国营. X射线荧光测量技术在冷轧镀锌处理线的应用[J]. 宝钢技术, 2007(1): 54-57. 

[6] 刘纯, 谢亿, 陈军君, 等. 高压隔离开关触指镀银层现场测厚技术开发[J]. 湖南电力2010, 30(5): 14-16. 

[7] 蔡丽清. 维氏硬度试验及其主要影响因素分析[J]. 物理测试, 2008, 26(5): 21-23. 

[8] 何兵, 邓海峰. GW4/GW5型隔离开关烧坏原因分析及预防控制措施研究[J]. 电气开关, 2012(4): 46-48. 

[9] 舟久保, 熙康. 形状记忆合金[M]. 北京: 机械工业出版社, 1992. 

[10] 杨大智, 张连生, 王风庭. 形状记忆合金[M]. 大连: 大连工学院出版社, 1988.

[11] 杨堃, 宋杲, 曹德新, 等. 隔离开关触头寿命的试验研究[J]. 智能电网, 2014, 2(2): 63-66. 



作者信息:

孟令文1,程  斌1,李  岩2

(1.国网陕西铜川供电公司, 陕西 铜川 727000;

2.苏州国嘉记忆合金有限公司,江苏 常熟 215500)

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