摘要：針對(duì)一起110kV隔離開關(guān)觸頭的腐蝕故障，采用手持式X射線熒光光譜儀分析故障隔離開關(guān)觸頭鍍層的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)廠家使用銀氧化錫(Ag-SnO2)鍍層代替鍍銀層。分析認(rèn)為在工業(yè)含硫大氣環(huán)境中，Ag-SnO2鍍層中的銀被SO2、H2S等硫化物腐蝕，銅基體在潮濕環(huán)境下腐蝕生成Cu2(OH)2CO3，從而導(dǎo)致隔離開關(guān)觸頭導(dǎo)電回路的接觸電阻升高，引發(fā)過熱故障。針對(duì)此次故障，提出了解決措施和建議。

 

 

 

關(guān)鍵詞：手持式X射線熒光光譜儀；隔離開關(guān)觸頭；電刷鍍銀；銀氧化錫；腐蝕
中圖分類號(hào)：TQ153.16    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A    文章編號(hào)：1004 – 227X (2019) 23 – 1 – 04

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中使用多、應(yīng)用廣的一次設(shè)備。由于高壓隔離開關(guān)多在戶外運(yùn)行，長(zhǎng)期受風(fēng)吹、雨淋、雷電、潮氣、鹽霧、凝露、冰雪、沙塵、污穢，以及SO2、H2S、NO2、氯化物等大氣污染物的影響，因此各部件會(huì)發(fā)生不同程度的腐蝕[1-2]。高壓隔離開關(guān)觸頭是關(guān)鍵部件，承擔(dān)著轉(zhuǎn)接、隔離、接通、分?jǐn)嗟热蝿?wù)，其工作狀態(tài)的好壞直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行[3]。高壓隔離開關(guān)觸頭的基體為純銅，但純銅易被腐蝕，會(huì)造成表面接觸電阻升高，引發(fā)過熱故障，影響開關(guān)設(shè)備和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-6]。為了減小接觸電阻，DL/T 486–2010《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》、DL/T 1424–2015《電網(wǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》和《國(guó)家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(2018年修訂版)及編制說明》[7]中明確規(guī)定：隔離開關(guān)觸頭表面必須鍍銀，且鍍銀層厚度不小于20 μm，以獲得較低的接觸電阻，從而保證良好的導(dǎo)電性。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，很多廠家生產(chǎn)的高壓隔離開關(guān)產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)觸頭腐蝕、變色發(fā)黑、發(fā)熱等故障，一般是由觸頭鍍錫代替銀或鍍銀層厚度不足造成，這些缺陷都可以通過國(guó)家電網(wǎng)公司開展的金屬專項(xiàng)技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)隔離開關(guān)觸頭鍍銀層厚度而發(fā)現(xiàn)[8]。

 

近期，四川電網(wǎng)在金屬技術(shù)監(jiān)督中發(fā)現(xiàn)一起高壓隔離開關(guān)觸頭腐蝕案例，鍍銀層厚度檢測(cè)結(jié)果合格，但在采用手持式X射線熒光光譜儀分析鍍層化學(xué)成分時(shí)發(fā)現(xiàn)，廠家竟然使用銀氧化錫(Ag-SnO2)鍍層代替鍍銀層，該造假手段通過顏色判斷和鍍層測(cè)厚無(wú)法發(fā)現(xiàn)，非常隱蔽，很容易因未進(jìn)行鍍層成分分析而誤判合格，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行，希望引起各運(yùn)維單位注意。
                                   

1    高壓隔離開關(guān)觸頭的腐蝕故障

某110 kV變電站于1991年投運(yùn)，當(dāng)?shù)卮髿馕鄯x等級(jí)為E級(jí)，大氣類型為工業(yè)污染。周邊潮濕多雨，化工、煤炭、玻璃等重工業(yè)污染企業(yè)密集，空氣中SO2、H2S等硫化物濃度較高，大氣的腐蝕性較強(qiáng)。2013年更換隔離開關(guān)觸頭，防腐措施為銅鍍銀。2017年站內(nèi)巡檢發(fā)現(xiàn)某110 kV隔離開關(guān)觸頭腐蝕嚴(yán)重，動(dòng)、靜觸頭接觸面大部分呈綠色，少部分呈黑色(見圖1)。紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)該隔離開關(guān)觸頭存在過熱故障，若繼續(xù)運(yùn)行，可能會(huì)造成隔離開關(guān)燒毀，甚至大面積停電等惡性事故，運(yùn)維單位國(guó)網(wǎng)瀘州供電公司緊急安排停運(yùn)該隔離開關(guān)，并與國(guó)網(wǎng)四川電科院聯(lián)合開展故障分析。

 

2    手持式X射線熒光光譜儀的檢測(cè)原理

X射線熒光光譜分析是用于高壓隔離開關(guān)觸頭表面金屬成分檢測(cè)的一種非常有效的分析方法，具有快速、分析元素多、分析濃度范圍寬、精度高、可同時(shí)進(jìn)行多元素分析、無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于元素分析和化學(xué)分析領(lǐng)域[9]。其原理[9-12]為：由激發(fā)源產(chǎn)生高能量X射線照射被測(cè)樣品，樣品表面元素內(nèi)層電子被擊出后，軌道形成空穴，外層高能電子自發(fā)向內(nèi)層空穴躍遷，同時(shí)輻射出特征二次X射線。每種元素都有各自固定的能量或波長(zhǎng)特征譜線，具體與元素的原子序數(shù)有關(guān)。檢測(cè)器測(cè)量這些二次X射線的能量及數(shù)量或波長(zhǎng)，儀器軟件將收集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類和含量。

X射線熒光光譜儀通常可分為波長(zhǎng)色散型和能量色散型兩大類，各自原理如圖2 [11]所示。波長(zhǎng)色散型光譜儀一般采用X射線管作為激發(fā)源，由檢測(cè)器轉(zhuǎn)動(dòng)的2θ角可以求出X射線的波長(zhǎng)λ，從而確定元素成分，屬于臺(tái)式儀器。能量色散型光譜儀是利用熒光X射線具有不同能量的特點(diǎn)，將其分開并進(jìn)行檢測(cè)，從而確定元素成分和含量，可以同時(shí)測(cè)定樣品中幾乎所有的元素，激發(fā)源使用的X射線管功率較低，且使用半導(dǎo)體探測(cè)器，避開了復(fù)雜的分光晶體結(jié)構(gòu)，因此儀器工作穩(wěn)定，體積小，便攜性高，價(jià)格也較低，能夠在數(shù)秒內(nèi)準(zhǔn)確、無(wú)損地獲得檢測(cè)結(jié)果，被廣泛應(yīng)用于金屬材料中元素的精確定量分析[12-13]。
 

目前市售手持式X射線熒光光譜分析儀基本都是能量色散型X射線光譜儀。圖3是目前四川電網(wǎng)基層供電公司使用的美國(guó)Thermo Fisher Scientific Niton XL2 800手持式X射線熒光光譜儀，它不受分析樣品的大小、形狀、位置限制，無(wú)需拆卸隔離開關(guān)，可以攜帶至變電站現(xiàn)場(chǎng)，能夠分析Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta, W, Re, Au, Pb, Bi等25種元素。

 

3    現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

3. 1    鍍層化學(xué)成分分析

使用XL2 800手持式X射線熒光光譜儀對(duì)110 kV隔離開關(guān)觸頭不同顏色區(qū)域的鍍層和銅基體進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。銀白色區(qū)域中Ag、Cu和Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為91.48%、1.83%和5.71%。Cu是隔離開關(guān)觸頭的基體成分，查閱文獻(xiàn)[14]可知，該銀錫比例是第二相SnO2顆粒彌散分布于銀基質(zhì)層中的Ag–SnO2金屬基復(fù)合材料，不符合DL/T 486-2010、DL/T 1424–2015和《國(guó)家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(2018年修訂版)及編制說明》中隔離開關(guān)觸頭應(yīng)鍍銀的要求。黑色區(qū)域的Ag含量低至75.33%，Cu含量和Sn含量則較高，這是因?yàn)锳g-SnO2鍍層中的Ag與空氣中的SO2、H2S等含硫化合物反應(yīng)生成黑色的腐蝕產(chǎn)物β-Ag2S和Ag2SO3。隨著腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，Ag-SnO2鍍層表面逐漸由銀白色轉(zhuǎn)變?yōu)樯罨疑昂谏＞G色區(qū)域的Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)已升至82.31%，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則與灰色區(qū)域相近，而Ag已檢測(cè)不到，表明Ag-SnO2鍍層中銀的腐蝕產(chǎn)物發(fā)黑并脫落后，鍍層中分散的SnO2無(wú)法保護(hù)銅基體，使得銅在潮濕環(huán)境下與空氣中的O2、CO2和H2O反應(yīng)生成綠色的堿式碳酸銅Cu2(OH)2CO3(俗稱銅綠)。將綠色區(qū)域打磨后分析銅基體發(fā)現(xiàn)其中含99.72% Cu和0.15% Sn，說明該隔離開關(guān)觸頭的基體材質(zhì)為純銅，檢出的少量錫來(lái)源于殘余的鍍層。

 

表1  110 kV隔離開關(guān)觸頭鍍層上不同顏色區(qū)域及銅基體的元素成分分析結(jié)果

 

 

3. 2    鍍層厚度檢測(cè)

使用XL2 800手持式X射線熒光光譜儀檢測(cè)110 kV隔離開關(guān)觸頭的鍍銀層厚度，結(jié)果顯示銀白色、黑色和綠色區(qū)域的鍍銀層厚度分別為23.953、16.885和0.000 μm。這說明隨腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，鍍層逐漸被消耗，直至*損失。DL/T 486–2010、DL/T 1424–2015和《國(guó)家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(2018年修訂版)及編制說明》中明確規(guī)定隔離開關(guān)觸頭的鍍銀層厚度不應(yīng)小于20 μm。為節(jié)約成本，廠家常用的造假手段就是用鍍錫代替或減少鍍銀量，這兩種手段都可直接通過鍍層測(cè)厚發(fā)現(xiàn)。但本次的造假是采用Ag-SnO2層代替Ag層，也是呈銀白色，并且鍍層厚度大于20 μm，僅通過顏色判斷和測(cè)厚均無(wú)法發(fā)現(xiàn)，隱蔽性較強(qiáng)。Ag-SnO2鍍層觸頭因?yàn)殡妼?dǎo)率較純銀低，主要用于繼電器、低壓開關(guān)等低壓電器。若用于高壓隔離開關(guān)，在大電流下很容易發(fā)熱，存在嚴(yán)重安全隱患。

 

4    結(jié)語(yǔ)和建議

針對(duì)一起110 kV隔離開關(guān)觸頭腐蝕故障，使用手持式X射線熒光光譜儀分析觸頭的鍍層成分，發(fā)現(xiàn)廠家使用Ag-SnO2鍍層代替Ag鍍層，Ag-SnO2鍍層中的銀被空氣中的硫化物腐蝕后，銅基體被腐蝕，導(dǎo)致導(dǎo)電回路接觸電阻升高，引發(fā)過熱故障，是造成該故障的主要原因。為保證此類故障不再發(fā)生，應(yīng)采取以下措施：

(1)高度重視在役高壓隔離開關(guān)觸頭表面鍍銀層的腐蝕發(fā)黑、發(fā)綠現(xiàn)象，發(fā)黑說明鍍銀層已被腐蝕，發(fā)綠說明鍍銀層已被腐蝕完，腐蝕延伸到銅基體，會(huì)導(dǎo)致隔離開關(guān)觸頭的接觸電阻升高，易引發(fā)隔離開關(guān)過熱、燒毀、全站失壓等安全事故，應(yīng)盡快安排停電，及時(shí)更換失效的高壓隔離開關(guān)觸頭。

(2)聯(lián)系生產(chǎn)廠家，將同批次產(chǎn)品全部更換為合格產(chǎn)品，以消除安全隱患。

(3)加強(qiáng)對(duì)新建輸變電工程高壓隔離開關(guān)觸頭鍍銀層的檢測(cè)，鍍層成分和厚度均合格后方可入網(wǎng)。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]    曹勝利, 苑金海, 趙昌. 戶外高壓隔離開關(guān)腐蝕與防護(hù)分析[J]. 電氣制造, 2007 (6): 46-48.

[2]    鐘振蛟. 戶外隔離開關(guān)導(dǎo)電回路過熱的原因及對(duì)策[J]. 高壓電器, 2005, 41 (4): 307-312.

[3]    閆斌, 鄧大勇, 何喜梅, 等. 高壓導(dǎo)電觸頭電鍍工藝與失效分析[J]. 青海電力, 2008, 27 (3): 6-9.

[4]    梁方建, 張道乾. GW5-110型隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱缺陷分析及檢修處理[J]. 高壓電器, 2008, 44 (1): 88-90.

[5]    劉海龍, 龔杰, 萬(wàn)亦農(nóng), 等. 某110 kV變電站隔離開關(guān)普遍發(fā)熱原因分析及防范措施[J]. 電工技術(shù), 2016 (8): 99-101.

[6]    趙慶, 茅大鈞. 戶外高壓隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱機(jī)理分析及預(yù)防過熱故障措施探討[J]. 電氣應(yīng)用, 2016, 35 (3): 72-76.

[7]    國(guó)家電網(wǎng)有限公司. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(2018年修訂版)及編制說明[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2018.

[8]    劉純, 謝億, 胡加瑞, 等. 電網(wǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 湖南電力, 2016, 36 (3): 39-42.

[9]    徐雪霞, 馮硯廳, 柯浩, 等. 高壓隔離開關(guān)觸頭鍍銀層質(zhì)量檢測(cè)分析[J]. 河北電力技術(shù), 2013, 32 (3): 3-5, 11.

[10]    胡波, 武曉梅, 余韜, 等. X射線熒光光譜儀的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2015, 35 (7): 695-702, 706.

[11]    趙晨. X射線熒光光譜儀原理與應(yīng)用探討[J]. 電子質(zhì)量, 2007 (2): 4-7.

[12]    金鑫, 金涌川, 李學(xué)斌, 等. 電氣設(shè)備金屬元素檢測(cè)分析[J]. 電氣應(yīng)用, 2018, 37 (18): 80-85.

[13]    何翠強(qiáng). 手持式X射線熒光光譜儀在金屬材料分析中的應(yīng)用研究[J]. 冶金與材料, 2018, 38 (4): 134-135.

[13]    謝明, 王松, 付作鑫, 等. AgSnO2電接觸材料研究概述[J]. 電工材料, 2013 (2): 36-39.