摘要：針對一起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：tq153.16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：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，*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《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電網(wǎng)公司開展的金屬專項(xiàng)技術(shù)監(jiān)督檢測隔離開關(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厚無法發(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等級為e級，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、靜觸頭接觸面大部分呈綠色，少部分呈黑色(見圖1)。紅外測溫發(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)維單位國網(wǎng)瀘州供電公司緊急安排停運(yùn)該隔離開關(guān)，并與國網(wǎng)四川電科院聯(lián)合開展故障分析。
圖1 某110 kv隔離開關(guān)觸頭的腐蝕情況
2 手持式x射線熒光光譜儀的檢測原理
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、可同時進(jìn)行多元素分析、無損檢測等優(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特征譜線，具體與元素的原子序數(shù)有關(guān)。檢測器測量這些二次x射線的能量及數(shù)量或波長，儀器軟件將收集到的信號轉(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?？煞譃椴ㄩL色散型和能量色散型兩大類，各自原理如圖2 [11]所示。波長色散型光譜儀一般采用x射線管作為激發(fā)源，由檢測器轉(zhuǎn)動的2θ角可以求出x射線的波長λ，從而確定元素成分，屬于臺式儀器。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，從而確定元素成分和含量，可以同時測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，價格也較低，能夠在數(shù)秒內(nèi)準(zhǔn)確、無損地獲得檢測結(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]。
圖2 波長色散型(a)和能量色散型(b)x射線熒光光譜儀的檢測原理
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，無需拆卸隔離開關(guān)，可以攜帶至變電站現(xiàn)場，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。
圖3 手持式x射線熒光光譜儀
3 現(xiàn)場檢測結(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《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)閍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?。綠色區(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
使用xl2 800手持式x射線熒光光譜儀檢測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《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厚均無法發(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)語和建議
針對一起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)對新建輸變電工程高壓隔離開關(guān)觸頭鍍銀層的檢測，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] 電網(wǎng)有限公司. 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[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.