錢錫穎，金坤鵬，李 楊，江 熠，金從友

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

高壓隔離開關(guān)是發(fā)電廠和送配電系統(tǒng)中重要的開關(guān)電器，其在戶外工作時會直接暴露在雨淋、雷電、沙塵和腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境中[1-2]。高壓隔離開關(guān)觸頭是隔離開關(guān)的核心構(gòu)件，承擔(dān)著轉(zhuǎn)接、隔離、接通和分?jǐn)嗟热蝿?wù)，其質(zhì)量的好壞對整個電力系統(tǒng)的運行具有重要影響。目前，高壓隔離開關(guān)觸頭多采用純銅基體，為克服其易腐蝕和易磨損等缺陷，往往會對其進(jìn)行表面防護(hù)處理[3]。

目前，我國各高壓隔離開關(guān)制造廠家一般采用鍍銀技術(shù)來防止觸頭氧化，提高接觸面的導(dǎo)電率和使用壽命。對于高壓隔離開關(guān)觸頭鍍銀層的質(zhì)量，DL/T 486—2010《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》、DL/T 486—2010《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》等標(biāo)準(zhǔn)從材質(zhì)和鍍銀層厚度方面進(jìn)行了規(guī)定；在耐磨性方面，則通過鍍銀層硬度來進(jìn)行考量[4]。國內(nèi)對隔離開關(guān)觸頭鍍銀的工藝主要有鍍純銀、鍍硬銀和石墨鍍銀3 種方式，鍍銀工藝的不同導(dǎo)致隔離開關(guān)觸頭鍍銀層在硬度方面也具有較大的差異[5]。國家電網(wǎng)有限公司高壓開關(guān)設(shè)備管理規(guī)范《交流高壓隔離開關(guān)和接地開關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對鍍銀層硬度提出了明確要求，規(guī)定了開關(guān)設(shè)備主觸頭鍍銀層維氏硬度應(yīng)不小于120 HV。

實踐中發(fā)現(xiàn)，受制于檢測技術(shù)條件，目前對主觸頭鍍銀層硬度的測量開展較少。由于對于不同厚度的鍍層，其測量方法具有不確定性，因此采取不同的測量參數(shù)將導(dǎo)致測試結(jié)果的偏差，影響結(jié)果的判定[6-7]。本文開展高壓隔離開關(guān)鍍層硬度檢測方法研究，以提高鍍層硬度檢測的可靠性和精確性，為高壓隔離開關(guān)觸頭入網(wǎng)質(zhì)量檢測提供技術(shù)支持，對保障電網(wǎng)安全運行具有重要意義。

1 試驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

1.1 鍍銀層硬度檢測原理及方法

根據(jù)GB/T 4340—2009《金屬材料維氏硬度試驗》，使用顯微維氏硬度計對鍍銀層的維氏硬度進(jìn)行測量[8]。維氏硬度檢測原理為采用一個相對面夾角為136°的正四棱椎體金剛石，以規(guī)定的加載力F 將其壓入試樣鍍銀層表面，如圖1 所示，經(jīng)保壓一定時間后，卸除加載力，測出壓痕表面積，計算出加載力F 與壓痕表面積S 的比值，其比值即為維氏硬度值：

式中：HV 為維氏硬度；S 為壓痕表面積；K 為常數(shù)，數(shù)值為0.102。

式中：d 為兩壓痕對角線長度d1和d2的算術(shù)平均值。

所以：

圖1 維氏硬度測量原理示意圖

其中，F(xiàn) 值的大小可根據(jù)鍍層厚度和預(yù)估硬度進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)GB/T 4340—2009 及ISO 6507—1:2018 規(guī)定，對鍍層硬度的測量，一般試驗力范圍為0.098～1.96 N，同時要確保鍍層厚度至少為壓痕對角線長度的1.5 倍。

1.2 試驗方案

本試驗采用經(jīng)過鍍銀處理的高壓隔離開關(guān)觸頭進(jìn)行試驗，觸頭母材為維氏硬度117 HV 的T2銅。為更加科學(xué)地檢測當(dāng)前電力市場上不同材質(zhì)、不同厚度的鍍層硬度性能，樣品鍍層分別選用維氏硬度98 HV 的純銀和146 HV 的硬銀，鍍層厚度5～30 μm。試驗前，首先對樣品制樣進(jìn)行處理，當(dāng)樣品表面經(jīng)顯微鏡檢查無劃痕、呈鏡面效果時，方可進(jìn)行試驗；接著采用Thick 800 A型X 射線熒光測厚儀對樣品鍍銀層厚度進(jìn)行測量；最后使用型號為HV1000 的顯微維氏硬度計對樣品進(jìn)行硬度檢測。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 試驗壓力對觸頭鍍銀層硬度的影響

圖2（a）為高壓隔離開關(guān)觸頭為鍍純銀層時，在不同加載力作用下的硬度曲線。由圖2（a）可知：當(dāng)鍍層材質(zhì)為純銀時，隨著加載力的不斷增加，其硬度呈上升趨勢；但當(dāng)鍍層厚度不一樣時，其硬度隨加載力的變化顯示出一定的差異性（當(dāng)加載力在0.098～0.245 N 階段時，其鍍層厚度為5 μm的樣品硬度增加速率高于鍍層厚度為25 μm 的樣品；而當(dāng)加載力從0.245 N 上升至0.49 N 階段時，鍍層厚度為25 μm 的樣品硬度上升速率高于鍍層厚度為5 μm 的樣品；當(dāng)加載力進(jìn)一步增加為0.49 N 時，鍍層硬度隨加載力的增加變得緩慢，呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢）。在相同加載力條件下，鍍層厚度較薄時，鍍層硬度試驗值較大。

圖2（b）為高壓隔離開關(guān)觸頭鍍層材質(zhì)為硬銀時，不同厚度鍍層樣品鍍層硬度隨加載力的變化曲線。由圖2（b）可知：當(dāng)高壓隔離開關(guān)觸頭鍍層材質(zhì)為硬銀時，其硬度變化趨勢與純銀相反，隨著加載力的不斷上升，鍍層硬度呈下降趨勢（當(dāng)加載力在0.098～0.245 N 階段時，其鍍層厚度為5 μm 的樣品硬度下降速率高于鍍層厚度為25 μm 的樣品；當(dāng)加載力從0.245 N 上升至0.49 N階段時，鍍層厚度為25 μm 的樣品硬度下降速率高于鍍層厚度為5 μm 的樣品；當(dāng)加載力進(jìn)一步增加、大于0.49 N 時，鍍層硬度的增加隨加載力的下降變得緩慢，呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢）。總體上，在相同加載力條件下，鍍層厚度較薄時，鍍層硬度試驗值更小，該結(jié)果與鍍層材質(zhì)為純銀時相反。

圖2 試驗參數(shù)對測試結(jié)果的影響

2.2 觸頭鍍銀層硬度測量差異性分析

由圖2 可知，鍍層硬度對鍍層類型、鍍層厚度及加載力表現(xiàn)出了強烈的依賴性。目前，采用硬度計對金屬材料硬度進(jìn)行測量，其原理為采用一定力作用于材料表面，使材料發(fā)生屈服變形，根據(jù)其屈服變形的尺寸來表征材料硬度屬性[9]。

高壓隔離開關(guān)觸頭鍍銀本質(zhì)上為雙層殼體金屬結(jié)構(gòu)，當(dāng)鍍層為純銀時，由于其本征屬性較軟，鍍層較銅基體更易發(fā)生變形；當(dāng)鍍層為硬銀時，由于其本征屬性較硬，鍍層較銅基體變形更難。當(dāng)采用較小的加載力對鍍層進(jìn)行加載時，其變形行為主要發(fā)生在鍍層，測試所得硬度能較好地體現(xiàn)其鍍層真實硬度，但由于其加載力過小，壓頭壓入鍍層深度較淺，鍍層變形程度較小，壓痕邊界不清晰，在對變形區(qū)測量的過程中，測量誤差較大，導(dǎo)致硬度值誤差較大[10]，不利于鍍層硬度的質(zhì)量管控；隨著加載力的不斷增加，鍍層變形程度加劇，但由于鍍層與基體材料本征屬性不同，導(dǎo)致鍍層與基體材料應(yīng)力、應(yīng)變不一致，產(chǎn)生“界面約束”效應(yīng)[11]，當(dāng)鍍層變形區(qū)域越靠近基體時，其影響越大，因此隨著加載力的不斷增加，其變形區(qū)域也逐漸增大，界面約束效應(yīng)也愈顯著，此時所測顯微維氏硬度為復(fù)合硬度，不能真實表示其鍍層硬度。受“界面約束”影響，當(dāng)鍍層材質(zhì)為純銀時，其顯微維氏硬度隨著加載力的增加而上升；當(dāng)鍍層材質(zhì)為硬銀時，其顯微維氏硬度隨加載力的增加而下降。同時，鍍層厚度越薄，其硬度變化受界面約束影響越大[12]，具體表現(xiàn)為：當(dāng)加載力由0.098 N 增加到0.245 N、鍍層厚度為5 μm 時，純銀、硬銀鍍層硬度變化率分別為8%和11%；鍍層厚度為25 μm 時，純銀、硬銀鍍層硬度變化率分別為3%和4%。隨著加載力的不斷增加，當(dāng)鍍層被完全擊穿時，壓頭直接壓在基體上，這時的硬度為基體硬度，且隨著加載力的增加而趨于穩(wěn)定值，不管鍍層是純銀還是硬銀，其顯微維氏硬度在115～125 HV；此時鍍層變形區(qū)域較大，其壓痕邊界清晰，沖擊變形區(qū)尺寸測量偏差較小，因此硬度值誤差也較小[13]。

2.3 超薄鍍銀層硬度測量

由2.1 小節(jié)研究可知，高壓隔離開關(guān)觸頭鍍銀層硬度的測量受鍍層厚度影響較大：當(dāng)鍍層厚度為5 μm 時，采用較小加載力極易導(dǎo)致測量誤差的擴(kuò)大化；而采用較大加載力測量時，易受基體材料的“界面約束”作用，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前，對于鍍層厚度小于10 μm 的樣品而言，其鍍層硬度的測量主要采用間接法[14-18]。本文采用JH（Jonsson-Hogmark）法對超薄鍍層硬度進(jìn)行了推算：

式中：Hf為鍍層硬度；Hc為薄鍍層硬度測量值；Hs為基體材料硬度；D 為壓痕深度；t 為鍍層厚度；C 為壓痕幾何形狀與界面特征相關(guān)的常數(shù)。當(dāng)薄膜比基體硬時，C=2sin211°；當(dāng)鍍層比基體軟時，C=2sin222°。

結(jié)合式（3）、式（4）可得：

根據(jù)式（5）間接測量法，采用1.96 N 較大載荷對鍍層厚度為5 μm 的高壓開關(guān)鍍銀層進(jìn)行硬度測量，所測鍍純銀硬度Hf為102 HV，鍍硬銀硬度Hf為141 HV。以上測試計算結(jié)果與材料本征硬度相比，其誤差分別為4.1%和3.4%。采用顯微維氏硬度計直接測量法和JH 間接測量法對鍍層厚度為5 μm 的高壓隔離開關(guān)鍍銀層硬度測量誤差進(jìn)行比較，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，就超薄型鍍銀層硬度測量精度而言，采用不同測量方法，其測量結(jié)果具有較大差異。采用顯微維氏硬度計直接測量時，其測量誤差隨著加載力的不同而不同：當(dāng)鍍層為純銀時，直接測量法的測量誤差在5.1%～9.2%，且始終大于JH 間接測量法測量誤差；但對于硬銀鍍層，當(dāng)加載力為0.49 N 時，直接測量法實測誤差小于JH 間接測量法；而選擇其他加載力時，其測量誤差大于JH 間接測量法。

表1 不同測量方法測量誤差

該結(jié)果表明，采用直接測量法再選擇合適的加載力會適當(dāng)降低測量誤差，但是在未知基體材料屬性的條件下，選擇合適的加載力存在一定的偶然性，不具備實際操作的可行性。對于超薄鍍銀層的硬度測量，當(dāng)采用JH 間接測量法進(jìn)行測量時，其測量結(jié)果誤差可控，克服了直接測量法低加載力誤差大、高加載力受基體“界面約束”效應(yīng)影響的缺點，能有效提高顯微維氏硬度測量精度，極具試驗室推廣價值。

當(dāng)前，基于國家電網(wǎng)有限公司對高壓隔離開關(guān)設(shè)備觸頭鍍銀層厚度分為不低于8 μm 和不低于20 μm 的要求，本文建議針對接近8 μm 厚度的鍍銀層采用間接測量法進(jìn)行測量；而對于厚度接近20 μm 厚度的鍍銀層建議采用JH 直接測量法進(jìn)行測量。在測試參數(shù)選擇方面，因為不同電鍍工藝對鍍層質(zhì)量影響較大，建議采用加載力從小到大的試探法進(jìn)行測量，一般可選擇硬度數(shù)值發(fā)生大幅變化的前一次測量值作為鍍層硬度實測值，但不建議超過0.98 N。

3 結(jié)語

高壓隔離開關(guān)觸頭的鍍銀層質(zhì)量是影響其電接觸性和可靠性的重要因素，鍍層不合格會導(dǎo)致觸頭早期失效，造成電網(wǎng)運行故障。本文通過對高壓隔離開關(guān)觸頭硬度進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，高壓隔離開關(guān)觸頭鍍銀層硬度檢測與其厚度、基體材質(zhì)屬性和測試加載力等參數(shù)有關(guān)。為精準(zhǔn)測量鍍銀層硬度，應(yīng)先準(zhǔn)確測量鍍層厚度，隨后針對不同的鍍層厚度選擇合適的加載力進(jìn)行檢測。而對于超薄型鍍銀層硬度的測量，JH 間接測量法較直接測量法具有更好的測量精度，可實現(xiàn)超薄鍍銀層硬度的精確測量，有助于高壓開關(guān)觸頭鍍銀層質(zhì)量的管控，提高電力物資入網(wǎng)質(zhì)量。