手持式X射線熒光光譜儀在高壓隔離開關觸頭鍍銀層腐蝕故障分析中的應用

摘要：針對一起110kV隔離開關觸頭的腐蝕故障，采用手持式X射線熒光光譜儀分析故障隔離開關觸頭鍍層的化學成分，發現廠家使用銀氧化錫(Ag-SnO2)鍍層代替鍍銀層。分析認為在工業含硫大氣環境中，Ag-SnO2鍍層中的銀被SO2、H2S等硫化物腐蝕，銅基體在潮濕環境下腐蝕生成Cu2(OH)2CO3，從而導致隔離開關觸頭導電回路的接觸電阻升高，引發過熱故障。針對此次故障，提出了解決措施和建議。

 

 

 

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

高壓隔離開關是電力系統中使用多、應用廣的一次設備。由于高壓隔離開關多在戶外運行，長期受風吹、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，因此各部件會發生不同程度的腐蝕[1-2]。高壓隔離開關觸頭是關鍵部件，承擔著轉接、隔離、接通、分斷等任務，其工作狀態的好壞直接影響整個電力系統的運行[3]。高壓隔離開關觸頭的基體為純銅，但純銅易被腐蝕，會造成表面接觸電阻升高，引發過熱故障，影響開關設備和電網的安全穩定運行[4-6]。為了減小接觸電阻，DL/T 486–2010《高壓交流隔離開關和接地開關》、DL/T 1424–2015《電網金屬技術監督規程》和《國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施(2018年修訂版)及編制說明》[7]中明確規定：隔離開關觸頭表面必須鍍銀，且鍍銀層厚度不小于20 μm，以獲得較低的接觸電阻，從而保證良好的導電性。然而，在實際運行中，很多廠家生產的高壓隔離開關產品會出現觸頭腐蝕、變色發黑、發熱等故障，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家電網公司開展的金屬專項技術監督檢測隔離開關觸頭鍍銀層厚度而發現[8]。

 

近期，四川電網在金屬技術監督中發現一起高壓隔離開關觸頭腐蝕案例，鍍銀層厚度檢測結果合格，但在采用手持式X射線熒光光譜儀分析鍍層化學成分時發現，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現，非常隱蔽，很容易因未進行鍍層成分分析而誤判合格，嚴重威脅電網的安全運行，希望引起各運維單位注意。
                                   

1    高壓隔離開關觸頭的腐蝕故障

某110 kV變電站于1991年投運，當地大氣污穢等級為E級，大氣類型為工業污染。周邊潮濕多雨，化工、煤炭、玻璃等重工業污染企業密集，空氣中SO2、H2S等硫化物濃度較高，大氣的腐蝕性較強。2013年更換隔離開關觸頭，防腐措施為銅鍍銀。2017年站內巡檢發現某110 kV隔離開關觸頭腐蝕嚴重，動、靜觸頭接觸面大部分呈綠色，少部分呈黑色(見圖1)。紅外測溫發現該隔離開關觸頭存在過熱故障，若繼續運行，可能會造成隔離開關燒毀，甚至大面積停電等惡性事故，運維單位國網瀘州供電公司緊急安排停運該隔離開關，并與國網四川電科院聯合開展故障分析。

 

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、可同時進行多元素分析、無損檢測等優點，被廣泛應用于元素分析和化學分析領域[9]。其原理[9-12]為：由激發源產生高能量X射線照射被測樣品，樣品表面元素內層電子被擊出后，軌道形成空穴，外層高能電子自發向內層空穴躍遷，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有關。檢測器測量這些二次X射線的能量及數量或波長，儀器軟件將收集到的信號轉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射線管作為激發源，由檢測器轉動的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，將其分開并進行檢測，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，激發源使用的X射線管功率較低，且使用半導體探測器，避開了復雜的分光晶體結構，因此儀器工作穩定，體積小，便攜性高，價格也較低，能夠在數秒內準確、無損地獲得檢測結果，被廣泛應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，可以攜帶至變電站現場，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。

 

3    現場檢測結果

3. 1    鍍層化學成分分析

使用XL2 800手持式X射線熒光光譜儀對110 kV隔離開關觸頭不同顏色區域的鍍層和銅基體進行分析，結果見表1。銀白色區域中Ag、Cu和Sn的質量分數分別為91.48%、1.83%和5.71%。Cu是隔離開關觸頭的基體成分，查閱文獻[14]可知，該銀錫比例是第二相SnO2顆粒彌散分布于銀基質層中的Ag–SnO2金屬基復合材料，不符合DL/T 486-2010、DL/T 1424–2015和《國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施(2018年修訂版)及編制說明》中隔離開關觸頭應鍍銀的要求。黑色區域的Ag含量低至75.33%，Cu含量和Sn含量則較高，這是因為Ag-SnO2鍍層中的Ag與空氣中的SO2、H2S等含硫化合物反應生成黑色的腐蝕產物β-Ag2S和Ag2SO3。隨著腐蝕反應的進行，Ag-SnO2鍍層表面逐漸由銀白色轉變為深灰色及黑色。綠色區域的Cu質量分數已升至82.31%，Sn的質量分數則與灰色區域相近，而Ag已檢測不到，表明Ag-SnO2鍍層中銀的腐蝕產物發黑并脫落后，鍍層中分散的SnO2無法保護銅基體，使得銅在潮濕環境下與空氣中的O2、CO2和H2O反應生成綠色的堿式碳酸銅Cu2(OH)2CO3(俗稱銅綠)。將綠色區域打磨后分析銅基體發現其中含99.72% Cu和0.15% Sn，說明該隔離開關觸頭的基體材質為純銅，檢出的少量錫來源于殘余的鍍層。

 

表1  110 kV隔離開關觸頭鍍層上不同顏色區域及銅基體的元素成分分析結果

 

 

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隔離開關觸頭的鍍銀層厚度，結果顯示銀白色、黑色和綠色區域的鍍銀層厚度分別為23.953、16.885和0.000 μm。這說明隨腐蝕反應的進行，鍍層逐漸被消耗，直至*損失。DL/T 486–2010、DL/T 1424–2015和《國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施(2018年修訂版)及編制說明》中明確規定隔離開關觸頭的鍍銀層厚度不應小于20 μm。為節約成本，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現。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現，隱蔽性較強。Ag-SnO2鍍層觸頭因為電導率較純銀低，主要用于繼電器、低壓開關等低壓電器。若用于高壓隔離開關，在大電流下很容易發熱，存在嚴重安全隱患。

 

4    結語和建議

針對一起110 kV隔離開關觸頭腐蝕故障，使用手持式X射線熒光光譜儀分析觸頭的鍍層成分，發現廠家使用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，導致導電回路接觸電阻升高，引發過熱故障，是造成該故障的主要原因。為保證此類故障不再發生，應采取以下措施：

(1)高度重視在役高壓隔離開關觸頭表面鍍銀層的腐蝕發黑、發綠現象，發黑說明鍍銀層已被腐蝕，發綠說明鍍銀層已被腐蝕完，腐蝕延伸到銅基體，會導致隔離開關觸頭的接觸電阻升高，易引發隔離開關過熱、燒毀、全站失壓等安全事故，應盡快安排停電，及時更換失效的高壓隔離開關觸頭。

(2)聯系生產廠家，將同批次產品全部更換為合格產品，以消除安全隱患。

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

 

參考文獻：

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