高压开关设备镀银缺陷分析

胡加瑞 *，刘纯，谢亿，牟申周

（1.湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙 410007；2.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南 长沙 410007）

目前高压开关的触头基本上都镀银，主要采用Ag-Sb合金(Sb含量1.7% ～ 3.0%)以改进触头的导电性，减小表面的接触电阻[1]。触头镀银层的质量将直接影响设备的载流量和使用寿命，触头镀银效果不好，会直接导致触头接触电阻大、触头发热、触头加速氧化等。触头镀银层的厚度、硬度以及附着力不足也将造成因镀银层过早剥落、露铜而发热。对高压开关而言，其触头镀银层的质量是关键指标，直接影响高压隔离开关的可靠性和运行寿命。随着电力建设的快速发展，目前一些高压开关厂家对触银工艺的管理仍较为粗放，或触头为外购件，加之对触头缺乏有效的检测手段，因触头失效而导致的开关发热或跳闸事故时有发生。本文结合高压开关触头镀银的失效案例，对其失效原因进行分析，为触头的设计、监造以及检修提供一定的参考。

1 断路器典型的金属失效形式

1. 1 镀层剥落

某220 kV GIS气体绝缘金属封闭开关设备现场安装过程中发现间隔本体至出线套管连接(运输解体)部分，绝缘盘导体连接面(运输包装侧)镀银层起泡脱落，绝缘盘的基体材质为铝。图 1为绝缘盘的宏观照片，剥落位置遍布整个镀银层，严重区域可见明显的大块镀银层脱落，脱落后显示为黑灰色。

图1 镀银层剥落及起泡Figure 1 Peeling and blistering of silver coating

对样品进行常规金相处理并超声清洗后，在扫描电子显微镜(SEM)下观察微观组织形貌和进行能谱(EDS)分析。图2为镀层脱落位置的金相图和EDS谱图。银层脱落后，基体呈黑色，表面分布一些白色块体，能谱分析表明这些黑色及白色块体均为Al2O3，由于基体氧化程度不同，而造成衬度的差异。

图3为镀银层未脱落部位的SEM照片，表1为对应部位的EDS谱图分析结果。从图3可知镀银层表面有较多的白色块状物，且其尺寸较大，约为150 μm。结合能谱分析结果可知，这些白色物质都以氧化铝为主，主要因为镀前打磨时氧化膜未被彻底处理掉。另外，基体上存在较多的黑色点状物，可能是由工艺不当所致，这些颗粒与基体间存在一定的界面孔隙，将成为潮湿空气入侵基体的通道。

图2 镀银层剥落处的金相图和EDS谱图Figure 2 Metallograph and EDS spectrum for peeling area of silver coating

图3 镀银层表面凸起的氧化物及点状缺陷Figure 3 Raised oxide and spot defects on silver coating surface

表1 镀银层表面缺陷的成分Table 1 Composition of defects on surface of silver coating

图4为镀层与基体的截面形貌照片。从图4可清楚地看到，整个截面由基体、富Cu层以及银层构成。结合厚度测量可知局部区域富 Cu层与银层的总厚度约为10 μm，其中富Cu层约为2 μm，银层约为8 μm。观察镀层的多个部位发现，脱落位置全部在基体与富Cu层之间，而非在银层与过渡铜层之间。

图4 镀层与基体开裂Figure 4 Crack between coating and substrate

铝及铝合金属于两性金属，在酸碱溶液中都不稳定，并且与氧有较高的亲和力，表面易形成天然氧化膜，阻止镀层与基底之间的结合[2]。基体与镀层间结合力差的原因为镀前处理过程中未彻底去除氧化膜。因此，铝及铝合金电镀的关键是在镀前彻底去除其表面的天然氧化膜。

金属零件的镀前处理是能否获得优质镀层的重要环节。生产实践表明，镀层出现脱壳、起泡甚至不上镀等质量事故大多数并非由电镀工艺本身造成，而是镀前处理不当所致，所以镀前处理对镀层质量起着至关重要的作用。金属表面附着的各种污物(如防锈油、润滑油、手汗污染以及毛刺、尘粒、粉末、氧化膜等)是阻碍电解液与金属表面直接接触的中间夹层，会使零件表面产生介电、钝态、电阻大等不良状况，使镀层结合力降低。正常情况下镀银层较为致密，孔隙较少，由外界氧分子入侵导致基体Al氧化的可能性较小。但当镀层表面有一定颗粒状物质存在或起泡时，其表面将会出现一些裂痕和缺陷，在一定程度上为氧的入侵提供了通道，致使氧化加速。

1. 2 硫化发黑

在某220 kV变电站基建过程中发现，10 kV中置柜梅花触头导电杆表面发黑，对该梅花触头进行外观检查，发现其动静导电杆对接镀银层面存在黑色薄层，约占周长的25%，且部分位置有露铜现象，如图5所示。对导电杆黑色区域进行金相组织分析，发现黑色区域的厚度约为201 μm，如图6所示。

图5 导电杆发黑区域Figure 5 Blackened area of conducting rod

图6 导电杆发黑区域金相组织Figure 6 Metallographic structure of blackened area of conducting rod

图7为导电杆发黑区域的截面形貌和EDS谱图。从图 7可以看出，发黑处存在大量颗粒状物质。能谱分析表明，该区域含有大量的S、O、Cl等非金属元素。

图7 导电杆发黑区域SEM照片和元素成分Figure 7 SEM image and elemental composition of blackened area of conducting rod

通常情况下，镀银层对H2S和SO2等含硫化合物特别敏感，当大气中或溶液中含有约百万分之几的H2S或约十几万分之几的 SO2时，镀银层即发生变色。随反应进行，镀层表面逐渐由亮白色向深灰色及黑色变化。黑色产物主要为β-Ag2S和Ag2SO3，其反应如下：

Ag2S及 Ag2SO3的生成会造成导电杆的接触电阻升高，若发黑区域较厚，可能使设备的可靠性下降。镀银过程中接触硫化物的可能性较小，发黑的起因应为电镀银之后的包装工艺不严格，使导电杆的端部与大气接触，当空气中含有较多的H2S和SO2时，镀银层便发生硫化。因此，包装时应在触头处涂覆惰性物质，防止其氧化。

1. 3 表面露铜

某220 kV变电站10 kV开关柜在耐压试验中不合格，现场对该开关柜进行解体检查，发现梅花触指及导电杆均有大量的露铜现象，如图 8所示。采用显微维氏硬度计测得导电杆镀银层的显微硬度为96 HV。根据DL/T 486-2010《高压交流隔离开关和接地开关》技术标准规定，导电回路主触头的镀银层显微硬度不应小于120 HV。开关设备的触头在运行时需要具备自洁功能，即触头接触闭合时可通过摩擦来进行表面自清洁。因此，为防止触头表面镀银层在摩擦过程中过度剥落或减薄，避免其在规定的开合闸次数内失效，镀银层必须有足够的硬度和耐磨性。

图8 触指露铜Figure 8 Exposed copper of conducting pole

该开关设备的镀银层硬度较低，导致其耐磨性能和附着力较差，镀银层与基体铜之间经过例行试验的摩擦之后脱落。目前国内部分厂家高压开关的触头为电镀银-锑合金层，甚至为电镀纯银层。这2种镀层的综合性能有限，已满足不了高压开关对电接触部位镀银层性能的要求。国外厂商多采用纳米粉体复合镀银工艺，以提高镀银层的耐磨性和自磨(自润滑)性等，所用纳米粉体主要有纳米氧化铝粉体、纳米石墨粉体以及复混的纳米粉体。当镀层厚度为18 μm时，其显微硬度可达 350 HV，中性盐雾试验达 GB/T 10125-1997规定的10级，在9 kg压力下工件装机实际耐磨2 500次左右。

2 结论及建议

(1) 电镀银过程中工艺参数不合格是高压开关触头失效的主要原因。镀前处理欠佳会使镀层发生剥落，镀后包装不当可能导致镀银层硫化，而不合格的中间工艺会导致镀银层硬度偏低，耐磨性能变差。因此，生产中的任一环节都与镀银层的质量密切相关。

(2) 高压开关生产厂家需提高技术，加强质量管理，严格把控各个环节，避免不合格产品出厂。另外，电网建设和运维单位应加强设备的入网检测和基建阶段验收工作，将关口前移，最大限度地避免不合格设备投运。

[1] 屠振密. 电镀合金原理与工艺[M]. 北京： 国防工业出版社, 1995： 386.

[2] 胡传. 表面处理技术手册[M]. 北京： 北京工业大学出版社, 1997.