钱锡颖，金坤鹏，李 杨，江 熠，金从友

（1.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江 宁波 315000；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

高压隔离开关是发电厂和送配电系统中重要的开关电器，其在户外工作时会直接暴露在雨淋、雷电、沙尘和腐蚀性气体等恶劣环境中[1-2]。高压隔离开关触头是隔离开关的核心构件，承担着转接、隔离、接通和分断等任务，其质量的好坏对整个电力系统的运行具有重要影响。目前，高压隔离开关触头多采用纯铜基体，为克服其易腐蚀和易磨损等缺陷，往往会对其进行表面防护处理[3]。

目前，我国各高压隔离开关制造厂家一般采用镀银技术来防止触头氧化，提高接触面的导电率和使用寿命。对于高压隔离开关触头镀银层的质量，DL/T 486—2010《高压交流隔离开关和接地开关》、DL/T 486—2010《高压交流隔离开关和接地开关》等标准从材质和镀银层厚度方面进行了规定；在耐磨性方面，则通过镀银层硬度来进行考量[4]。国内对隔离开关触头镀银的工艺主要有镀纯银、镀硬银和石墨镀银3 种方式，镀银工艺的不同导致隔离开关触头镀银层在硬度方面也具有较大的差异[5]。国家电网有限公司高压开关设备管理规范《交流高压隔离开关和接地开关技术标准》对镀银层硬度提出了明确要求，规定了开关设备主触头镀银层维氏硬度应不小于120 HV。

实践中发现，受制于检测技术条件，目前对主触头镀银层硬度的测量开展较少。由于对于不同厚度的镀层，其测量方法具有不确定性，因此采取不同的测量参数将导致测试结果的偏差，影响结果的判定[6-7]。本文开展高压隔离开关镀层硬度检测方法研究，以提高镀层硬度检测的可靠性和精确性，为高压隔离开关触头入网质量检测提供技术支持，对保障电网安全运行具有重要意义。

1 试验模型构建

1.1 镀银层硬度检测原理及方法

根据GB/T 4340—2009《金属材料维氏硬度试验》，使用显微维氏硬度计对镀银层的维氏硬度进行测量[8]。维氏硬度检测原理为采用一个相对面夹角为136°的正四棱椎体金刚石，以规定的加载力F 将其压入试样镀银层表面，如图1 所示，经保压一定时间后，卸除加载力，测出压痕表面积，计算出加载力F 与压痕表面积S 的比值，其比值即为维氏硬度值：

式中：HV 为维氏硬度；S 为压痕表面积；K 为常数，数值为0.102。

式中：d 为两压痕对角线长度d1和d2的算术平均值。

所以：

图1 维氏硬度测量原理示意图

其中，F 值的大小可根据镀层厚度和预估硬度进行调整。根据GB/T 4340—2009 及ISO 6507—1:2018 规定，对镀层硬度的测量，一般试验力范围为0.098～1.96 N，同时要确保镀层厚度至少为压痕对角线长度的1.5 倍。

1.2 试验方案

本试验采用经过镀银处理的高压隔离开关触头进行试验，触头母材为维氏硬度117 HV 的T2铜。为更加科学地检测当前电力市场上不同材质、不同厚度的镀层硬度性能，样品镀层分别选用维氏硬度98 HV 的纯银和146 HV 的硬银，镀层厚度5～30 μm。试验前，首先对样品制样进行处理，当样品表面经显微镜检查无划痕、呈镜面效果时，方可进行试验；接着采用Thick 800 A型X 射线荧光测厚仪对样品镀银层厚度进行测量；最后使用型号为HV1000 的显微维氏硬度计对样品进行硬度检测。

2 试验结果及讨论

2.1 试验压力对触头镀银层硬度的影响

图2（a）为高压隔离开关触头为镀纯银层时，在不同加载力作用下的硬度曲线。由图2（a）可知：当镀层材质为纯银时，随着加载力的不断增加，其硬度呈上升趋势；但当镀层厚度不一样时，其硬度随加载力的变化显示出一定的差异性（当加载力在0.098～0.245 N 阶段时，其镀层厚度为5 μm的样品硬度增加速率高于镀层厚度为25 μm 的样品；而当加载力从0.245 N 上升至0.49 N 阶段时，镀层厚度为25 μm 的样品硬度上升速率高于镀层厚度为5 μm 的样品；当加载力进一步增加为0.49 N 时，镀层硬度随加载力的增加变得缓慢，呈现出稳定趋势）。在相同加载力条件下，镀层厚度较薄时，镀层硬度试验值较大。

图2（b）为高压隔离开关触头镀层材质为硬银时，不同厚度镀层样品镀层硬度随加载力的变化曲线。由图2（b）可知：当高压隔离开关触头镀层材质为硬银时，其硬度变化趋势与纯银相反，随着加载力的不断上升，镀层硬度呈下降趋势（当加载力在0.098～0.245 N 阶段时，其镀层厚度为5 μm 的样品硬度下降速率高于镀层厚度为25 μm 的样品；当加载力从0.245 N 上升至0.49 N阶段时，镀层厚度为25 μm 的样品硬度下降速率高于镀层厚度为5 μm 的样品；当加载力进一步增加、大于0.49 N 时，镀层硬度的增加随加载力的下降变得缓慢，呈现出稳定趋势）。总体上，在相同加载力条件下，镀层厚度较薄时，镀层硬度试验值更小，该结果与镀层材质为纯银时相反。

图2 试验参数对测试结果的影响

2.2 触头镀银层硬度测量差异性分析

由图2 可知，镀层硬度对镀层类型、镀层厚度及加载力表现出了强烈的依赖性。目前，采用硬度计对金属材料硬度进行测量，其原理为采用一定力作用于材料表面，使材料发生屈服变形，根据其屈服变形的尺寸来表征材料硬度属性[9]。

高压隔离开关触头镀银本质上为双层壳体金属结构，当镀层为纯银时，由于其本征属性较软，镀层较铜基体更易发生变形；当镀层为硬银时，由于其本征属性较硬，镀层较铜基体变形更难。当采用较小的加载力对镀层进行加载时，其变形行为主要发生在镀层，测试所得硬度能较好地体现其镀层真实硬度，但由于其加载力过小，压头压入镀层深度较浅，镀层变形程度较小，压痕边界不清晰，在对变形区测量的过程中，测量误差较大，导致硬度值误差较大[10]，不利于镀层硬度的质量管控；随着加载力的不断增加，镀层变形程度加剧，但由于镀层与基体材料本征属性不同，导致镀层与基体材料应力、应变不一致，产生“界面约束”效应[11]，当镀层变形区域越靠近基体时，其影响越大，因此随着加载力的不断增加，其变形区域也逐渐增大，界面约束效应也愈显著，此时所测显微维氏硬度为复合硬度，不能真实表示其镀层硬度。受“界面约束”影响，当镀层材质为纯银时，其显微维氏硬度随着加载力的增加而上升；当镀层材质为硬银时，其显微维氏硬度随加载力的增加而下降。同时，镀层厚度越薄，其硬度变化受界面约束影响越大[12]，具体表现为：当加载力由0.098 N 增加到0.245 N、镀层厚度为5 μm 时，纯银、硬银镀层硬度变化率分别为8%和11%；镀层厚度为25 μm 时，纯银、硬银镀层硬度变化率分别为3%和4%。随着加载力的不断增加，当镀层被完全击穿时，压头直接压在基体上，这时的硬度为基体硬度，且随着加载力的增加而趋于稳定值，不管镀层是纯银还是硬银，其显微维氏硬度在115～125 HV；此时镀层变形区域较大，其压痕边界清晰，冲击变形区尺寸测量偏差较小，因此硬度值误差也较小[13]。

2.3 超薄镀银层硬度测量

由2.1 小节研究可知，高压隔离开关触头镀银层硬度的测量受镀层厚度影响较大：当镀层厚度为5 μm 时，采用较小加载力极易导致测量误差的扩大化；而采用较大加载力测量时，易受基体材料的“界面约束”作用，影响测量结果的准确性。目前，对于镀层厚度小于10 μm 的样品而言，其镀层硬度的测量主要采用间接法[14-18]。本文采用JH（Jonsson-Hogmark）法对超薄镀层硬度进行了推算：

式中：Hf为镀层硬度；Hc为薄镀层硬度测量值；Hs为基体材料硬度；D 为压痕深度；t 为镀层厚度；C 为压痕几何形状与界面特征相关的常数。当薄膜比基体硬时，C=2sin211°；当镀层比基体软时，C=2sin222°。

结合式（3）、式（4）可得：

根据式（5）间接测量法，采用1.96 N 较大载荷对镀层厚度为5 μm 的高压开关镀银层进行硬度测量，所测镀纯银硬度Hf为102 HV，镀硬银硬度Hf为141 HV。以上测试计算结果与材料本征硬度相比，其误差分别为4.1%和3.4%。采用显微维氏硬度计直接测量法和JH 间接测量法对镀层厚度为5 μm 的高压隔离开关镀银层硬度测量误差进行比较，结果如表1 所示。由表1 可知，就超薄型镀银层硬度测量精度而言，采用不同测量方法，其测量结果具有较大差异。采用显微维氏硬度计直接测量时，其测量误差随着加载力的不同而不同：当镀层为纯银时，直接测量法的测量误差在5.1%～9.2%，且始终大于JH 间接测量法测量误差；但对于硬银镀层，当加载力为0.49 N 时，直接测量法实测误差小于JH 间接测量法；而选择其他加载力时，其测量误差大于JH 间接测量法。

表1 不同测量方法测量误差

该结果表明，采用直接测量法再选择合适的加载力会适当降低测量误差，但是在未知基体材料属性的条件下，选择合适的加载力存在一定的偶然性，不具备实际操作的可行性。对于超薄镀银层的硬度测量，当采用JH 间接测量法进行测量时，其测量结果误差可控，克服了直接测量法低加载力误差大、高加载力受基体“界面约束”效应影响的缺点，能有效提高显微维氏硬度测量精度，极具试验室推广价值。

当前，基于国家电网有限公司对高压隔离开关设备触头镀银层厚度分为不低于8 μm 和不低于20 μm 的要求，本文建议针对接近8 μm 厚度的镀银层采用间接测量法进行测量；而对于厚度接近20 μm 厚度的镀银层建议采用JH 直接测量法进行测量。在测试参数选择方面，因为不同电镀工艺对镀层质量影响较大，建议采用加载力从小到大的试探法进行测量，一般可选择硬度数值发生大幅变化的前一次测量值作为镀层硬度实测值，但不建议超过0.98 N。

3 结语

高压隔离开关触头的镀银层质量是影响其电接触性和可靠性的重要因素，镀层不合格会导致触头早期失效，造成电网运行故障。本文通过对高压隔离开关触头硬度进行检测发现，高压隔离开关触头镀银层硬度检测与其厚度、基体材质属性和测试加载力等参数有关。为精准测量镀银层硬度，应先准确测量镀层厚度，随后针对不同的镀层厚度选择合适的加载力进行检测。而对于超薄型镀银层硬度的测量，JH 间接测量法较直接测量法具有更好的测量精度，可实现超薄镀银层硬度的精确测量，有助于高压开关触头镀银层质量的管控，提高电力物资入网质量。