电触点 新型电触头让断路器运行更可靠！

随着UHV交流/DC输电工程建设的稳步推进，UHV输变电技术相关研究成果日益丰硕，为建设中国特色国际领先的能源互联网企业提供了强有力的科技支撑。随着电网的快速发展，短路电流问题逐渐成为制约电网负荷增长和发展的突出因素，电力系统急需高压大容量开关柜。

高压大功率断路器的分断能力直接决定了输变电线路长期运行的安全性和可靠性。自2016年以来，依托国家电网有限公司、全球能源互联网研究院有限公司、高萍集团有限公司等多项科技项目，经过5年的科研攻关，成功研发出新型高性能石墨烯改性电触头产品。这对解决短路超标问题，保障交流/DC UHV混合电网安全稳定运行具有重要意义。

针对关键需求的断路器材料升级研究

据相关统计，2020年夏季用电高峰期间，国家电网和南方电网运行区域部分变电站最大短路电流达到甚至超过63 kA。据国家电网公司统计，近年来，按设备类型划分，气体绝缘开关设备和混合配电设备约占27.5%，断路器约占16.5%，变压器和电流互感器约占13.8%，二次设备和母线约占8.3%，电抗器约占4.6%，可见，GIS、断路器、变压器和电流互感器是引起故障跳闸的最主要设备，占总跳闸的71.6%。

故障原因分析表明，触头、套管等零件的质量问题和安装工艺不良是导致断路器故障的主要因素。六氟化硫断路器在多次运行过程中，浪涌电流烧蚀数倍于额定电流，动、静电弧触头间机械磨损，会引起触头变形，产生金属蒸汽，破坏灭弧室的绝缘性能。

“十四五”期间，青海省计划扩建2座500千伏变电站，将短路电流负荷由现有的63 kA提高到80 kA。如果对断路器材料进行升级，可以直接实现变电站扩容，节省扩建变电站的巨额成本。高压大容量断路器的分断次数主要由断路器中电触头的使用寿命控制。目前，我国高压断路器电触头的发展主要是基于铜钨合金材料的技术路线。国产铜钨合金电触头产品在抗电弧烧蚀性和抗摩擦磨损性方面均不能满足超高压工程的应用要求。一旦超过使用寿命范围使用，容易再次击穿，直接威胁电力设备的绝缘性能，对电网安全运行造成极大隐患。目前的铜钨合金电触头产品柔韧性和延伸率较低，在运行过程中容易失效和断裂，抗烧蚀能力不足。电弧烧蚀过程中铜容易聚集生长，导致触头开裂失效。因此，有效提高电触头材料的耐磨性、导电性、耐焊接性、耐电弧侵蚀性等关键性能指标，对于降低断路器故障率，维护电网安全稳定运行具有重要意义。

高压石墨烯改性电触头的批量制备

材料研究所所长陈新说:“短路电流超过断路器分断能力的问题，严重影响了电网运行的可靠性，对断路器的分断能力和触头的耐烧蚀性提出了更高的要求。主动触头多次满负荷分合闸后，烧弧严重，必须进行全面检修，远远不能满足六氟化硫断路器实际工程寿命周期的免维护要求。”他说，触头的冲蚀主要来自两个方面:一是闭合前击穿前电弧的烧蚀，二是烧蚀后电弧触头材料软化后的机械磨损。有必要提出新的技术路线，有效提高电接触材料的关键性能指标。“技术需要不断优化和创新。我们必须把主动权牢牢掌握在自己手中。”陈新说。

面对国家输变电设备用高压断路器核心部件电触头材料升级换代的迫切需求，从2016年开始，联合研究院电气新材料研究所、欧洲研究所、高萍集团联合开展新型石墨烯改性铜基电触头材料的技术研究，依托欧洲研究所与英国曼彻斯特大学的国际合作，助力高压断路器性能提升。

团队合作解决了许多技术问题

协同提高抗电弧烧蚀性和抗摩擦磨损性是批量生产高性能电触头的关键问题。国外对高压电触头材料的研究起步较早，技术也相对成熟，但核心技术却对中国实行了封锁。项目团队依托公司多项科技项目，与海外R&D能力、工业集团型式试验验证、省级电力公司应用示范等合作，形成了一支以80后科技骨干为主体的年轻科技攻关团队。

团队骨干成员扎根于材料机理和制备技术研发阶段的研发一线；在试生产阶段，进驻厂家现场解决技术难题，最终突破了材料性能、成分、组织结构与制备工艺之间平衡关系的难点，实现了材料性能改善关键技术的突破；型式试验阶段，他留在高萍集团高压试验站，多次与高萍集团技术中心、高压站R&D团队进行研讨，反复调试，最终实现了高压大电流断路器分断能力的质的飞跃。

高压石墨烯改性电触头的批量制备

经过不断努力，研究团队成功获得了高性能石墨烯增强铜基复合电触头材料配方体系，突破了石墨烯电触头材料定向设计工艺和活化、烧结、渗透一体化成型的关键技术，实现了多模型石墨烯改性电触头的工业级制备。团队首次研制出252 kV及以上六氟化硫断路器用石墨烯改性Cu-W合金电触头，导电率、抗弯强度等关键性能指标均优于现有产品，大大提高了现有高压断路器的电气寿命，填补了石墨烯改性高压开关电触头材料领域的技术空空白，提升了公司大电流大容量开关电触头的自主研发水平，助力保障电力系统安全可靠运行。

项目成果支持断路器的自主设计和国内应用

2020年10月29日至31日，根据联合研究院与高萍集团多次讨论后制定的最优验证方案，基于该电触头的高萍集团新型开柱式252 kV /63 kA六氟化硫断路器成功实现20次一次全分断能力。高萍集团总工程师钟建英表示:“根据项目验收专家组意见，项目整体技术达到国际先进水平，主要技术指标达到国际领先水平。只有在核心技术上取得突破，才能更好地帮助企业控制成本，保证关键材料的供应。今后，我们将继续加强系统工程研究，推动科研成果产业化转化。”

这一成果有力支持了高萍集团252千伏额定短路分断电流63 kA、额定电流6300 A的瓷柱断路器的自主设计、研制和国产化应用。252千伏/63 kA柱式断路器市场需求大，覆盖面广。该型断路器的成功研制，对进一步开拓国内断路器的国内外市场起到了至关重要的作用，有利于提高公司在高端开关柜领域的R&D实力和技术水平，具有良好的社会效益和经济效益。

我国高压电触头市场需求每年约30万套，年市场销售总额接近15亿元。新型高压电触头材料在电网未来发展中具有广阔的市场前景。目前，项目成果已与高萍、凯西、泰凯等高压开关企业达成合作改造意向，为超高压输变电领域的示范应用和大规模推广奠定了基础。项目组将继续聚焦能源电力科技前沿，不断加强创新实践，持续推进高端电气设备核心材料自主研发和国内应用。

——摘自电网头条