联研院研发的石墨烯改性电触头 有望大幅降低大容量断路器故障率

随着特高压交直流输电工程建设的稳步推进，特高压输变电技术相关研究成果日益丰硕，为建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业提供了坚强科技支撑。随着电网的快速发展，短路电流问题已逐渐成为制约电网负荷增长和电网发展的突出因素，电力系统对高压大容量开关设备需求迫切。

高压大功率断路器的分断能力直接决定着输变电线路长期服役的安全可靠性。2016年至今，依托多项国家电网有限公司科技项目，全球能源互联网研究院有限公司联合平高集团有限公司历经5年科研攻关，成功研发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、保障交直流超特高压混合电网的安全稳定运行具有重要意义。

瞄准重点需求开展断路器材料升级研究

据相关统计数据，2020年夏季用电高峰期间，国家电网、南方电网经营区部分变电站最大短路电流达到甚至超过63千安。据国家电网公司统计，近年来公司经营区330千伏及以上超、特高压变电设备发生的故障中，按设备类型分类，气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）、混合式配电装置（HGIS）引起的故障跳闸约占27.5%，断路器占16.5%，变压器和电流互感器各占13.8%，二次设备和母线各占8.3%，电抗器占4.6%，避雷器占3.7%，隔离开关和避雷针各占1.8%。可以看出，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，占总体跳闸的71.6%。

故障原因分析表明，触头、套管等零部件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操作过程中，高于额定电流数倍的涌流烧蚀以及动、静弧触头间的机械磨损，会造成触头变形并产生金属蒸汽，损害灭弧室的绝缘性能。

“十四五”期间，青海省计划对两个500千伏变电站扩容，将短路电流负荷从现有的63千安提升至80千安。如果断路器材料实现升级，可直接实现变电站容量扩容，省下扩建变电站的巨额成本。高压大容量断路器的开断次数主要受制于断路器中的电触头寿命。当前我国使用的高压断路器电触头研制主要基于铜钨合金材料技术路线。国产铜钨合金电触头产品在抗电弧烧蚀性和抗摩擦磨损方面无法满足超、特高压工程应用需求，一旦超出寿命范围使用，极易发生重击穿，直接威胁电力设备的绝缘性能，对电网安全运行造成较大隐患。现役铜钨合金电触头产品柔韧性及延伸率较低，动作过程中易失效断裂，同时耐烧蚀性能不足。电弧烧蚀过程中铜容易聚集长大，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、抗熔焊性、抗电弧侵蚀性等关键性能指标，对降低断路器故障率、维护电网安全稳定运行具有重要意义。

联研院材料所所长陈新说：“当前电网短路电流超过断路器遮断容量时产生的短路电流超标问题，严重影响了电网运行可靠性，对断路器的开断能力及触头的耐烧蚀能力提出了更高要求。现役触头多次满容量开断后电弧烧损严重，必须进行全面维护，远不能满足六氟化硫断路器实际工程全寿命周期内免维护的要求。”他表示，触头的侵蚀主要源于两个方面：一是关合前预击穿电弧的烧蚀，二是烧蚀后弧触头材料变软后的机械磨损。必须提出新的技术路线，有效地提高电触头材料的关键性能指标。“技术是需要不断优化创新的，我们要把主动权牢牢掌握在自己手里。”陈新说。

面对国家输变电装备对高压断路器核心部件电触头材料升级的迫切需求，从2016年起，联研院电工新材料研究所、欧洲院联合平高集团等单位共同开展新型石墨烯改性铜基电触头材料技术攻关，并依托欧洲院与英国曼彻斯特大学开展国际合作，助力提升高压断路器性能。

团队协同攻关破解多项技术难题

抗电弧烧蚀性能和耐摩擦磨损性能协同提高是批量化制备高性能电触头的关键问题。国外研究高压电触头材料起步较早，技术比较成熟，但核心技术对我国实施封锁。项目组依托多项公司科技项目，协同海外研发能力、产业集团型式试验验证以及各省级电力公司应用论证，组建了一支以“80”后科技骨干为主的青年科技攻坚团队。

团队骨干成员在材料机理及制备工艺研发阶段，扎根在研发一线；在生产试制阶段，驻守生产厂家，现场解决技术难题，最终突破了材料性质、成分、组织结构和制备工艺之间平衡关系的难点，取得了材料性能提升关键技术的突破；在型式试验阶段，常驻平高集团高压试验站，与平高集团技术中心及高压站研发团队多次讨论，反复调试，终于实现高压大电流断路器电寿命开断能力质的飞跃。

在持续努力下，攻关团队成功获取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与活化烧结溶渗一体化成型关键技术，实现了多型号石墨烯改性电触头工业级制备。团队首次研制出面向252千伏及以上六氟化硫断路器用石墨烯改性铜钨合金电触头，导电率、抗弯强度等关键性能指标全面优于现役产品，大幅提升了现役高压断路器的电寿命，填补了石墨烯改性高压开关电触头材料领域的技术空白，提升了公司高通流大容量开关电触头的自主研发水平，助力保障电力系统的安全可靠运行。

项目成果支撑断路器自主设计与国产化应用

2020年10月29～31日，按照联研院与平高集团经过多次研讨制订的最优验证方案，基于该电触头的平高集团新型敞开柱式252千伏/63千安六氟化硫断路器成功实现一次性满遮断容量开断20次。对此成果，平高集团总工程师钟建英说：“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。只有核心技术取得突破，才能更好地帮助企业控制成本、保障关键材料供应，今后我们要继续加强系统工程化研究，促进科研成果产业转化。”

该成果有力支撑了平高集团额定短路开断电流63千安、额定电流6300安培的252千伏瓷柱式断路器的自主设计开发与国产化应用。252千伏/63千安柱式断路器市场需求大、覆盖区域广。该型号断路器的成功研制，对进一步开拓国产断路器的国内外市场起着至关重要的作用，有利于提升公司在高端开关设备领域的研发实力和技术水平，具有良好的社会和经济效益。

我国高压电触头的市场需求约为每年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未来电网发展中具有广阔的市场前景。目前，项目成果已与平高、西开、泰开等高压开关企业达成合作与转化意向，为后续在超、特高压输变电领域的示范应用与大规模推广奠定了基础。项目组将继续围绕能源电力科技前沿，不断加强创新实践，持续推进高端电工装备用核心材料的自主研发和国产化应用。