隨著特高壓交直流輸電工程建設的穩步推進，特高壓輸變電技術相關研究成果日益豐碩，為建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業提供了堅強科技支撐。隨著電網的快速發展，短路電流問題已逐漸成為制約電網負荷增長和電網發展的突出因素，電力系統對高壓大容量開關設備需求迫切。
高壓大功率斷路器的分斷能力直接決定著輸變電線路長期服役的安全可靠性。2016年至今，依托多項國家電網有限公司科技項目，全球能源互聯網研究院有限公司聯合平高集團有限公司歷經5年科研攻關，成功研發新型高性能石墨烯改性電觸頭產品。這對解決短路超標問題、保障交直流超特高壓混合電網的安全穩定運行具有重要意義。
瞄準重點需求開展斷路器材料升級研究
據相關統計數據，2020年夏季用電高峰期間，國家電網、南方電網經營區部分變電站zhui大短路電流達到甚至超過63千安。據國家電網公司統計，近年來公司經營區330千伏及以上超、特高壓變電設備發生的故障中，按設備類型分類，氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）、混合式配電裝置（HGIS）引起的故障跳閘約占27.5%，斷路器占16.5%，變壓器和電流互感器各占13.8%，二次設備和母線各占8.3%，電抗器占4.6%，避雷器占3.7%，隔離開關和避雷針各占1.8%。可以看出，GIS、斷路器、變壓器和電流互感器是引起故障跳閘的最主要設備，占總體跳閘的71.6%。
故障原因分析表明，觸頭、套管等零部件質量問題和安裝工藝不良是導致斷路器故障的主要因素。六氟化硫斷路器在多次操作過程中，高于額定電流數倍的涌流燒蝕以及動、靜弧觸頭間的機械磨損，會造成觸頭變形并產生金屬蒸汽，損害滅弧室的絕緣性能。
“十四五”期間，青海省計劃對兩個500千伏變電站擴容，將短路電流負荷從現有的63千安提升至80千安。如果斷路器材料實現升級，可直接實現變電站容量擴容，省下擴建變電站的巨額成本。高壓大容量斷路器的開斷次數主要受制于斷路器中的電觸頭壽命。當前我國使用的高壓斷路器電觸頭研制主要基于銅鎢合金材料技術路線。國產銅鎢合金電觸頭產品在抗電弧燒蝕性和抗摩擦磨損方面無法滿足超、特高壓工程應用需求，一旦超出壽命范圍使用，極易發生重擊穿，直接威脅電力設備的絕緣性能，對電網安全運行造成較大隱患。現役銅鎢合金電觸頭產品柔韌性及延伸率較低，動作過程中易失效斷裂，同時耐燒蝕性能不足。電弧燒蝕過程中銅容易聚集長大，導致觸頭開裂失效。因此，有效提高電觸頭材料的耐磨性、導電性、抗熔焊性、抗電弧侵蝕性等關鍵性能指標，對降低斷路器故障率、維護電網安全穩定運行具有重要意義。
聯研院材料所所長陳新說：“當前電網短路電流超過斷路器遮斷容量時產生的短路電流超標問題，嚴重影響了電網運行可靠性，對斷路器的開斷能力及觸頭的耐燒蝕能力提出了更高要求。現役觸頭多次滿容量開斷后電弧燒損嚴重，必須進行quan面維護，遠不能滿足六氟化硫斷路器實際工程全壽命周期內免維護的要求。”他表示，觸頭的侵蝕主要源于兩個方面：一是關合前預擊穿電弧的燒蝕，二是燒蝕后弧觸頭材料變軟后的機械磨損。必須提出新的技術路線，有效地提高電觸頭材料的關鍵性能指標。“技術是需要不斷優化創新的，我們要把主動權牢牢掌握在自己手里。”陳新說。
面對國家輸變電裝備對高壓斷路器核心部件電觸頭材料升級的迫切需求，從2016年起，聯研院電工新材料研究所、歐洲院聯合平高集團等單位共同開展新型石墨烯改性銅基電觸頭材料技術攻關，并依托歐洲院與英國曼徹斯特大學開展國際合作，助力提升高壓斷路器性能。
團隊協同攻關破解多項技術難題
抗電弧燒蝕性能和耐摩擦磨損性能協同提高是批量化制備高性能電觸頭的關鍵問題。國外研究高壓電觸頭材料起步較早，技術比較成熟，但核心技術對我國實施封鎖。項目組依托多項公司科技項目，協同海外研發能力、產業集團型式試驗驗證以及各省級電力公司應用論證，組建了一支以“80”后科技骨干為主的青年科技攻堅團隊。
團隊骨干成員在材料機理及制備工藝研發階段，扎根在研發一線；在生產試制階段，駐守生產廠家，現場解決技術難題，最終突破了材料性質、成分、組織結構和制備工藝之間平衡關系的難點，取得了材料性能提升關鍵技術的突破；在型式試驗階段，常駐平高集團高壓試驗站，與平高集團技術中心及高壓站研發團隊多次討論，反復調試，終于實現高壓大電流斷路器電壽命開斷能力質的飛躍。
在持續努力下，攻關團隊成功獲取了高性能石墨烯增強銅基復合電觸頭材料配方體系，突破了石墨烯電觸頭材料定向設計工藝與活化燒結溶滲一體化成型關鍵技術，實現了多型號石墨烯改性電觸頭工業級制備。團隊shou次研制出面向252千伏及以上六氟化硫斷路器用石墨烯改性銅鎢合金電觸頭，導電率、抗彎強度等關鍵性能指標全面優于現役產品，大幅提升了現役高壓斷路器的電壽命，填補了石墨烯改性高壓開關電觸頭材料領域的技術空白，提升了公司高通流大容量開關電觸頭的自主研發水平，助力保障電力系統的安全可靠運行。
項目成果支撐斷路器自主設計與國產化應用
2020年10月29～31日，按照聯研院與平高集團經過多次研討制訂的zhui優驗證方案，基于該電觸頭的平高集團新型敞開柱式252千伏/63千安六氟化硫斷路器成功實現一次性滿遮斷容量開斷20次。對此成果，平高集團總工程師鐘建英說：“根據項目驗收zhuan家組意見，項目整體技術達到國際先進水平，主要技術指標達到國際領先水平。只有核心技術取得突破，才能更好地幫助企業控制成本、保障關鍵材料供應，今后我們要繼續加強系統工程化研究，促進科研成果產業轉化。”
該成果有力支撐了平高集團額定短路開斷電流63千安、額定電流6300安培的252千伏瓷柱式斷路器的自主設計開發與國產化應用。252千伏/63千安柱式斷路器市場需求大、覆蓋區域廣。該型號斷路器的成功研制，對進一步開拓國產斷路器的國內外市場起著至關重要的作用，有利于提升公司在高端開關設備領域的研發實力和技術水平，具有良好的社會和經濟效益。
我國高壓電觸頭的市場需求約為每年30萬套， 年市場銷售總額接近15億元。新型高壓電觸頭材料在未來電網發展中具有廣闊的市場前景。目前，項目成果已與平高、西開、泰開等高壓開關企業達成合作與轉化意向，為后續在超、特高壓輸變電領域的示范應用與大規模推廣奠定了基礎。項目組將繼續圍繞能源電力科技前沿，不斷加強創新實踐，持續推進高端電工裝備用核心材料的自主研發和國產化應用。