超級電容在變電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用
中小型終端變電站使用的蓄電池直流屏，維護(hù)工作量大，蓄電池壽命短，國產(chǎn)超級電容已能做到30f-180f.用它來*替代蓄電池不在是夢想。
[關(guān)鍵詞]直流屏，超級電容。
1、當(dāng)前變電站直流屏存在的問題
在我國110kv、35kv、10kv終端變電站，以及廠用6kv配電系統(tǒng)，廣泛采用了蓄電池直流屏和硅整流電容儲能直流屏、作為操作、控制以及保護(hù)的電源。幾十年來，較多的產(chǎn)品在運(yùn)行中存在以下問題：
1.1、鎘鎳蓄電池直流屏：
直流母線輸出220v時(shí)，一般由180只蓄電池組成。蓄電池在加工生產(chǎn)中不可能做到每只電池的充放電特性*一致，雖然生產(chǎn)廠家在出廠時(shí)進(jìn)行了匹配組合，到了用戶手中就沒有挑選的余地了。在使用中，用同一個(gè)充電電源，又向同一負(fù)荷放電，久而久之，個(gè)別電池由于特性差別越來越大，而影響整個(gè)裝置的性能。
鎘鎳蓄電池在運(yùn)行中，長期處于浮充狀態(tài)，充電機(jī)性能的好壞，直接影響電池的壽命。一般廠家承諾電池壽命大于10年，但在實(shí)際運(yùn)用中，往往只有3~5年。這是因?yàn)?，如果浮充電流過大，會使電解液中的水電解成氫和氧，這兩種氣體混合是危險(xiǎn)的爆炸氣體，如果通風(fēng)不良，有資料介紹，某無人值班變電站，曾發(fā)生直流屏爆炸的事故。
過充電還會使電池冒液。在電池外表及連接片上產(chǎn)生墨綠色氧化物，腐蝕構(gòu)件，降低絕緣，使自放電增加。過充還會產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，在負(fù)極板上生成氧化鎘，減少極板有效面積，容量減小，這就是俗稱的“記憶”效應(yīng)。為了保持電池的容量，每年需對蓄電池進(jìn)行1~2次的“活化”試驗(yàn)，試驗(yàn)必須按生產(chǎn)廠家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)制度進(jìn)行充放電，才能保證電池的有效率。作為使用維護(hù)者來說，是一個(gè)令人頭痛的事情。由于鎘鎳電池有較硬的放電特性曲線，放電量達(dá)到80時(shí)，電壓下降也不明顯。稍有疏忽，會造成電池過放電，出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)而報(bào)廢。由于直流屏是變電站設(shè)備中的重中之重，直接影響到變電站的安全運(yùn)行。在“安全工作重于泰山”的環(huán)境下，很多單位都將直流屏列入日常必檢項(xiàng)目進(jìn)行考核.
1.2、密封鉛酸蓄電池直流屏：
由于鎘鎳蓄電池維護(hù)量大，一種免維護(hù)密封鉛酸蓄電池，簡稱閥控蓄電池或vrla電池，開始得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)槭侨芊怆姵?，無須加水，這給維護(hù)帶來很多好處的同時(shí)，也給觀測和維護(hù)帶來困難。“免維護(hù)”這一名詞又給使用者帶來認(rèn)識上的誤區(qū)，導(dǎo)致使用者放松對蓄電池的日常維護(hù)管理。由于閥控蓄電池在我國問世只有十年左右，至今還沒有成熟的制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。去年在深圳召開的evc會議，匯集國內(nèi)蓄電池有關(guān)使用、制造的專家，總結(jié)了國內(nèi)閥控蓄電池的制造、運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)，達(dá)成如下共識：
(1).閥控蓄電池的壽命：
廠家說明書將蓄電池的壽命標(biāo)注為10、15、20年，是過分夸大了。無論進(jìn)口、國產(chǎn)電池，實(shí)際使用后都證實(shí)了這一點(diǎn)。因而在說明書上標(biāo)稱5年比較適當(dāng)；對于膠體蓄電池，如德國陽光、銀彬方可用十年以上。另外廠家說明書上標(biāo)注的壽命是有前提的，要在規(guī)定的運(yùn)行溫度，標(biāo)準(zhǔn)的充放電方式[包括負(fù)載大小]下運(yùn)行，實(shí)際上這些條件，只有在實(shí)驗(yàn)室才能達(dá)到。
(2).影響閥控蓄電池壽命主要有如下幾個(gè)因素：
a.閥控蓄電池壽命對溫度十分敏感
生產(chǎn)廠家要求電池運(yùn)行環(huán)境溫為15℃－25℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過25℃后，每升高10℃電池壽命就要縮短一半，例如：對5年期壽命的電池，當(dāng)環(huán)境溫度為35℃時(shí)，實(shí)際壽命只有2.5年，如果再升高10℃達(dá)到45℃時(shí)，其壽命只有約1.25年了。對于處在廣大的華中、華南地區(qū)來說，全年平均氣溫超過25℃的時(shí)間將長達(dá)3個(gè)多月，加上安裝閥控蓄電池的配電室，為防小動物入室，門窗都比較封閉，室內(nèi)溫度還要升高，對蓄電池的運(yùn)行極為不利。b.過度放電：蓄電池被過度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。這種情況主要發(fā)生在交流停電或充電模塊損壞后，蓄電池組為負(fù)載供電期間。當(dāng)蓄電池被過度放電到輸出電壓為零時(shí)，會導(dǎo)致電池內(nèi)部有大量的硫酸鉛被吸付到電池的陰極表面，形成電池陰極的“硫酸鹽化”。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，它的形成必將對電池的充、放電性能產(chǎn)生不好的影響。因此，在陰極板上形成的硫酸鹽越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的充、放電性能就越差，其使用壽命就越短。
(3).板柵的腐蝕與增長:.板柵腐蝕是影響蓄電池使用壽命的重要原因。在開路狀態(tài)下，鉛合金與活性二氧化鉛直接接觸，而且共同浸在硫酸溶液中，它們各自與溶液建立不同的平衡電極電位。正極柵板不斷溶解，特別是在過充電狀態(tài)下，正極由于析氧反應(yīng)，水被消耗，h 增加，從而導(dǎo)致正極附近酸度增高，反柵腐蝕加速，如果電池使用不當(dāng)，長期處于過充電狀態(tài)，那么電池的柵板就會變薄，容量降低，會縮短使用壽命。
(4).浮充電狀態(tài)對蓄電池使用壽命的影響：目前，蓄電池大多數(shù)都處于長期的浮充電狀態(tài)下，只充電，不放電，這種工作狀態(tài)極不合理。大量運(yùn)行統(tǒng)計(jì)資料表明，這樣會造成蓄電池的陽極極板鈍化，使蓄電池內(nèi)阻急劇增大，使蓄電池的實(shí)際容量(ah)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其標(biāo)準(zhǔn)容量，從而導(dǎo)致蓄電池所能提供的實(shí)際后備供電時(shí)間大大縮短，減少其使用壽命。
(5)失水：
蓄電池失水也是影響其使用壽命的因素之一，蓄電池失水會導(dǎo)致電解液比重增加，電池柵板的腐蝕，使蓄電池的活性物質(zhì)減少，從而使蓄電池的容量降低而導(dǎo)致其使用壽命減少。當(dāng)失水5.5％時(shí)，容量降到75％；失水達(dá)到25％時(shí)，容量基本消失。
1.3，電解電容儲能直流屏
二十世紀(jì)60-70年代，由于電解電容儲能直流系統(tǒng)，投資小，維護(hù)量小，在110kv以下小型變電站得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的運(yùn)行暴露出一個(gè)致命的缺陷：由于儲能電容的容量只有數(shù)千微法，事故分閘的可靠性差。在全國范圍內(nèi)造成多起事故。目前，這類直流系統(tǒng)面臨更新改造階段
2.超級電容用于直流屏的有關(guān)實(shí)驗(yàn)
針對以上直流屏存在的問題，能不能有一個(gè)更好的方案來解決？現(xiàn)在，由哈爾濱巨容新能源有限公司.“超級電容器”，容量達(dá)30f-180f.用它來*取代蓄電池,將成為事實(shí)
它是一種專門用于儲能的特種電容，實(shí)現(xiàn)了電容量由微法向法拉級的飛躍，是一種理想的大功率物理電源。它不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)，壽命長達(dá)10年以上，用它來代替老式電容儲能硅整流直流屏，和蓄電池將產(chǎn)生革命性的進(jìn)步。
為了將超級電容這一成果，在變、配電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用，作進(jìn)一步研究，特作了如下一些實(shí)驗(yàn)：
超級電容標(biāo)稱容量0.82f，耐壓280v，出廠編號0202027
2.1、用超級電容對斷路器合閘的試驗(yàn)：
實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：武漢市白沙洲水廠變電站615柜.高壓斷路器型號kyn—10—10ⅱ型
額定電壓：10kv，額定電流：1000a操作機(jī)構(gòu)型號cd—10ⅱ。合閘電壓直流220v，電流100a。
試驗(yàn)方法：模擬正常方式合閘，按下合閘接鈕，記錄合閘次數(shù)和電容端電壓，見下表：
合閘次數(shù)
電容端電壓v245240235230225220215210203197190
共合閘15次，每次都合閘成功，考慮到從第9次開始電容端電壓已降至額定電壓-10以下，可靠性變差，合閘速度變慢，剔除不算，因而可作如下結(jié)論：
電容充電至 10額定電壓時(shí)，可對cd—ⅱ型電磁機(jī)構(gòu)可靠合閘大于8次，每次合閘使電容端電壓下降5v。
2.2、超級電容充電時(shí)間測試：
超級電容的初充電，如不加限流電阻，相當(dāng)于發(fā)生短路。生產(chǎn)廠家推薦使用1000w碘鎢燈作限流電阻，其冷態(tài)電阻較熱態(tài)電阻小近10倍，符合電容電壓上升后宜減小限流電阻的要求。以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)均是串入1000w碘鎢燈實(shí)測的數(shù)據(jù)。
用變電站直流電源充電：
時(shí)間（秒）03045556080120180
充電電流(a)4.532.521.810.20.05

2.3、超級電容自放電測試
將超級電容充至242v后，與負(fù)載*脫離，隔日同一時(shí)間測量電容端電壓記錄如下:
時(shí)間6月24日6月25日6月26日6月27日6月28日
電容端電壓v260233212194178.6
δv/h1.120.880.740.645
注：δv/h為電容端電壓下降速度，用下降電壓變化量除以小時(shí)。
小節(jié)：端電壓下降速度與是否經(jīng)過浮充有關(guān)，未經(jīng)浮充開始幾個(gè)小時(shí)達(dá)2~3v/h，既每小時(shí)下降2~3v，經(jīng)過浮充半小時(shí)以后，自放電速度明顯變緩，可能是電容內(nèi)部電荷來不及分布均勻有關(guān)。在正常運(yùn)用時(shí)，超級電容處在長期浮充狀態(tài)，*斷開負(fù)載后可維持有效電壓達(dá)3天（72小時(shí)）。
4、帶經(jīng)常性負(fù)載的放電試驗(yàn)：
模擬當(dāng)電網(wǎng)失電后，由電容放電來維持直流母線電壓的試驗(yàn)。根據(jù)電力工程設(shè)計(jì)手冊中,關(guān)于直流系統(tǒng)控制母線電壓允許波動范圍為85~110vn，vn=220v時(shí)，電壓波動范圍為187v~242v。下面是母線電壓242v，電容放電至187v時(shí)，不同負(fù)載的維持時(shí)間的實(shí)測值。
容量30f的超級電容
經(jīng)常性負(fù)載（a）54321
維持母線電壓時(shí)間（分）11141827.54
小節(jié)：中小型變電站如將信號燈換成led節(jié)能燈后，控制母線電流一般小于2a，將保持30分鐘的跳合閘能力。在實(shí)際運(yùn)用中，將配備2只電容,一只為熱備用，另一只為冷備用.防止因雷擊,或電力系操作過電壓而造成的損壞.可將冷備用一套應(yīng)急投入.
2超級電容直流屏與蓄電池直流屏的性能對比
(1)、無任何種蓄電池都需要配置一套的，性能優(yōu)良的充放電裝置。這套裝置故障率相對較高，而用超級電容的直流屏可簡化這套裝置，降低了故障率，使成本下降。
(2)、蓄電池過充電、過放電都會縮短使用壽命，而超級電容不存在過充電、過放電的問題，只需限制zui高充電電壓就行了。
(3)、蓄電池有較大的維護(hù)量，即便是免維護(hù)蓄電池，同樣需要維護(hù)；而超級電容只需定期檢測其容量是否下降就行了，做到了真正意義上的免維護(hù)。
(4)、蓄電池一旦過放電，要恢復(fù)其容量得充電數(shù)小時(shí)；而超級電容恢復(fù)到額定電壓，僅需幾分鐘。單只電容合閘后端電壓下降5v，數(shù)秒鐘即可復(fù)原。
(5)、電網(wǎng)停電后，直流屏依靠蓄電池放電來維持直流母線電壓，電池組的能量畢竟有限。停電時(shí)間過長，會使電池的能量放完，如不加限制，必然會導(dǎo)致電池組電壓下降到終止電壓以下而受損，甚至無法再充電而報(bào)廢。而超級電容當(dāng)電網(wǎng)停電后，在帶有經(jīng)常性負(fù)荷的情況下仍可保證近千次的跳閘和數(shù)百次合閘。這一點(diǎn)對具有綜合重合閘裝置和備用電源自動投入裝置的中小型終端變電站足矣。
如果是母線短路，引起電網(wǎng)電壓過低，只要繼電保護(hù)能正確動作，在短短的幾秒鐘內(nèi)，更能可靠的跳閘，事故跳閘后，沒有必要維持一定時(shí)間的直流供電。當(dāng)事故處理完畢后，電網(wǎng)恢復(fù)供電，在幾分鐘內(nèi)，又具有分、合閘能力了。

3由超級電容組成的零維護(hù)直流屏簡介
為充分發(fā)揮超級電容的特點(diǎn)，而研制的新型直流屏，型號為：ped-wc01。該產(chǎn)品定位于110kv、35kv、10kv的中小型未端變電站以及企業(yè)內(nèi)部的6kv配電系統(tǒng)，要求經(jīng)常性負(fù)荷小于的場所。
該產(chǎn)品性價(jià)比較高，采用了當(dāng)今zui流行的新技術(shù)，選用日本tdk或abb公司生產(chǎn)的高頻開關(guān)整流模塊。集成了電壓控制、電流控制，以及過程控制于一體，實(shí)現(xiàn)對電容恒流充電，達(dá)到額定電壓后，自動轉(zhuǎn)為恒壓控制。，實(shí)現(xiàn)無人值成套系統(tǒng)配置了plc 觸摸屏方式，并配有四遙接口，使維護(hù)工作量降至zui低，價(jià)格在同檔次的直流屏中也是zui低的。它是理想的變電站直流屏更新?lián)Q代班的產(chǎn)品