超級電容在變電站直流系統中的應用
中小型終端變電站使用的蓄電池直流屏，維護工作量大，蓄電池壽命短，國產(chǎn)超級電容已能做到30f-180f.用它來(lái)*替代蓄電池不在是夢(mèng)想。
[關(guān)鍵詞]直流屏，超級電容。
1、當前變電站直流屏存在的問(wèn)題
在我國110kv、35kv、10kv終端變電站，以及廠(chǎng)用6kv配電系統，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、控制以及保護的電源。幾十年來(lái)，較多的產(chǎn)品在運行中存在以下問(wèn)題：
1.1、鎘鎳蓄電池直流屏：
直流母線(xiàn)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(chǎng)家在出廠(chǎng)時(shí)進(jìn)行了匹配組合，到了用戶(hù)手中就沒(méi)有挑選的余地了。在使用中，用同一個(gè)充電電源，又向同一負荷放電，久而久之，個(gè)別電池由于特性差別越來(lái)越大，而影響整個(gè)裝置的性能。
鎘鎳蓄電池在運行中，長(cháng)期處于浮充狀態(tài)，充電機性能的好壞，直接影響電池的壽命。一般廠(chǎng)家承諾電池壽命大于10年，但在實(shí)際運用中，往往只有3~5年。這是因為，如果浮充電流過(guò)大，會(huì )使電解液中的水電解成氫和氧，這兩種氣體混合是危險的爆炸氣體，如果通風(fēng)不良，有資料介紹，某無(wú)人值班變電站，曾發(fā)生直流屏爆炸的事故。
過(guò)充電還會(huì )使電池冒液。在電池外表及連接片上產(chǎn)生墨綠色氧化物，腐蝕構件，降低絕緣，使自放電增加。過(guò)充還會(huì )產(chǎn)生氧化還原反應，在負極板上生成氧化鎘，減少極板有效面積，容量減小，這就是俗稱(chēng)的“記憶”效應。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，試驗必須按生產(chǎn)廠(chǎng)家規定的標準制度進(jìn)行充放電，才能保證電池的有效率。作為使用維護者來(lái)說(shuō)，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(xiàn)，放電量達到80時(shí)，電壓下降也不明顯。稍有疏忽，會(huì )造成電池過(guò)放電，出現極性反轉而報廢。由于直流屏是變電站設備中的重中之重，直接影響到變電站的安全運行。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量大，一種免維護密封鉛酸蓄電池，簡(jiǎn)稱(chēng)閥控蓄電池或vrla電池，開(kāi)始得到廣泛應用。因為是全密封電池，無(wú)須加水，這給維護帶來(lái)很多好處的同時(shí)，也給觀(guān)測和維護帶來(lái)困難。“免維護”這一名詞又給使用者帶來(lái)認識上的誤區，導致使用者放松對蓄電池的日常維護管理。由于閥控蓄電池在我國問(wèn)世只有十年左右，至今還沒(méi)有成熟的制造、運行經(jīng)驗。去年在深圳召開(kāi)的evc會(huì )議，匯集國內蓄電池有關(guān)使用、制造的專(zhuān)家，總結了國內閥控蓄電池的制造、運行方面的經(jīng)驗，達成如下共識：
(1).閥控蓄電池的壽命：
廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)將蓄電池的壽命標注為10、15、20年，是過(guò)分夸大了。無(wú)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(shuō)明書(shū)上標稱(chēng)5年比較適當；對于膠體蓄電池，如德國陽(yáng)光、銀彬方可用十年以上。另外廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)上標注的壽命是有前提的，要在規定的運行溫度，標準的充放電方式[包括負載大小]下運行，實(shí)際上這些條件，只有在實(shí)驗室才能達到。
(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(chǎng)家要求電池運行環(huán)境溫為15℃－25℃，當環(huán)境溫度超過(guò)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、華南地區來(lái)說(shuō)，全年平均氣溫超過(guò)25℃的時(shí)間將長(cháng)達3個(gè)多月，加上安裝閥控蓄電池的配電室，為防小動(dòng)物入室，門(mén)窗都比較封閉，室內溫度還要升高，對蓄電池的運行極為不利。b.過(guò)度放電：蓄電池被過(guò)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，蓄電池組為負載供電期間。當蓄電池被過(guò)度放電到輸出電壓為零時(shí)，會(huì )導致電池內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(cháng):.板柵腐蝕是影響蓄電池使用壽命的重要原因。在開(kāi)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(guò)充電狀態(tài)下，正極由于析氧反應，水被消耗，h 增加，從而導致正極附近酸度增高，反柵腐蝕加速，如果電池使用不當，長(cháng)期處于過(guò)充電狀態(tài)，那么電池的柵板就會(huì )變薄，容量降低，會(huì )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，蓄電池大多數都處于長(cháng)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。大量運行統計資料表明，這樣會(huì )造成蓄電池的陽(yáng)極極板鈍化，使蓄電池內阻急劇增大，使蓄電池的實(shí)際容量(ah)遠遠低于其標準容量，從而導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(huì )導致電解液比重增加，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致其使用壽命減少。當失水5.5％時(shí)，容量降到75％；失水達到25％時(shí)，容量基本消失。
1.3，電解電容儲能直流屏
二十世紀60-70年代，由于電解電容儲能直流系統，投資小，維護量小，在110kv以下小型變電站得到廣泛的應用。經(jīng)過(guò)多年的運行暴露出一個(gè)致命的缺陷：由于儲能電容的容量只有數千微法，事故分閘的可靠性差。在全國范圍內造成多起事故。目前，這類(lèi)直流系統面臨更新改造階段
2.超級電容用于直流屏的有關(guān)實(shí)驗
針對以上直流屏存在的問(wèn)題，能不能有一個(gè)更好的方案來(lái)解決？現在，由哈爾濱巨容新能源有限公司.“超級電容器”，容量達30f-180f.用它來(lái)*取代蓄電池,將成為事實(shí)
它是一種專(zhuān)門(mén)用于儲能的特種電容，實(shí)現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。它不需要任何維護和保養，壽命長(cháng)達10年以上，用它來(lái)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、配電站直流系統中的應用，作進(jìn)一步研究，特作了如下一些實(shí)驗：
超級電容標稱(chēng)容量0.82f，耐壓280v，出廠(chǎng)編號0202027
2.1、用超級電容對斷路器合閘的試驗：
實(shí)驗地點(diǎn)：武漢市白沙洲水廠(chǎng)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操作機構型號cd—10ⅱ。合閘電壓直流220v，電流100a。
試驗方法：模擬正常方式合閘，按下合閘接鈕，記錄合閘次數和電容端電壓，見(jiàn)下表：
合閘次數
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(kāi)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，因而可作如下結論：
電容充電至 10額定電壓時(shí)，可對cd—ⅱ型電磁機構可靠合閘大于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，相當于發(fā)生短路。生產(chǎn)廠(chǎng)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。以下試驗數據均是串入1000w碘鎢燈實(shí)測的數據。
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：端電壓下降速度與是否經(jīng)過(guò)浮充有關(guān)，未經(jīng)浮充開(kāi)始幾個(gè)小時(shí)達2~3v/h，既每小時(shí)下降2~3v，經(jīng)過(guò)浮充半小時(shí)以后，自放電速度明顯變緩，可能是電容內部電荷來(lái)不及分布均勻有關(guān)。在正常運用時(shí)，超級電容處在長(cháng)期浮充狀態(tài)，*斷開(kāi)負載后可維持有效電壓達3天（72小時(shí)）。
4、帶經(jīng)常性負載的放電試驗：
模擬當電網(wǎng)失電后，由電容放電來(lái)維持直流母線(xiàn)電壓的試驗。根據電力工程設計手冊中,關(guān)于直流系統控制母線(xiàn)電壓允許波動(dòng)范圍為85~110vn，vn=220v時(shí)，電壓波動(dòng)范圍為187v~242v。下面是母線(xiàn)電壓242v，電容放電至187v時(shí)，不同負載的維持時(shí)間的實(shí)測值。
容量30f的超級電容
經(jīng)常性負載（a）54321
維持母線(xiàn)電壓時(shí)間（分）11141827.54
小節：中小型變電站如將信號燈換成led節能燈后，控制母線(xiàn)電流一般小于2a，將保持30分鐘的跳合閘能力。在實(shí)際運用中，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(guò)電壓而造成的損壞.可將冷備用一套應急投入.
2超級電容直流屏與蓄電池直流屏的性能對比
(1)、無(wú)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(jiǎn)化這套裝置，降低了故障率，使成本下降。
(2)、蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電都會(huì )縮短使用壽命，而超級電容不存在過(guò)充電、過(guò)放電的問(wèn)題，只需限制zui高充電電壓就行了。
(3)、蓄電池有較大的維護量，即便是免維護蓄電池，同樣需要維護；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。
(4)、蓄電池一旦過(guò)放電，要恢復其容量得充電數小時(shí)；而超級電容恢復到額定電壓，僅需幾分鐘。單只電容合閘后端電壓下降5v，數秒鐘即可復原。
(5)、電網(wǎng)停電后，直流屏依靠蓄電池放電來(lái)維持直流母線(xiàn)電壓，電池組的能量畢竟有限。停電時(shí)間過(guò)長(cháng)，會(huì )使電池的能量放完，如不加限制，必然會(huì )導致電池組電壓下降到終止電壓以下而受損，甚至無(wú)法再充電而報廢。而超級電容當電網(wǎng)停電后，在帶有經(jīng)常性負荷的情況下仍可保證近千次的跳閘和數百次合閘。這一點(diǎn)對具有綜合重合閘裝置和備用電源自動(dòng)投入裝置的中小型終端變電站足矣。
如果是母線(xiàn)短路，引起電網(wǎng)電壓過(guò)低，只要繼電保護能正確動(dòng)作，在短短的幾秒鐘內，更能可靠的跳閘，事故跳閘后，沒(méi)有必要維持一定時(shí)間的直流供電。當事故處理完畢后，電網(wǎng)恢復供電，在幾分鐘內，又具有分、合閘能力了。

3由超級電容組成的零維護直流屏簡(jiǎn)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)內部的6kv配電系統，要求經(jīng)常性負荷小于的場(chǎng)所。
該產(chǎn)品性?xún)r(jià)比較高，采用了當今zui流行的新技術(shù)，選用日本tdk或abb公司生產(chǎn)的高頻開(kāi)關(guān)整流模塊。集成了電壓控制、電流控制，以及過(guò)程控制于一體，實(shí)現對電容恒流充電，達到額定電壓后，自動(dòng)轉為恒壓控制。，實(shí)現無(wú)人值成套系統配置了plc 觸摸屏方式，并配有四遙接口，使維護工作量降至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