變電站直流系統存在的問題及解決的辦法

摘要：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，如采用超級電容替代蓄電池將具有革命性的進步。

關鍵字：直流屏超級電容一、當前變電站站直流屏存在在的問題

在我國110KV、35KV、10KV終端變電站站，以及廠用用6KV配電系統，廣廣泛采用了蓄蓄電池直流屏屏和硅整流電電容儲能直流流屏作為操作作、控制以及及保護的電源源。幾十年來來，較多的產產品在運行中中存在以下問問題：

1、鎘鎳蓄電電池直流屏：：

直流母母線輸出220V時，一般由180只蓄電池組組成。蓄電池池在加工生產產中不可能做做到每只電池池的充放電特特性完全一致致，雖然生產產廠家在出廠廠時進行了匹匹配組合，到到了用戶手中中就沒有挑選選的余地了。在在使用中，用用同一個充電電電源，又向向同一負荷放放電，久而久久之，個別電電池由于特性性差別越來越越大，而影響響整個裝置的的性能。

鎘鎳蓄電池池在運行中，長長期處于浮充充狀態，充電電機性能的好好壞，直接影影響電池的壽壽命。一般廠廠家承諾電池池壽命大于10年，但在實實際運用中，往往往只有3~5年。這是因因為，如果浮浮充電流過大大，會使電解解液中的水電電解成氫和氧氧，這兩種氣氣體混合是危危險的爆炸氣氣體，如果通通風不良，有有資料介紹，某某無人值班變變電站，曾發發生直流屏爆爆炸的事故（電電世界2000年12期）。

過過充電還會使使電池冒液。在在電池外表及及連接片上產產生墨綠色氧氧化物，腐蝕蝕構件，降低低絕緣，使自自放電增加。

過充還還會產生氧化化還原反應，在在負極板上生生成氧化鎘，減減少極板有效效面積，容量量減小，這就就是俗稱的"記憶"效應。為了了保持電池的的容量，每年年需對蓄電池池進行1~2次的"活化"試驗，試驗驗必須按生產產廠家規定的的標準制度進進行充放電，才才能保證電池池的有效率。作作為使用維護護者來說，是是一個令人頭頭痛的事情。由由于鎘鎳電池池有較硬的放放電特性曲線線，放電量達達到80%時，電壓下下降也不明顯顯。稍有疏忽忽，會造成電電池過放電，出出現極性反轉轉而報廢。由由于直流屏是是變電站設備備中的重中之之重，直接影影響到變電站站的安全運行行。在"安全工作重重于泰山"的環境下，很很多單位都將將直流屏列入入日常必檢項項目進行考核核。每日對180只（220V）電池進行行補液，測量量每只端電壓壓，作記錄，確確實是一項既既枯燥、又煩煩鎖的事。如如電池全部安安裝在柜內，還還具有一定的的危險。2、密封鉛酸蓄蓄電池直流屏屏：

由于于鎘鎳蓄電池池維護量大，一一種免維護密密封鉛酸蓄電電池，簡稱閥閥控蓄電池或或VRLA電池，開始始得到廣泛應應用。因為是是全密封電池池，無須加水水，這給維護護帶來很多好好處的同時，也也給觀測和維維護帶來困難難。"免維護"這一名詞又又給使用者帶帶來認識上的的誤區，導致致使用者放松松對蓄電池的的日常維護管管理。由于閥控控蓄電池在我我國問世只有有十年左右，至至今還沒有成成熟的制造、運運行經驗。去去年在深圳召召開的EVC會議，匯集集國內蓄電池池有關使用、制制造的專家，總總結了國內閥閥控蓄電池的的制造、運行行方面的經驗驗，達成如下下一共識：

2.1、閥控蓄電電池的壽命：：

廠家說說明書將蓄電電池的壽命標標注為10、15、20年，是過分分夸大了。無無論進口、國國產電池，實實際使用后都都證實了這一一點。因而在在說明書上標標稱5年比較適當當；對于膠體體蓄電池，如如德國陽光、銀銀彬方可用十十年以上。另另外廠家說明明書上標注的的壽命是有前前提的，要在在規定的運行行溫度，標準準的充放電方方式[包括負載大大小]下運行，實實際上這些條條件，只有在在實驗室才能能達到。

2.2、影響閾控控蓄電池壽命命主要有如下下幾個因素：：

A－閥控蓄電電池壽命對溫溫度十分敏感感生產廠家要要求電池運行行環境溫為15℃－25℃，當環境溫溫度超過25℃后，每升高10℃電池壽命就就要縮短一半半，

例如如：對5年期壽命的的電池，當環環境溫度為35℃時，實際壽壽命只有2.5年，如果再再升高10℃達到45℃時，其壽命命只有約1.25年了。對于于處在廣大的的華中、華南南地區來說，全全年平均氣溫溫超過25℃的時間將長長達3個多月，加加上安裝閾控控蓄電池的配配電室，為防防小動物入室室，門窗都比比較封閉，室室內溫度還要要升高，對蓄蓄電池的運行行極為不利。

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。當蓄電池被過度放電到輸出電壓為零時，會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。

C-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，長期處于過充電狀態，那么電池的柵板就會變薄，容量降低，會縮短使用壽命。

D-浮充電狀態對蓄電池使用壽命的影響：

目前，蓄電池大多數都處于長期的浮充電狀態下，只充電，不放電，這種工作狀態極不合理。大量運行統計資料表明，這樣會造成蓄電池的陽極極板鈍化，使蓄電池內阻急劇增大，使蓄電池的實際容量(Ah)遠遠低于其標準容量，從而導致蓄電池所能提供的實際后備供電時間大大縮短，減少其使用壽命。

E-失水：

蓄電池失水也是影響其使用壽命的因素之一，蓄電池失水會導致電解液比重增加，電池柵板的腐蝕，使蓄電池的活性物質減少，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，容量降到75％；失水達到25％時，容量基本消失。3、電解電容儲儲能直流屏

二十世紀紀60-70年代，由于于電解電容儲儲能直流系統統，投資小，維維護量小，在在110KV以下小型變變電站得到廣廣泛的應用。經經過多年的運運行暴露出一一個致命的缺缺陷：由于儲儲能電容的容容量只有數千千微法，事故故分閘的可靠靠性差。在全全國范圍內造造成多起事故故。目前，這這類直流系統統面臨更新改改造階段。

二二、解決辦法法

針對以以上直流屏存存在的問題，能能不能有一個個更好的方案案來解決？現現在，由北京京金正平科技技有限公司開開發出來的"超級電容器"，給人們解解決直流屏存存在的問題帶帶來了曙光。

它是一種專門用于儲能的特種電容，實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，壽命長達10年以上，用它來代替老式電容儲能硅整流直流屏，和蓄電池將產生革命性的進步。

該產品在世界上僅有美、日、俄少數國家才能生產。我國的技術水平接近俄羅斯，價格只是俄產的三分之一，并獲得國家專利和1999年全國技術發明博覽會金獎，填補了可進行大電流快速充放電的空白。推廣該產品將會帶來巨大的經濟效益，引發相關應用領域的一次技術進步。

三、超級電容用于直流屏的有關實驗

武漢海山電子儀器公司為了將超級電容這一成果，在變、配電站直流系統中的應用，作進一步研究，特作了如下一些實驗：

超級電容標稱容量0.82F，耐壓280V，出廠編號0202027

1、用超級電容對斷路器合閘的試驗：

時間：2002年4月25日，10:30~11:00

地點：武漢市白沙洲水廠變電站615柜

參加人：彭德明、蔣義、汪維敏

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：

1.1、斷開615柜合閘電源；

1.2、將已充電的超級電容兩出線端并接在合閘接觸器觸頭上；

1.3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，見下表：合閘次數0123456789101112131415電容端電壓v245240235230225220215210203197190185175170163155共合閘155次，每次都都合閘成功，考考慮到從第9次開始電容容端電壓已降降至額定電壓壓-10%以下，可靠靠性變差，合合閘速度變慢慢，剔除不算算，因而可作作如下結論：：

電容充充電至+10%額定電壓時時，可對CD-Ⅱ型電磁機構構可靠合閘大大于8次，每次合合閘使電容端端電壓下降5V。2、超級電容充充電時間測試試：

超級級電容的初充充電，如不加加限流電阻，相相當于發生短短路。生產廠廠家推薦使用用1000W碘鎢燈作限限流電阻，其其冷態電阻較較熱態電阻小小近10倍，符合電電容電壓上升升后宜減小限限流電阻的要要求。以下試試驗數據均是是串入1000W碘鎢燈實測測的數據。

第一次：：用變電站直直流電源充電電：

時間（秒）03045556080120180

充電電流(AA))4.532.521.810.20.05第二次次：采用單相相交流170V經全波整流流后作電源充充電。

時間（秒）0306090120150180210240270300

充電電流（A）3.32.21.71.250.710.490.3450.220.140.090.07

電容端電壓V）

85.3158172.9197213.8224230.9235237.5238.9小節：不同同的充電電源源對充電速度度有影響，但但不管什么電電源電容由零零伏充至額定定電壓時僅需需3分鐘。以后，長期期浮充電流在在0~10mmA變化。

3、超級電容自自放電測試

將超級電電容充至242V后，與負載載完全脫離，隔隔日同一時間間測量電容端端電壓記錄如如下：

第一次：：未經浮充電電：

時間6月17日6月18日6月19日6月20日6月21日

電容端電壓V242202180163148

ΔV/h

1.60.90.70.60第二次次：經過30分鐘以后的的浮充

時間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/h

1.120.880.740.645注：ΔV//h為電容端電電壓下降速度度，用下降電電壓變化量除除以小時。

小節：端端電壓下降速速度與是否經經過浮充有關關，未經浮充充開始幾個小小時達2~3V//h，既每小時時下降2~3V，經過浮充充半小時以后后，自放電速速度明顯變緩緩，可能是電電容內部電荷荷來不及分布布均勻有關。在在正常運用時時，超級電容容處在長期浮浮充狀態，完完全斷開負載載后可維持有有效電壓達3天（72小時）。

4、帶經常性性負載的放電電試驗：

模擬當電網網失電后，由由電容放電來來維持直流母母線電壓的試試驗。根據電電力工程設計計手冊中,關于直流系系統控制母線線電壓允許波波動范圍為85%~1110%Vnn，Vn=2220V時，電壓波波動范圍為187V~~242V。下面是母母線電壓242V，電容放電電至187V時，不同負負載的維持時時間的實測值值。

經常性負載（AA）54321

維持母線電壓時時間間（秒）10.813.61827.254注：經常性負載載按如下方式式取其平均值值，在242V時，讀取電電流值I1；187V讀電流值為I2；平均值為為：I1+I22/2。

小節：中中小型變電站站如將信號燈燈換成LED節能燈后，控控制母線電流流一般小于2A，將保持30秒鐘的跳合合閘能力。在在實際運用中中，將配備2只電容互為為熱備用，因因而在極端的的情況下，經經常性負荷達達4A，維持母線線電壓能達20秒，對于任任何一種繼電電保護，其動動作時間都在在數秒鐘內必必須完成。所所以說它非常?？煽浚驗闉榱粲辛顺渥阕愕奶祥l的的能量。四、超級電容直直流屏與蓄電電池直流屏的的性能對比

1、無任何種種蓄電池都需需要配置一套套精確的，性性能優良的充充放電裝置。這這套裝置故障障率相對較高高，而用超級級電容的直流流屏可簡化這這套裝置，降降低了故障率率，使成本下下降。

2、蓄電池過過充電、過放放電都會縮短短使用壽命，而而超級電容不不存在過充電電、過放電的的問題，只需需限制最高充充電電壓就行行了。

3、蓄電池有有較大的維護護量，即便是是免維護蓄電電池，同樣需需要維護；而而超級電容只只需定期檢測測其容量是否否下降就行了了，做到了真真正意義上的的免維護。

4、蓄電池一一旦過放電，要要恢復其容量量得充電數小小時；而超級級電容恢復到到額定電壓，僅僅需幾分鐘。單單只電容合閘閘后端電壓下下降5V，數秒鐘即即可復原。

5、電網停電電后，直流屏屏依靠蓄電池池放電來維持持直流母線電電壓，電池組組的能量畢竟竟有限。停電電時間過長，會會使電池的能能量放完，如如不加限制，必必然會導致電電池組電壓下下降到終止電電壓以下而受受損，甚至無無法再充電而而報廢。而超超級電容當電電網停電后，在在帶有經常性性負荷的情