超级电容在变电站直流系统中的应用

 1、当前变电站直流屏存在的问题 
　
　　在我国110kv、35kv、10kv终端变电站，以及厂用6kv配电系统，广泛采用了蓄电池直流屏和硅整流电容储能直流屏、作为操作、控制以及保护的电源。几十年来，较多的产品在运行中存在以下问题： 
　
    1.1镉镍蓄电池直流屏
　
　　直流母线输出220v时，一般由180只蓄电池组成。蓄电池在加工生产中不可能做到每只电池的充放电特性完全一致，虽然生产厂家在出厂时进行了匹配组合，到了用户手中就没有挑选的余地了。在使用中，用同一个充电电源，又向同一负荷放电，久而久之，个别电池由于特性差别越来越大，而影响整个装置的性能。 
　
　　镉镍蓄电池在运行中，长期处于浮充状态，充电机性能的好坏，直接影响电池的寿命。一般厂家承诺电池寿命大于10年，但在实际运用中，往往只有3～5年。这是因为，如果浮充电流过大，会使电解液中的水电解成氢和氧，这两种气体混合是危险的爆炸气体，如果通风不良，有资料介绍，某无人值班变电站，曾发生直流屏爆炸的事故。 
　
　　过充电还会使电池冒液。在电池外表及连接片上产生墨绿色氧化物，腐蚀构件，降低绝缘，使自放电增加。过充还会产生氧化还原反应，在负极板上生成氧化镉，减少极板有效面积，容量减小，这就是俗称的“记忆”效应。为了保持电池的容量，每年需对蓄电池进行1～2次的“活化”试验，试验必须按生产厂家规定的标准制度进行充放电，才能保证电池的有效率。作为使用维护者来说，是一个令人头痛的事情。由于镉镍电池有较硬的放电特性曲线，放电量达到80%时，电压下降也不明显。稍有疏忽，会造成电池过放电，出现极性反转而报废。由于直流屏是变电站设备中的重中之重，直接影响到变电站的安全运行。在“安全工作重于泰山”的环境下，很多单位都将直流屏列入日常必检项目进行考核。
　
    1.2密封铅酸蓄电池直流屏： 
　
　　由于镉镍蓄电池维护量大，一种免维护密封铅酸蓄电池，简称阀控蓄电池或vrla电池，开始得到广泛应用。因为是全密封电池，无须加水，这给维护带来很多好处的同时，也给观测和维护带来困难。“免维护”这一名词又给使用者带来认识上的误区，导致使用者放松对蓄电池的日常维护管理 。由于阀控蓄电池在我国问世只有十年左右，至今还没有成熟的制造、运行经验。去年在深圳召开的evc会议，汇集国内蓄电池有关使用、制造的专家，总结了国内阀控蓄电池的制造、运行方面的经验，达成如下共识： 
　
    （1）阀控蓄电池的寿命： 
　
　　厂家说明书将蓄电池的寿命标注为10、15、20年，是过分夸大了。无论进口、国产电池，实际使用后都证实了这一点。因而在说明书上标称5年比较适当；对于胶体蓄电池，如德国阳光、银彬方可用十年以上。另外厂家说明书上标注的寿命是有前提的，要在规定的运行温度，标准的充放电方式[包括负载大小] 下运行，实际上这些条件，只有在实验室才能达到。 
　
    （2）影响阀控蓄电池寿命主要有如下几个因素： 
　
    a.阀控蓄电池寿命对温度十分敏感 
　
　　生产厂家要求电池运行环境温为15℃－25℃，当环境温度超过25℃后，每升高10℃电池寿命就要缩短一半，例如：对5年期寿命的电池，当环境温度为35℃时，实际寿命只有2.5年，如果再升高10℃达到45℃时，其寿命只有约1.25年了。对于处在广大的华中、华南地区来说，全年平均气温超过25℃的时间将长达3个多月，加上安装阀控蓄电池的配电室，为防小动物入室，门窗都比较封闭，室内温度还要升高，对蓄电池的运行极为不利。 
　
    b.过度放电：蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。这种情况主要发生在交流停电或充电模块损坏后，蓄电池组为负载供电期间。当蓄电池被过度放电到输出电压为零时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸付到电池的阴极表面，形成电池阴极的“硫酸盐化”。由于硫酸铅本身是一种绝缘体，它的形成必将对电池的充、放电性能产生不好的影响。因此，在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。 
　
    （3）板栅的腐蚀与增长:.板栅腐蚀是影响蓄电池使用寿命的重要原因。在开路状态下，铅合金与活性二氧化铅直接接触，而且共同浸在硫酸溶液中，它们各自与溶液建立不同的平衡电极电位。正极栅板不断溶解，特别是在过充电状态下，正极由于析氧反应，水被消耗，h+增加，从而导致正极附近酸度增高，反栅腐蚀加速，如果电池使用不当，长期处于过充电状态，那么电池的栅板就会变薄，容量降低，会缩短使用寿命。 
　
    （4）浮充电状态对蓄电池使用寿命的影响：目前，蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作状态极不合理。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄电池内阻急剧增大，使蓄电池的实际容量（ah）远远低于其标准容量，从而导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。 
　
    （5）失水： 
　
　　蓄电池失水也是影响其使用寿命的因素之一，蓄电池失水会导致电解液比重增加，电池栅板的腐蚀，使蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而导致其使用寿命减少。当失水5.5％时，容量降到75％；失水达到25％时，容量基本消失。 
　
    1.3电解电容储能直流屏 
　
　　二十世纪60-70年代，由于电解电容储能直流系统，投资小，维护量小，在110kv以下小型变电站得到广泛的应用。经过多年的运行暴露出一个致命的缺陷：由于储能电容的容量只有数千微法，事故分闸的可靠性差。在全国范围内造成多起事故。目前，这类直流系统面临更新改造阶段。  
    2.超级电容用于直流屏的有关实验 
　
　　针对以上直流屏存在的问题，能不能有一个更好的方案来解决？现在，由哈尔滨巨容新能源有限公司. 产品技术水平居世界领先地位.开发出来的“超级电容器”，容量达30f-180f. 用它来完全取代蓄电池, 将成为事实 
　
　　它是一种专门用于储能的特种电容，实现了电容量由微法向法拉级的飞跃，是一种理想的大功率物理电源。它不需要任何维护和保养，寿命长达10年以上，用它来代替老式电容储能硅整流直流屏，和蓄电池将产生革命性的进步。
    2.1、用超级电容对断路器合闸的试验： 
　
    实验地点：武汉市白沙洲水厂变电站 615柜. 高压断路器型号kyn—10—10ⅱ型 
    额定电压：10kv，额定电流：1000a 操作机构型号cd—10ⅱ。合闸电压直流220v，电流100a。 
　
    试验方法：模拟正常方式合闸，按下合闸接钮，记录合闸次数和电容端电压，见下列： 
    合闸次数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
    电容端电压v 245 240 235 230 225 220 215 210 203 197 190 
　
    共合闸15次，每次都合闸成功，考虑到从第9次开始电容端电压已降至额定电压-10%以下，可靠性变差，合闸速度变慢，剔除不算，因而可作如下结论： 
　
    电容充电至+10%额定电压时，可对cd—ⅱ型电磁机构可靠合闸大于8次，每次合闸使电容端电压下降5v。 
　
    2.2超级电容充电时间测试： 
　
　　超级电容的初充电，如不加限流电阻，相当于发生短路。生产厂家推荐使用1000w碘钨灯作限流电阻，其冷态电阻较热态电阻小近10倍，符合电容电压上升后宜减小限流电阻的要求。以下试验数据均是串入1000w碘钨灯实测的数据。 
　
    用变电站直流电源充电： 
    时间（秒） 0 30 45 55 60 80 120 180 
    充电电流 （a） 4.5 3 2.5 2 1.8 1 0.2 0.05 
　
    2.3 超级电容自放电测试 
　　　 
　　将超级电容充至242v后，与负载完全脱离，隔日同一时间测量电容端电压记录如下: 
　
    时间 6月24日 6月25日 6月26日 6月27日 6月28日 
    电容端电压v 260 233 212 194 178.6 
    δv/h 1.12 0.88 0.74 0.645 
　
    注：δv/h为电容端电压下降速度，用下降电压变化量除以小时。 
　
　　小节：端电压下降速度与是否经过浮充有关，未经浮充开始几个小时达2～3v/h，既每小时下降2～3v，经过浮充半小时以后，自放电速度明显变缓，可能是电容内部电荷来不及分布均匀有关。在正常运用时，超级电容处在长期浮充状态，完全断开负载后可维持有效电压达3天（72小时）。 
　
    2.4带经常性负载的放电试验： 
　
　　模拟当电网失电后，由电容放电来维持直流母线电压的试验。根据电力工程设计手册中,关于直流系统控制母线电压允许波动范围为85%～110%vn，vn=220v时，电压波动范围为187v～242v。下面是母线电压242v，电容放电至187v时，不同负载的维持时间的实测值。
　
    容量30f的超级电容 
    经常性负载（a） 5 4 3 2 1 
    维持母线电压时间（分） 11 14 18 27. 54 
　
　　小节：中小型变电站如将信号灯换成led节能灯后，控制母线电流一般小于2a，将保持30分钟的跳合闸能力。在实际运用中，将配备2只电容,一只为热备用，另一只为冷备用. 防止因雷击, 或电力系操作过电压而造成的损坏. 可将冷备用一套应急投入. 
　
    3.超级电容直流屏与蓄电池直流屏的性能对比 
　　　
    （1） 无任何种蓄电池都需要配置一套精确的，性能优良的充放电装置。这套装置故障率相对较高，而用超级电容的直流屏可简化这套装置，降低了故障率，使成本下降。 
　
    （2） 蓄电池过充电、过放电都会缩短使用寿命，而超级电容不存在过充电、过放电的问题，只需限制最高充电电压就行了。 
　
    （3） 蓄电池有较大的维护量，即便是免维护蓄电池，同样需要维护；而超级电容只需定期检测其容量是否下降就行了，做到了真正意义上的免维护。 
　
    （4） 蓄电池一旦过放电，要恢复其容量得充电数小时；而超级电容恢复到额定电压，仅需几分钟。单只电容合闸后端电压下降5v，数秒钟即可复原。 
　
    （5） 电网停电后，直流屏依靠蓄电池放电来维持直流母线电压，电池组的能量毕竟有限。停电时间过长，会使电池的能量放完，如不加限制，必然会导致电池组电压下降到终止电压以下而受损，甚至无法再充电而报废。而超级电容当电网停电后，在带有经常性负荷的情况下仍可保证近千次的跳闸和数百次合闸。这一点对具有综合重合闸装置和备用电源自动投入装置的中小型终端变电站足矣。 
　
　　如果是母线短路，引起电网电压过低，只要继电保护能正确动作，在短短的几秒钟内，更能可靠的跳闸，事故跳闸后，没有必要维持一定时间的直流供电。当事故处理完毕后，电网恢复供电，在几分钟内，又具有分、合闸能力了。