变电站直流系统存在的问题及解决方法

(北方联合电力 呼和浩特金桥热电厂 运行部，内蒙古 呼和浩特 010000) 
摘 要：文章分析了变电站直流系统存在的问题，提出了 采用超级电容替代蓄电池的解决措施。
关键词：变电站；直流屏；超级电容
中图分类号：TM63  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)12—0076—02
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(电世界2000年12期)。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。每日对180只(220V)电池进行补液， 测量每只端电压，作记录，确实是一项既枯燥、又烦琐的事。如电池全部安装在柜内，还具 有一定的危险。
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10年左右，至今还没有成熟的制造 、运行经验。2008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：
1.2.1 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10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。 
1.2.2 影响阈控蓄电池寿命主要有如下几个因素

①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，加上安装阈控蓄电池的配电室，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。

②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

20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 解决办法

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，由北京金正平科技有 限公司开发出来的“超级电容器”，给人们解决直流屏存在的问题带来了曙光。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。

该产品在世界上仅有美、日、俄少数国家才能生产。我国的技术水平接近俄罗斯，价格 只是俄产的1/3，并获得国家专利和1999年全国技术发明博览会金奖，填补了可进行大 电流快速充放电的空白。推广该产品将会带来巨大的经济效益，引发相关应用领域的一次技 术进步。
3 超级电容直流屏与蓄电池直流屏的性能对比

①任何一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 仍可保证几百次的跳闸和数次合闸。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。
4 由超级电容组成的零维护直流屏简介

武汉海山电子仪器公司为充分发挥超级电容的特点，而研制的新型直流屏，型号为：PE D-WC01。该产品定位于110KV、35KV、10KV的中小型未端变电站以及企业内部的6KV配电系统 ，要求经常性负荷小于5A的场所。

该产品性价比较高，采用了当今最流行的新技术，选用日本TDK或ABB公司生产的高频开 关整流模块。集成了电压控制、电流控制，以及过程控制于一体，实现对电容恒流充电，达 到额定电压后，自动转为恒压控制。实现无人值成套系统配置了PLC+触摸屏方式，并配有四 遥接口，使维护工作量降至最低，价格在同档次的直流屏中也是最低的。它是理想的变电站 直流屏更新换代班的首选产品。

对于较为重要的变电站，可选择较小容量的免维护蓄电池与超级电容组成复合电源，由 超级电容来承担冲击负荷，蓄电池承担经常性负荷，在蓄电池检修期间，超级电容完全能够 挑起重任，这样既降低了成本，又使蓄电池免受大电流冲击而延长寿。
［参考文献］
［1］ 余建华.供配电一次系统［M］北京：中国电力出版社，1991.
［2］ 刘宝贵.发电厂变电所电气设备［M］北京：中国电力出版社，1996.
［3］ 扬志辉.电气运行技术与管理［M］北京：中国电力出版社，1995.
［4］ [ZK(]柳永智电力系统运动［M］北京：中国电力出版社，1994.