變電站直流系統(tǒng)存在的問題及解決的辦法

變電站直流系統(tǒng)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(hù)工作量大，蓄電池壽命短，如采用超級(jí)電容替代蓄電池將具有革命性的進(jìn)步。

關(guān)鍵字：直流屏超級(jí)電容一、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(chǔ)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、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完全一致，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)椋绻〕潆娏鬟^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(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（電世界2000年12期）。

過充電還會(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(gòu)件，降低絕緣，使自放電增加。

過充還會(huì)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(duì)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(huì)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。每日對(duì)180只（220V）電池進(jìn)行補(bǔ)液，測(cè)量每只端電壓，作記錄，確實(shí)是一項(xiàng)既枯燥、又煩鎖的事。如電池全部安裝在柜內(nèi)，還具有一定的危險(xiǎn)。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(jiǎn)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(cè)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(shí)上的誤區(qū)，導(dǎo)致使用者放松對(duì)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(huì)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)成如下一共識(shí)：

2.1、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(duì)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。

2.2、影響閾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(duì)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(duì)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(duì)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，加上安裝閾控蓄電池的配電室，為防小動(dòng)物入室，門窗都比較封閉，室內(nèi)溫度還要升高，對(duì)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(huì)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(duì)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。

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(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(huì)變薄，容量降低，會(huì)縮短使用壽命。

D-浮充電狀態(tài)對(duì)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(huì)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。

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(huì)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。3、電解電容儲(chǔ)能直流屏

二十世紀(jì)60-70年代，由于電解電容儲(chǔ)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(chǔ)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。

二、解決辦法

針對(duì)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，由北京金正平科技有限公司開發(fā)出來的"超級(jí)電容器"，給人們解決直流屏存在的問題帶來了曙光。

它是一種專門用于儲(chǔ)能的特種電容，實(shí)現(xiàn)了電容量由微法向法拉級(jí)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(chǔ)能硅整流直流屏，和蓄電池將產(chǎn)生革命性的進(jìn)步。

該產(chǎn)品在世界上僅有美、日、俄少數(shù)國家才能生產(chǎn)。我國的技術(shù)水平接近俄羅斯，價(jià)格只是俄產(chǎn)的三分之一，并獲得國家專利和1999年全國技術(shù)發(fā)明博覽會(huì)金獎(jiǎng)，填補(bǔ)了可進(jìn)行大電流快速充放電的空白。推廣該產(chǎn)品將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，引發(fā)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的一次技術(shù)進(jìn)步。

三、超級(jí)電容用于直流屏的有關(guān)實(shí)驗(yàn)

武漢海山電子儀器公司為了將超級(jí)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(jí)電容標(biāo)稱容量0.82F，耐壓280V，出廠編號(hào)0202027

1、用超級(jí)電容對(duì)斷路器合閘的試驗(yàn)：

時(shí)間：2002年4月25日，10:30~11:00

地點(diǎn)：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(hào)KYN-10-10Ⅱ型

額定電壓：10KV，額定電流：1000A

操作機(jī)構(gòu)型號(hào)CD-10Ⅱ。合閘電壓直流220V，電流100A。

試驗(yàn)方法：

1.1、斷開615柜合閘電源；

1.2、將已充電的超級(jí)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(shù)和電容端電壓，見下表：合閘次數(shù)0123456789101112131415電容端電壓v245240235230225220215210203197190185175170163155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(duì)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、超級(jí)電容充電時(shí)間測(cè)試：

超級(jí)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(cè)的數(shù)據(jù)。

第一次：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第二次：采用單相交流170V經(jīng)全波整流后作電源充電。

時(shí)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鞏互廚小嗚節(jié)鞏：舞不驚同福的怠充貢電研電膨源勁對(duì)祥充柄電純速版度然有濾影縣響爬，渴但渠不上管榨什鈴么繞電球源宣電怎容煩由里零滔伏堅(jiān)充涌至便額獎(jiǎng)定肝電抖壓勵(lì)時(shí)樂僅鈴需桿3公分巷鐘敵?？荼P以煉后男，杠長嘴期狂浮道充美電葵流煉在阿0親~奮1仿0隙m急A確變身化境。翅

綠魚藏3賀、罷蛛超雜級(jí)平電塞容筆自刪放綱電掛測(cè)霉試

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旨溉片鵲對(duì)第控一晌次廟：駐未挑經(jīng)悶浮培充溫電拍：

時(shí)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形塑廟構(gòu)摸第嚴(yán)二底次陸：挑經(jīng)械過絮3仿0編分晚鐘粗以拉后犬的疑浮判充

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/h

1.120.880.740.645傷期煌注教：鐮Δ霜V躺/娛h勻?yàn)榈蹼娚腥菟远伺f電扣壓獅下段降棉速民度旬，熄用竿下后降聲電高壓胡變弄化資量中除拒以合小肥時(shí)染。

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經(jīng)常性負(fù)載（A）54321

維持母線電壓時(shí)間（秒）10.813.61827.254夏注危：判經(jīng)貢常獵性始負(fù)杰載進(jìn)按獅如仔下狡方地式鎖取屆其愿平惑均息值懷，勒在擦2活4毒2參V泥時(shí)擺，盛讀員取營電徹流澡值猶I典1皆；發(fā)1扁8悶7畜V鼻讀攤電念流種值召為杜I調(diào)2經(jīng)；輸平仔均換值桑為朗：銳I爺1惹+乘I芳2灰/枯2貌。

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1、無任何種蓄電池都需要配置一套精確的，性能優(yōu)良的充放電裝置。這套裝置故障率相對(duì)較高，而用超級(jí)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、蓄電池過充電、過放電都會(huì)縮短使用壽命，而超級(jí)電容不存在過充電、過放電的問題，只需限制最高充電電壓就行了。

3嬸、搖蓄馬電皮池認(rèn)有帥較扮大捧的正維奧護(hù)鞋量小，料即驚便嫩是穩(wěn)免踢維質(zhì)護(hù)莊蓄鄙電轎池桶，銅同捧樣劇需級(jí)要遣維證護(hù)漿；狠而處超葛級(jí)泄電爐容踐只瘦需比定獨(dú)期牽檢賞測(cè)套其寸容誠量贊是鑰否塑下宋降罷就繳行武了毀，謝做鴉到內(nèi)了錦真柔正裂意烏義艙上聞的睛免剩維堆護(hù)哪。

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