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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。

關鍵詞：直流屏超級電容

一、當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，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，較多的產品在運行中存在以下問題：

1、鎘鎳蓄電池直流屏：

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

鎘鎳蓄電池在運行中，長期處于浮充狀態，充電機性能的好壞，直接影響電池的壽命。一般廠家承諾電池壽命大于10年，但在實際運用中，往往只有3~5年。這是因為，如果浮充電流過大，會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，如果通風不良，有資料介紹，某無人值班變電站，曾發生直流屏爆炸的事故（電世界2000年12期）。

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

過充還會產生氧化還原反應，在負極板上生成氧化鎘，減少極板有效面積，容量減小，這就是俗稱的"記憶"效應。為了保持電池的容量，每年需對蓄電池進行1~2次的"活化"試驗，試驗必須按生產廠家規定的標準制度進行充放電，才能保證電池的有效率。作為使用維護者來說，是一個令人頭痛的事情。由于鎘鎳電池有較硬的放電特性曲線，放電量達到80%時，電壓下降也不明顯。稍有疏忽，會造成電池過放電，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"的環境下，很多單位都將直流屏列入日常必檢項目進行考核。每日對180只（220V）電池進行補液，測量每只端電壓，作記錄，確實是一項既枯燥、又煩鎖的事。如電池全部安裝在柜內，還具有一定的危險。

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，簡稱閥控蓄電池或VRLA電池，開始得到廣泛應用。因為是全密封電池，無須加水，這給維護帶來很多好處的同時，也給觀測和維護帶來困難。"免維護"這一名詞又給使用者帶來認識上的誤區，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世只有十年左右，至今還沒有成熟的制造、運行經驗。去年在深圳召開的EVC會議，匯集國內蓄電池有關使用、制造的專家，總結了國內閥控蓄電池的制造、運行方面的經驗，達成如下一共識：

2.1、閥控蓄電池的壽命：

廠家說明書將蓄電池的壽命標注為10、15、20年，是過分夸大了。無論進口、國產電池，實際使用后都證實了這一點。因而在說明書上標稱5年比較適當；對于膠體蓄電池，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，實際上這些條件，只有在實驗室才能達到。

2.2、影響閾控蓄電池壽命主要有如下幾個因素：

A－閥控蓄電池壽命對溫度十分敏感生產廠家要求電池運行環境溫為15℃－25℃，當環境溫度超過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，當環境溫度為35℃時，實際壽命只有2.5年，如果再升高10℃達到45℃時，其壽命只有約1.25年了。對于處在廣大的華中、華南地區來說，全年平均氣溫超過25℃的時間將長達3個多月，加上安裝閾控蓄電池的配電室，為防小動物入室，門窗都比較封閉，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。經過多年的運行暴露出一個致命的缺陷：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，這類直流系統面臨更新改造階段。

二、解決辦法

針對以上直流屏存在的問題，能不能有一個更好的方案來解決？現在，由北京金正平科技有限公司開發出來的"超級電容器"，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，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，因而可作如下結論：

電容充電至+10%額定電壓時，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、超級電容充電時間測試：

超級電容的初充電，如不加限流電阻，相當于發生短路。生產廠家推薦使用1000W碘鎢燈作限流電阻，其冷態電阻較熱態電阻小近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碘鎢燈實測的數據。

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。

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

4、帶經常性負載的放電試驗：

模擬當電網失電后，由電容放電來維持直流母線電壓的試驗。根據電力工程設計手冊中,關于直流系統控制母線電壓允許波動范圍為85%~110%Vn，Vn=220V時，電壓波動范圍為187V~242V。下面是母線電壓242V，電容放電至187V時，不同負載的維持時間的實測值。

注：經常性負載按如下方式取其平均值，在242V時，讀取電流值I1；187V讀電流值為I2；平均值為：I1+I2/2。

小節：中小型變電站如將信號燈換成LED節能燈后，控制母線電流一般小于2A，將保持30秒鐘的跳合閘能力。在實際運用中，將配備2只電容互為熱備用，因而在極端的情況下，經常性負荷達4A，維持母線電壓能達20秒，對于任何一種繼電保護，其動作時間都在數秒鐘內必須完成。所以說它非常可靠，因為留有了充足的跳合閘的能量。

四、超級電容直流屏與蓄電池直流屏的性能對比

1、無任何種蓄電池都需要配置一套精確的，性能優良的充放電裝置。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、過放電都會縮短使用壽命，而超級電容不存在過充電、過放電的問題，只需限制最高充電電壓就行了。

3、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、蓄電池一旦過放電，要恢復其容量得充電數小時；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、電網停電后，直流屏依靠蓄電池放電來維持直流母線電壓，電池組的能量畢竟有限。停電時間過長，會使電池的能量放完，如不加限制，必然會導致電池組電壓下降到終止電壓以下而受損，甚至無法再充電而報廢。而超級電容當電網停電后，在帶有經常性負荷的情況下仍可保證幾百次的跳閘和數次合閘。這一點對具有綜合重合閘裝置和備用電源自動投入裝置的中小型終端變電站足矣。

如果是母線短路，引起電網電壓過低，只要繼電保護能正確動作，在短短的幾秒鐘內，更能可靠的跳閘，事故跳閘后，沒有必要維持一定時間的直流供電。當事故處理完畢后，電網恢復供電，在幾分鐘內，又具有分、合閘能力了。

五、由超級電容組成的零維護直流屏簡介

武漢海山電子儀器公司為充分發揮超級電容的特點，而研制的新型直流屏，型號為：PED-WC01。該產品定位于110KV、35KV、10KV的中小型未端變電站以及企業內部的6KV配電系統，要求經常性負荷小于5A的場所。

該產品性價比較高，采用了當今最流行的新技術，選用日本TDK或ABB公司生產的高頻開關整流模塊。集成了電壓控制、電流控制，以及過程控制于一體，實現對電容恒流充電，達到額定電壓后，自動轉為恒壓控制。，實現無人值成套系統配置了PLC+觸摸屏方式，并配有四遙接口，使維護工作量降至最低，價格在同檔次的直流屏中也是最低的。它是理想的變電站直流屏更新換代班的首選產品。

對于較為重要的變電站，可選擇較小容量的免維護蓄電池與超級電容組成復合電源，由超級電容來承擔沖擊負荷，蓄電池承擔經常性負荷，在蓄電池檢修期間，超級電容完全能夠挑起重任，這樣既降低了成本，又使蓄電池免受大電流沖擊而延長壽。