變電站直流系統(tǒng)存在的問題及解決的辦法

1、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，如采用超級電容替代蓄電池將具有 革命性的進(jìn)步。關(guān)鍵詞：直流屏超級電容一、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，一般由1 80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)廠家在出廠時進(jìn)行了匹配組合，到了用戶手 中就沒有挑選的余

2、地了。在使用中，用同一個充電電源，又 向同一負(fù)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(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飛年。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(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。過充電還會使電池冒液。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

3、就是俗稱的"記憶"效應(yīng)。 為了保持電池的容量，每年需對蓄電池進(jìn)行廣2次的"活化" 試驗，試驗必須按生產(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，電壓下降也不明顯。稍有疏忽，會造成電池過放 電，出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)而報廢。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目進(jìn) 行考核。每日對180只電池進(jìn)行補(bǔ)液，測量每只端電壓，作 記錄，確實(shí)是一項既枯燥

4、、又煩鎖的事。如電池全部安裝在 柜內(nèi)，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(hù)量大，一種免維護(hù)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(yīng)用。因為是全 密封電池，無須加水，這給維護(hù)帶來很多好處的同時，也給 觀測和維護(hù)帶來困難。"免維護(hù)"這一名詞又給使用者帶來認(rèn) 識上的誤區(qū)，導(dǎo)致使用者放松對蓄電池的日常維護(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。去年在深圳召開的evc會議，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，迗成如下一共識：、閥控蓄電池的壽命：廠家說明

5、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)驗室 才能達(dá)到。、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(chǎn)廠家要求電池 運(yùn)行環(huán)境溫為15°c-25°c,當(dāng)環(huán)境溫度超過25°c后，每升 高10°c電池壽命就要縮短一半，例如：對5年期壽命的電池，當(dāng)環(huán)境溫度為35

6、6;c時，實(shí) 際壽命只有年，如果再升高10°c達(dá)到45°c時，其壽命只有 約年了。對于處在廣大的華中、華南地區(qū)來說，全年平均氣 溫超過25°c的時間將長達(dá)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(nèi)溫度還要 升高，對蓄電池的運(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，會導(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

7、體，它的形成必將對電池的充、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 的柵板就會變薄，容量降低，會縮短使用壽命。d-浮充電狀態(tài)對蓄電池使用壽命的影響：目前，蓄電池大多數(shù)都處于長

8、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)計資料表 明，這樣會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(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)失水時，容量降到75%;失水達(dá)到25%時，容量 基本消失。3、電解電容儲能直流屏二十世紀(jì)60-70年代，由于電解電容儲能直流系統(tǒng)，投 資小，維護(hù)量小，在110kv以下小型變

9、電站得到廣泛的應(yīng)用。 經(jīng)過多年的運(yùn)行暴露出一個致命的缺陷：由于儲能電容的容 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(xiàn)在，由北京金正平科技有限公司開發(fā)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(shí)現(xiàn)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(hù)和保養(yǎng)，壽命長迖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(chǎn)生革命性的進(jìn)步。該產(chǎn)品在世界上僅有美、日、俄少

10、數(shù)國家才能生產(chǎn)。我 國的技術(shù)水平接近俄羅斯，價格只是俄產(chǎn)的三分之一，并獲 得國家專利和1999年全國技術(shù)發(fā)明博覽會金獎，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、超級電容用于直流屏的有關(guān)實(shí)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(tǒng)中的應(yīng)用，作進(jìn)一步研究，特作了如下一些 實(shí)驗：超級電容標(biāo)稱容量，耐壓280v，出廠編號02020271、用超級電容對斷路器合鬧的試驗：時間：2002 年4 月 25 日，10:3011:00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kyn-

11、10-10ii型額定電壓：10kv，額定電流：1000a操作機(jī)構(gòu)型號cd-10ii。合閘電壓直流220v，電流100a。試驗方法：、斷開615柜合閘電源；、將已充電的超級電容兩出線端并接在合閘接觸器觸頭 上；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v 2 452402202152102031 97190185175170163155共合閘15次，每次都合間成功，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，可對

12、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(dāng)于發(fā)生短路。 生產(chǎn)廠家推薦使用10 00w碘鴿燈作限流電阻，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。以下試驗數(shù)據(jù)均是串入1000w碘錫燈實(shí)測的數(shù)據(jù)。第一次：用變電站直流電源充電:時間03045556080120180充電電流(a)321第二次:采用單相交流170v經(jīng)全波整流后作電源充電。 時間030609021024027030 0充電電流 電容端電壓v)158197224235小節(jié)：不同的充電電源對充電速度有影響，但不管什么

13、 電源電容由零伏充至額定電壓時僅需3分鐘。以后，長期浮 充電流在010ma變化。3、超級電容自放電測試將超級電容充至242v后，與負(fù)載完全脫離，隔日同一 時間測量電容端電壓記錄如下：第一次：未經(jīng)浮充電：時間6月17日6月18曰6月1 9曰6月20曰6月21曰 電容端電壓v2422021801 63148av/h第二次：經(jīng)過30分鐘以后的浮充 時間6月24日6月25曰6月26曰6月27曰6月28曰電容端電壓v 260av/h注：av/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(jié)：端電壓下降速度與是否經(jīng)過浮充有關(guān)，未經(jīng)浮充 開始幾個小時達(dá)23v/h，既每小時下降23v，經(jīng)過浮充半 小時

14、以后，自放電速度明顯變緩，可能是電容內(nèi)部電荷來不 及分布均勻有關(guān)。在正常運(yùn)用時，超級電容處在長期浮充狀 態(tài)，完全斷開負(fù)載后可維持有效電壓迗3天。4、帶經(jīng)常性負(fù)載的放電試驗：模擬當(dāng)電網(wǎng)失電后，由電容放電來維持直流母線電壓的 試驗。根據(jù)電力工程設(shè)計手冊中，關(guān)于直流系統(tǒng)控制母線電壓允許波動范圍為85% 110%vn，vn=2 20v時，電壓波動范e 為187v2 42v。下面是母線電壓242v，電容放電至187v時， 不同負(fù)載的維持時間的實(shí)測值。經(jīng)常性負(fù)載維持母線電壓時間54注：經(jīng)常性負(fù)載按如下方式取其平均值，在242v時， 讀取電流值11; 187v讀電流值為12;平均值為：11+12/2。小節(jié)：

15、中小型變電站如將信號燈換成le：d節(jié)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(shí)際運(yùn)用中，將配備2只電容互為熱備用，因而在極端的情 況下，經(jīng)常性負(fù)荷迗4a，維持母線電壓能達(dá)20秒，對于任 何一種繼電保護(hù)，其動作時間都在數(shù)秒鐘內(nèi)必須完成。所以 說它非?？煽?，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(yōu)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

16、充電電壓 就行了。3、蓄電池有較大的維護(hù)量，即便是免維護(hù)蓄電池，同 樣需要維護(hù)；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(hù)。4、蓄電池一旦過放電，要恢復(fù)其容量得充電數(shù)小時;而超級電容恢復(fù)到額定電壓，僅需幾分鐘。單只電容合閘后 端電壓下降5v，數(shù)秒鐘即可復(fù)原。5、電網(wǎng)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(dǎo)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(dāng) 電網(wǎng)停電后，在帶有經(jīng)常性負(fù)荷的情況下仍可保證幾百次的 跳閘和數(shù)次合閘。這一點(diǎn)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(wǎng)電壓過低，只要繼電保護(hù)能 正確動作，在短短的幾秒鐘內(nèi)，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(dāng)事故處理完畢后， 電網(wǎng)恢復(fù)供電，在幾分鐘內(nèi)，又具有分、合閘能力了。五、由超級電容組成的零維護(hù)直流屏簡介武漢海山電子儀器公司為充分發(fā)揮超級電容的特點(diǎn)，而 研制的新型直流屏，型號為：ped-wc01。該產(chǎn)品定位于11 okv、 35kv、10kv的中小型未端變電站以及企業(yè)內(nèi)部的6kv配電系 統(tǒng)，要求經(jīng)常性負(fù)荷小于5a的場所。該產(chǎn)品性價比較高，采用了當(dāng)今最流行的新技術(shù)，選用 日本tdk或