超級電容在變電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、超級電容在變電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用    1、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：1.1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    1、當(dāng)前變電站直流屏存在的問題 &#

2、160;   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：     1.1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

3、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35年。這是因?yàn)?，如果浮充電流過大，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。     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

4、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，每年需對蓄電池進(jìn)行12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。    1.2密封鉛酸蓄電池直流屏：   

5、;  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?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)，也給觀測和維護(hù)帶來困難?！懊饩S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(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)成如下共識：     （1）閥控蓄電池的壽命：  

6、   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）影響閥控蓄電池壽命主要有如下幾個(gè)因素：     a.閥控蓄電池壽命對溫度十分敏感   

7、;  生產(chǎn)廠家要求電池運(yùn)行環(huán)境溫為1525，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，加上安裝閥控蓄電池的配電室，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

8、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。     （3）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+

9、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。     （4）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。     （5）失水：  

10、   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。     1.3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

11、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。     2.超級電容用于直流屏的有關(guān)實(shí)驗(yàn)     針對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，由哈爾濱巨容新能源有限公司. 產(chǎn)品技術(shù)水平居世界領(lǐng)先地位.開發(fā)出來的“超級電容器”，容量達(dá)30f-180f. 用它來完全取代蓄電池, 將成為事實(shí)     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

12、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能硅整流直流屏，和蓄電池將產(chǎn)生革命性的進(jìn)步。    2.1、用超級電容對斷路器合閘的試驗(yàn)：     實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：武漢市白沙洲水廠變電站 615柜. 高壓斷路器型號kyn1010型     額定電壓：10kv，額定電流：1000a 操作機(jī)構(gòu)型號cd10。合閘電壓直流220v，電流100a。     試驗(yàn)方法：模擬正常方式

13、合閘，按下合閘接鈕，記錄合閘次數(shù)和電容端電壓，見下列：     合閘次數(shù) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10     電容端電壓v 245 240 235 230 225 220 215 210 203 197 190    &#

14、160;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cd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。     2.2超級電容充電時(shí)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

15、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)測的數(shù)據(jù)。     用變電站直流電源充電：     時(shí)間（秒） 0 30 45 55 60 80 120 180     充電電流 （a） 4.5 3 2.5 2 1.8 1 0.2 0.05  

16、0;  2.3 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(shí)間測量電容端電壓記錄如下:     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v 260 233 212 194 178.6    

17、; v/h 1.12 0.88 0.74 0.645     注：v/h為電容端電壓下降速度，用下降電壓變化量除以小時(shí)。     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(gè)小時(shí)達(dá)23v/h，既每小時(shí)下降23v，經(jīng)過浮充半小時(shí)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(shí)，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達(dá)3天（72小時(shí)）。     

18、2.4帶經(jīng)常性負(fù)載的放電試驗(yàn)：     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(yàn)。根據(jù)電力工程設(shè)計(jì)手冊中,關(guān)于直流系統(tǒng)控制母線電壓允許波動(dòng)范圍為85%110%vn，vn=220v時(shí)，電壓波動(dòng)范圍為187v242v。下面是母線電壓242v，電容放電至187v時(shí)，不同負(fù)載的維持時(shí)間的實(shí)測值。    容量30f的超級電容     經(jīng)常性負(fù)載（a） 5 4 3 2 1   

19、  維持母線電壓時(shí)間（分） 11 14 18 27. 54     小節(jié)：中小型變電站如將信號燈換成led節(jié)能燈后，控制母線電流一般小于2a，將保持30分鐘的跳合閘能力。在實(shí)際運(yùn)用中，將配備2只電容,一只為熱備用，另一只為冷備用. 防止因雷擊, 或電力系操作過電壓而造成的損壞. 可將冷備用一套應(yīng)急投入.     3.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