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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。

一、 當前變電站直流屏存在的問題

在我國，110kV、35 kV、10 kV 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、控制以及保護的電源。幾 十年來，較多的產(chǎn)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(chǎn)中不可能 做到每只電池的充放電特性一致，雖然生產(chǎn)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，而影響了整個裝置的性 能。

鎘鎳蓄電池在運行中，長期處于浮充狀態(tài)，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(fā)生直流電屏爆炸的事故。

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。

過充電還會產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，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(yīng)。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(chǎn)廠家規(guī)定的標準制度進行充放電， 才能保證電池的有效率。

（2） 密封蓄電池直流屏

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(yīng)用。因為是全密封電池，無須加水，在給維護帶來 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(qū)，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(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)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、運行方面的經(jīng)驗，達成如下一 些共識：

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(chǎn)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(guī)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影響閥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)廠家要求電池運行環(huán)境溫度為 15℃~25℃，當環(huán)境溫度超過 25℃后，每升高 10℃電池壽命就要縮短一半。

b.過度放電。 蓄電池被過度放電時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，蓄電池組為負載供電期間。當蓄電池被過度放 電到輸出電壓為零時，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，而且共同浸在溶液中，它們各自與溶液建立不容的平衡 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(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。

二十世紀 60~70 年代，由于電解電容儲能直流系統(tǒng)投資小，維護量小，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，實現(xiàn)了電容器由微法向法拉級的飛躍， 是一種理想大大功率物理電源。它不需要任何維護和保養(yǎng)，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(chǎn)生革命性的進步。

三、 超級電容用于直流屏的有關(guān)實驗

（一）超級電容自放電測試

將超級電容充至 242V 后，與負載脫離，隔日同一時間測量電容端電壓 記錄如表 1 所示（*次：未經(jīng)浮充電）。

表 1

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。

小結(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2~3V/h，即每小時下降 2~3V，經(jīng)過浮充半小時以后，自放電速度明顯變緩，可 能是電容內(nèi)部電荷來不及分部均勻有關(guān)。在正常運用時，超級電容處于長期浮充狀態(tài)，斷開負載后可維持有效電壓達 3 天（72 小時）。

（二）帶經(jīng)常性負載的放電試驗?zāi)M當電網(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，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=220V時，電壓波動范圍為 187V~242V。表 2 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。

表 2

注：經(jīng)常性負載按如下方式取其平均值，在 242V 時，讀取電流值 11;187V 時，讀取電流值為 12;平均值為：11+12/2。

小結(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 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，因而在的情況下，經(jīng)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(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）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zui高充電電壓就行了。

（2）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。

（3）蓄電池一旦過放電，要恢復(fù)期容量得充電數(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。

（4）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(wǎng)停電后，在帶有經(jīng)常性負荷的情況下仍可保證幾百次的跳閘和數(shù)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(wǎng)電壓過低，只要繼電保護能正確動作，在短短的 幾秒鐘內(nèi)，更能可靠地跳閘，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(wǎng)恢復(fù)供電，在幾分鐘內(nèi)，又具有分、合閘能力了。

結(jié)束語

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(fù)合電源，由超級電容來承擔沖擊負荷，蓄電池承擔經(jīng)常性負荷，在蓄電池檢修期 間，超級電容完夠挑起重任，這樣既降低了成本，又使蓄電池免受大電流沖 擊而延長壽命。