探讨如何解决变电站直流系统存在的问题

摘要：中小型终端变电站使用的蓄电池直流屏，维护工作量大，蓄电池寿命短， 如采用超级电容替代蓄电池将具有革命性的进步。

一、 当前变电站直流屏存在的问题

在我国，110kV、35 kV、10 kV 终端变电站以及厂用 6kV 配电系统，广泛采 用了蓄电池直流屏和硅整流电容储能直流屏作为操作、控制以及保护的电源。几 十年来，较多的产品在运行中存在以下问题：

(1) 镉镍蓄电池直流屏

直流母线输出 220V 时，一般由 180 只蓄电池组成。蓄电池在加工生产中不可能 做到每只电池的充放电特性完全一致，虽然生产厂家在出厂时进行了匹配组合， 到了用户手中就没有挑选的余地了。 在使用中，用同一个充电电源，又向同一 负荷放电，久而久之，个别电池由于特性差别越来越大，而影响了整个装置的性 能。

镉镍蓄电池在运行中，长期处于浮充状态，充电机性能的好坏，直接影响电 池的寿命。一般厂家承诺电池寿命大于 10 年，但在实际运用中，往往只有 3~5 年。这是因为，如果浮充电流过大，会使电解液中的水电解成氢和氧，这两种气 体混合是危险的爆炸气体，如果通风不良，有资料介绍，某无人值班变电站，曾 发生直流电屏爆炸的事故。

过充电还会使电池冒液。在电池外表及连接片上产生墨绿色氧化物，腐蚀构件，降低绝缘，使自放电增加。

过充电还会产生氧化还原反应，在负极板上生成氧化镉，减少极板有效面积， 容量减小，这就是俗称的“记忆”效应。为了保持电池的容量，每年需对蓄电池 进行 1~2 次的“活化”试验，试验必须按生产厂家规定的标准制度进行充放电， 才能保证电池的有效率。

(2) 密封铅酸蓄电池直流屏

由于镉镍蓄电池维护量大，一种免维护密封铅酸蓄电池，简称阀控蓄电池或VRLA 电池，开始得到广泛应用。因为是全密封电池，无须加水，在给维护带来 很多好处的同时，也给观测和维护带来困难。“免维护”这一名词又给使用者带 来认识上的误区，导致使用者放松对蓄电池的日常维护管理。由于阀控蓄电池在 我国问世只有十年左右，至今还没有成熟的制造、运行经验。去年在深圳召开的 EVC 会议，汇集国内蓄电池有关使用、制造的专家，总结了国内蓄电池有关使 用、制造的专家，总结了国内阀控蓄电池的制造、运行方面的经验，达成如下一 些共识：

①阀控蓄电池的寿命

厂家说明书将蓄电池的寿命标注为 10、15、20 年，是过分夸大了。无论进 口、国产电池，实际使用后都证实了这一点。因而在说明书上标称 5 年比较适当; 对于胶体蓄电池，如德国阳光、银彬方可用十年以上。另外厂家说明书上标注的 寿命是有前提的，要在规定的运行温度，标准的充放电方式(包括负载大小)下 运行，实际上这些条件，只有在实验室才能达到。

②影响阀控蓄电池寿命主要有如下几个因素：

a.阀控蓄电池寿命对温度十分敏感，生产厂家要求电池运行环境温度为 15℃~25℃，当环境温度超过 25℃后，每升高 10℃电池寿命就要缩短一半。

b.过度放电。 蓄电池被过度放电时影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。这种情况主要发生在交流停电或充电模块损坏后，蓄电池组为负载供电期间。当蓄电池被过度放 电到输出电压为零时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到电池的阴极表 面，形成电池阴极的“硫酸盐化”。由于硫酸铅本身是一种绝缘体，它的形成必 将对电池的充、放电性能产生不好的影响。因此，在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。

c.板栅的腐蚀与增长。 板栅腐蚀是影响蓄电池使用寿命的重要原因。在开路状态下，铅合金与活性

二氧化铅直接接触，而且共同浸在硫酸溶液中，它们各自与溶液建立不容的平衡 电极电位。正极栅板不断溶解，特别是在过充电状态下，正极由于析氧反应，水 被消耗，H+增加，从而导致正极附近酸度增高，反栅腐蚀加速，如果电池使用不当，长期处于过充电状态，那么电池的栅板就会变薄，容量降低，会缩短使用寿命。

d.浮充电状态对蓄电池使用寿命的影响。目前，蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作状态极不合理。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄电池的阳极极板钝化， 使蓄电池内阻急剧增大，使蓄电池的实际容量(Ah)远远低于其标准容量，从 而导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。

二十世纪 60~70 年代，由于电解电容储能直流系统投资小，维护量小，在110kV 以下小型变电站得到广泛的应用。经过多年的运行暴露出一个致命的缺 陷：由于储能电容的容量只有数千微法，事故分闸的可靠性差，在全国范围内造 成多起事故。目前，这类直流系统面临更新改造阶段。

二、 解决办法

针对以上直流屏存在的问题，能不能有一个更好的方案来解决?现在，由北京金正平科技有限公司开发出来的“超级电容器”，给人们解决直流屏存在的问 题带来了曙光。

它是一种专门用于储能的特种电容，实现了电容器由微法向法拉级的飞跃， 是一种理想大大功率物理电源。它不需要任何维护和保养，寿命长达 10 年以上， 用它来代替老式电容储能硅整流直流屏和蓄电池将产生革命性的进步。

三、 超级电容用于直流屏的有关实验

(一)超级电容自放电测试

将超级电容充至 242V 后，与负载完全脱离，隔日同一时间测量电容端电压 记录如表 1 所示(第一次：未经浮充电)。

表 1

注：△V/h 为电容端电压下降速度，用下降电压变化量除以小时。

小结：端电压下降速度与是否经过浮充有关，未经浮充开始几个小时达2~3V/h，即每小时下降 2~3V，经过浮充半小时以后，自放电速度明显变缓，可 能是电容内部电荷来不及分部均匀有关。在正常运用时，超级电容处于长期浮充状态，完全断开负载后可维持有效电压达 3 天(72 小时)。

(二)带经常性负载的放电试验模拟当电网失电后，由电容放电来维持直流母线电压的试验。根据电力工程设计手册，关于直流系统控制母线电压允许波动范围为 85%~110%Vn，Vn=220V时，电压波动范围为 187V~242V。表 2 是母线电压 242V，电容放电至 187V 时， 不同负载的维持时间的实测值。

表 2

注：经常性负载按如下方式取其平均值，在 242V 时，读取电流值 11;187V 时，读取电流值为 12;平均值为：11+12/2。

小结：中小型变电站如将信号灯换成 LED 节能灯后，控制母线电流一般小 于 2A，将保持 30 秒钟的跳合闸能力。在实际运用中，将配备 2 只电容互为热备 用，因而在极端的情况下，经常性负荷达 4A，维持母线电压能达 20 秒，对于任何一种继电保护，其动作时间都在数秒钟内必须完成。所以说它非常可靠，因为 留有了充足的跳合闸的能量。

四、 超级电容直流屏与蓄电池直流屏的性能对比

(1)蓄电池过充电、过放电都会缩短使用寿命，而超级电容不存在过充电、 过放电的问题，只需限制最高充电电压就行了。

(2)蓄电池有较大的维护量，即便是免维护蓄电池，同样需要维护;而超 级电容只需定期检测其容量是否下降就行了，做到了真正意义上的免维护。

(3)蓄电池一旦过放电，要恢复期容量得充电数小时;而超级电容恢复到额定电压，仅需几分钟。单只电容合闸后端电压下降 5V，数秒钟即可复原。

(4)电网停电后，直流屏依靠蓄电池放电来维持直流母线电压，电池组的 能量毕竟有限。停电时间过长，会使电池的能量放完，如不加限制，必然会导致 电池组电压下降到终止电压以下而受损，甚至无法再充电而报废。而超级电容当 电网停电后，在带有经常性负荷的情况下仍可保证几百次的跳闸和数次合闸。这 一点对具有综合重合闸装置和备用电源自动投入装置的中小型终端变电站足矣。 如果是母线短路，引起电网电压过低，只要继电保护能正确动作，在短短的 几秒钟内，更能可靠地跳闸，事故跳闸后，没有必要维持一定时间的直流供电。当事故处理完毕后，电网恢复供电，在几分钟内，又具有分、合闸能力了。

结束语

对于较为重要的变电站，可选择较小容量的免维护蓄电池与超级电容组成复合电源，由超级电容来承担冲击负荷，蓄电池承担经常性负荷，在蓄电池检修期 间，超级电容完全能够挑起重任，这样既降低了成本，又使蓄电池免受大电流冲 击而延长寿命。