变电站直流系统存在的问题及解决方法.docx

变电站直流系统存在的问题及解决方法 (北方联合电力 呼和浩特金桥热电厂 运行部，内蒙古 呼和浩特 010000) 摘 要：文章分析了变电站直流系统存在的问题，提出 了 采用超级电容替代蓄电池的解决措施。 关键词：变电站；直流屏；超级电容 中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007 6921(XX)12007602 1 当前变电站直流屏存在的问题 在我国 110KV、35KV、10KV 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： 1.1 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 35 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，曾发生直流屏爆炸的事故(电 世界 XX 年 12 期)。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 12 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。作为使用维护 者来说， 是一个令人头痛的事情。由于镉镍电池有较硬的放电特性 曲线，放电量达到 80%时 ，电压下降也不明显。稍有疏忽， 会造成电池过放电，出现极性反转而报废。由于直流屏是 变电站设备中的重中之重，直接影响到变电站的安全运行。 在“安全工作重于泰山”的环境 下，很多单位都将直流屏 列入日常必检项目进行考核。每日对 180 只(220V)电池进 行补液， 测量每只端电压，作记录，确实是一项既枯燥、 又烦琐的事。如电池全部安装在柜内，还具 有一定的危险。 1.2 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，这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 10 年左 右，至今还没有成熟的制造 、运行经验。XX 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 了国内阀控蓄电池的制造、运行方面的经验，达成如下 共识： 1.2.1 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 10 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。 1.2.2 影响阈控蓄电池寿命主要有如下几个因素 阀控蓄电池寿命对温度十分敏感生产厂家要求电池 运行环境温为 1525，当环 境温度超过 25后，每 升高 10电池寿命就要缩短一半。 例如：对 5 年期寿命的电池，当环境温度为 35时， 实际寿命只有 2.5 年，如果再升高 10 达到 45时，其 寿命只有约 1.25 年了。对于处在广大的华中、华南地区来 说，全年平均气 温超过 25的时间将长达 3 个多月，加上 安装阈控蓄电池的配电室，为防小动物入室，门窗 都比较 封闭，室内温度还要升高，对蓄电池的运行极为不利。 过度放电。蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿 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 被吸付到电池的阴极表面，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。 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 不同的平衡电极电位。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。 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。 失水。蓄电池失水也是影响其使用寿命的因素之一， 蓄电池失水会导致电解液比重增加，电池 栅板的腐蚀，使 蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而导致 其使用寿命减少。 当失水 5.5时，容量降到 75；失水 达到 25时，容量基本消失。 1.3 电解电容储能直流屏 20 世纪 6070 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。 2 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 XX 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，实现了电容量由 微法向法拉级的飞跃，是一种理想的大功率物理电 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。 该产品在世界上仅有美、日、俄少数国家才能生产。 我国的技术水平接近俄罗斯，价格 只是俄产的1/3 ， 并获得国家专利和 1999 年全国技术发明博览会金奖，填补 了可进行大 电流快速充放电的空白。推广该产品将会带来 巨大的经济效益，引发相关应用领域的一次技 术进步。 3 超级电容直流屏与蓄电池直流屏的性能对比 任何一种蓄电池都需要配置一套精确的、性能优良 的充放电装置。这套装置故障率相对较 高，而用超级电容 的直流屏可简化这套装置，降低了故障率，使成本下降。 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。 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。 蓄电池一旦过放电，要恢复其容量得充电数小时； 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。 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， 更能可靠的跳闸，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。 4 由超级电容组成的零维护直流屏简介 武汉海山电子仪器公司为充分发挥超级电容的特点， 而研制的新型直流屏，型号为：PE D-WC01。该产品定位于 110KV、35KV、10KV 的中小型未端变电站以及企业内部的 6KV 配电系统 ，要求经常性负荷小于 5A 的场所。 该产品性价比较高，采用了当今最流行的新技术，选 用日本 TDK 或 ABB 公司生产的高频开 关整流模块。集成了 电压控制、电流控制，以及过程控制于一体，实现对电容 恒流充电，达 到额定电压后，自动转为恒压控制。实现无 人值成套系统配置了 PLC+触摸屏方式，并配有四 遥接口， 使维护工作量降至最低，价格在同档次的直流屏中也是最 低的。它是理想的变电站 直流屏更新换代班的首选产品。 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