直流屏是變電站正常運行的重要組成，其能夠持續(xù)向變電站輸送穩(wěn)定的直流電源，滿足了電力設(shè)備操作運行的用電需求。從實際運用情況來說，變電站蓄電池直流屏在使用壽命及電能供應(yīng)方面的性能難以達到標(biāo)準(zhǔn)要求，制約了直流電源操作系統(tǒng)性能的發(fā)揮。研究發(fā)現(xiàn)采用超級電容直流屏可有效解決直流電源供應(yīng)難題，經(jīng)過改進后的超級電容直流屏在性能、壽命、穩(wěn)定等方面都有了很大的改善，其與蓄電池直流屏相比存在明顯的優(yōu)勢。
直流電源操作系統(tǒng)簡稱“直流屏”，在變電站中向各種電力設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電源，也是現(xiàn)代變電站核心的電力操作電源。直流屏技術(shù)不僅保護了電力系統(tǒng)的正常運行，對于其他元件的穩(wěn)定操控也起到很好的保護作用。對變電站直流屏存在的問題進行深入分析，可以保證持續(xù)性的直流電源供應(yīng)，為電力設(shè)備及相關(guān)模塊的正常操控創(chuàng)造有利的條件。電力行業(yè)積極引入直流屏技術(shù)可加快變電站的自動化、智能化發(fā)展，提高變電站設(shè)備運行的整體效率。
一、當(dāng)前變電站直流屏存在的問題
國內(nèi)變電站采用的直流屏由充電柜、充電模塊、監(jiān)控模塊、電池組、降壓硅鏈等結(jié)構(gòu)組成，每一個模塊都對直流電源供應(yīng)發(fā)揮重要的作用。從行業(yè)發(fā)展趨勢分析直流屏，其屬于數(shù)字化調(diào)控模式下運行的直流系統(tǒng)，對變電站直流電源供應(yīng)具有調(diào)控、保護、管理、監(jiān)測等多方面作用。目前，變電站采用直流屏技術(shù)具備了遠程監(jiān)測、調(diào)控等高級功能，方便了值班人員對電力系統(tǒng)運行的調(diào)控。但直流屏存在的一些問題也應(yīng)該引起技術(shù)人員的關(guān)注，鎘鎳蓄電池、密封鉛酸蓄電池是常用的直流屏，其主要問題如下：
（一）鎘鎳蓄電池直流屏
1.性能問題。變電站通過直流母線輸出電能需要使用大批蓄電池模塊，以此來維持正常的直流電源操控。如：一般情況下，大型變電站直流母線輸出220V，需使用200只左右的蓄電池組合模塊。但鎘鎳蓄電池在生產(chǎn)處理期間，廠家無法保證每只蓄電池的充電、放電性能完全一致，200只蓄電池組合起來會產(chǎn)生明顯的特性差異。鎘鎳蓄電池直流屏在供應(yīng)直流電源后所連接的充電電源一致，并且負荷放電的對象相同。這種特點導(dǎo)致局部鎘鎳蓄電池的性能減弱，降低了整個蓄電池組合模塊的功能。
2.壽命問題。由于鎘鎳蓄電池組合材料的缺陷，直流屏運行時本質(zhì)上處于“浮充狀態(tài)”，此時鎘鎳蓄電池直流屏的使用壽命取決于充電機。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里的規(guī)定，廠家對鎘鎳蓄電池的保證命在10年以上，而具體使用的記錄情況僅有5年左右的時間。蓄電池直流屏壽命縮短的原因是由94于俯沖電流超標(biāo)會造成電解液中的水電解成氫、氧，這是造成蓄電池炸的根本原因，若采用鎘鎳蓄電池直流屏?xí)r未做特殊處理，則很容易引起意外事故。因此，直流屏的使用壽命長短會受到其他方面因素的限制。
3.氧化問題。變電廠鎘鎳蓄電池直流屏使用期間也會出現(xiàn)氧化還原反應(yīng)，使鎘鎳材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化鎘，造成極板的有效面積不斷減小。為了避免氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，變電站工作人員會定期對蓄電池進行“活化試驗”分析。在活化試驗里需對蓄電池進行充放電處理，這一階段的操作會發(fā)生極性反轉(zhuǎn)而導(dǎo)致蓄電池報廢。另外，氧化還原反應(yīng)在破壞鎘鎳直流屏性能的同時，對變電站的穩(wěn)定運行也會埋下安全隱患，如：若把蓄電池完全安裝于柜內(nèi)，很容易引起燒毀、爆炸等安全事故。
（二）密封鉛酸蓄電池直流屏
在科學(xué)技術(shù)的推動下，國內(nèi)變電站直流屏技術(shù)不斷發(fā)展，許多新的蓄電池產(chǎn)品也在變電站中得到了普遍運用。基于鎘鎳蓄電池直流屏存在的不足，企業(yè)開始采用密封鉛酸蓄電池，簡稱“閥控蓄電池”。這種產(chǎn)品在質(zhì)量、性能、價格、維護等方面均優(yōu)于鎘鎳蓄電池。如：閥控蓄電池?zé)o需進行過多的維護或加水處理，為變電站操作人員提供了很大的方便。但該直流屏處于“全密封”狀態(tài)也引起了諸多問題，尤其是在電池觀測、檢查等操作時，維護人員難以及時更新裝置。另外，由于國內(nèi)閥控蓄電池技術(shù)相對落后，產(chǎn)品運用于變電站時壽命無保障，并且對于閥控蓄電池直流屏的運行條件十分嚴格，給變電站的正常生產(chǎn)造成了很大的困難。
二、影響閾控蓄電池壽命的因素
使用壽命是制約閥控蓄電池推廣的重要因
素，各大、中、小型變電站采用這種電源裝置均會考慮使用壽命的年限，以控制變電站的運行成本。經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析，對閥控蓄電池使用壽命造成影響的因素集中在溫度因素、放電因素、失水因素、腐蝕因素，等等。
（一）溫度因素
盡管閥控蓄電池運用于變電站還存在明顯的不足，但與鎘鎳蓄電池相比已經(jīng)有了很大的改進，對變電站直流電源操作系統(tǒng)的運行創(chuàng)造了更好的條件。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)境溫為15℃～25℃，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。
（二）放電因素
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。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。在陰極板上形成的硫酸鹽越多，電池的內(nèi)阻越大，閥控蓄電池的使用壽命會大大減短。
（三）腐蝕因素
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。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。電池的柵板就會變薄，容量降低，會縮短使用壽命。
（四）浮充因素
變電站使用的蓄電池大多數(shù)都處于長期的浮充電狀態(tài)下，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(biāo)準(zhǔn)容量，從而導(dǎo)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。
（五）失水因素
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5.5％時，容量降到75％；失水達到25％時，容量基本消失。
三、超級電容用于直流屏的有關(guān)試驗
為了證明超級電容用于變電站直流屏中的優(yōu)點，列舉了幾個常見的試驗案例，根據(jù)試驗結(jié)果分析超級電容直流屏技術(shù)的綜合性能特點。
（一）用超級電容對斷路器合閘的試驗
超級電容標(biāo)稱容量0.82F，耐壓280V，用超級電容對斷路器合閘的試驗。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。共合閘15次，每次都合閘成功。結(jié)果：電容充電至10%額定電壓95時，可對CD-Ⅱ型電磁機構(gòu)可靠合閘大于8次，每次合閘使電容端電壓下降5V。
（二）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小限流電阻的要求。以下試驗數(shù)據(jù)均是串入1000W碘鎢燈實測的數(shù)據(jù)。結(jié)果：不同的充電電源對充電速度有影響，但不管什么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0～10mA變化。
（三）超級電容自放電測試
將超級電容充至242V后，與負載完全脫離，隔日同一時間測量電容端電壓。結(jié)果：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)部電荷來不及分布均勻有關(guān)。在正常運用時，超級電容處在長期浮充狀態(tài)，完全斷開負載后可維持有效電壓達3天（72小時）。
四、超級電容直流屏與蓄電池直流屏的性能對比
根據(jù)超級電容運用于直流屏的試驗結(jié)果分析，其不僅擺脫了傳統(tǒng)蓄電池直流屏存在的不足，也顯著提升了變電站電力系統(tǒng)運行的效率，為操作人員的系統(tǒng)控制與改造提供了足夠的直流電源。為了驗證超級電容直流屏的諸多優(yōu)勢，本文以使用性能為重點，從故障、壽命、維護等方面，對超級電容直流屏與蓄電池直流屏進行綜合對比。
（一）故障方面對比
變電站不管采用哪一類蓄電池，其在使用時都需要配備相應(yīng)的放電裝置，這是保證蓄電池持續(xù)供應(yīng)直流電源的重要條件。參照試驗結(jié)果判斷，傳統(tǒng)蓄電池直流屏采用的放電裝置的故障發(fā)生率明顯高于超級電容直流屏，不利于變電站日常操作的穩(wěn)定運行。而超級電容放電裝置在結(jié)構(gòu)方面更為簡化，對其進行改造或放電更加便捷。
（二）壽命方面對比
當(dāng)蓄電池使用結(jié)束后需要進行充電才能正常使用，長期充電會導(dǎo)致蓄電池的使用壽命減短，一般要短于標(biāo)準(zhǔn)使用壽命的5～10年時間，限制了蓄電池直流屏作用的穩(wěn)定發(fā)揮。而超級電容直流屏的使用壽命更長，這是由于其不存在過充電、過放電問題，在生產(chǎn)期間限定最高充電電壓即可滿足維護需要，有效避免了超級電容使用壽命減短。
（三）維護方面對比
從直流屏維護角度來看，變電站的日常維護工作量較大，不僅要定期對蓄電池進行檢測、更新，還要對電池內(nèi)部的線路連接綜合監(jiān)測，給工作人員造成了很大的難度。但超級電容直流屏用于變電站無需過多的維護，在安裝初期對直流屏裝置全面檢測達標(biāo)后即可長期使用。從性能恢復(fù)來說，蓄電池放電后要經(jīng)過幾個小時的恢復(fù)才能正常供電，超級電容僅需3～5分鐘即可復(fù)原電能。保持了變電站的正常供電。
五、結(jié)論
直流電源操作系統(tǒng)是變電站正常運行的基本保證，其能夠及時將電流輸送到各個電力設(shè)備中供應(yīng)使用。伴隨著社會現(xiàn)代化發(fā)展步伐的加快，我國變電站建設(shè)面臨著新的改革優(yōu)化，各種蓄電池直流屏逐漸被其他形式的裝置所取代，這對于變電站未來的革新發(fā)展大有幫助。超級電容直流屏是變電站直流屏的先進技術(shù)，其在性能、維護、壽命、故障等方面都明顯優(yōu)越于傳統(tǒng)的蓄電池直流屏，在電力行業(yè)中應(yīng)得到全面推廣使用。
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