关于变电站直流屏技术的分析报告

直流屏是变电站正常运行的重要组成，其能够持续向变电站输送稳定的直流电源，满足了电力设备操作运行的用电需求。从实际运用情况来说，变电站蓄电池直流屏在使用寿命及电能供应方面的性能难以达到标准要求，制约了直流电源操作系统性能的发挥。研究发现采用超级电容直流屏可有效解决直流电源供应难题，经过改进后的超级电容直流屏在性能、寿命、稳定等方面都有了很大的改善，其与蓄电池直流屏相比存在明显的优势。

直流电源操作系统简称“直流屏”，在变电站中向各种电力设备提供稳定的直流电源，也是现代变电站核心的电力操作电源。直流屏技术不仅保护了电力系统的正常运行，对于其他元件的稳定操控也起到很好的保护作用。对变电站直流屏存在的问题进行深入分析，可以保证持续性的直流电源供应，为电力设备及相关模块的正常操控创造有利的条件。电力行业积极引入直流屏技术可加快变电站的自动化、智能化发展，提高变电站设备运行的整体效率。

一、当前变电站直流屏存在的问题

国内变电站采用的直流屏由充电柜、充电模块、监控模块、电池组、降压硅链等结构组成，每一个模块都对直流电源供应发挥重要的作用。从行业发展趋势分析直流屏，其属于数字化调控模式下运行的直流系统，对变电站直流电源供应具有调控、保护、管理、监测等多方面作用。目前，变电站采用直流屏技术具备了远程监测、调控等高级功能，方便了值班人员对电力系统运行的调控。但直流屏存在的一些问题也应该引起技术人员的关注，镉镍蓄电池、密封铅酸蓄电池是常用的直流屏，其主要问题如下：

（一）镉镍蓄电池直流屏

1. 性能问题。变电站通过直流母线输出电能需要使用大批蓄电池模块，以此来维持正常的直流电源操控。如：一般情况下，大型变电站直流母线输出220V，需使用200 只左右的蓄电池组合模块。但镉镍蓄电池在生产处理期间，厂家无法保证每只蓄电池的充电、放电性能完全一致，200 只蓄电池组合起来会产生明显的特性差异。镉镍蓄电池直流屏在供应直流电源后所连接的充电电源一致，并且负荷放电的对象相同。这种特点导致局部镉镍蓄电池的性能减弱，降低了整个蓄电池组合模块的功能。

2. 寿命问题。由于镉镍蓄电池组合材料的缺陷，直流屏运行时本质上处于“浮充状态”，此时镉镍蓄电池直流屏的使用寿命取决于充电机。按照行业标准里的规定，厂家对镉镍蓄电池的保证命在10 年以上，而具体使用的记录情况仅有5 年左右的时间。蓄电池直流屏寿命缩短的原因是由94于俯冲电流超标会造成电解液中的水电解成氢、氧，这是造成蓄电池炸的根本原因，若采用镉镍蓄电池直流屏时未做特殊处理，则很容易引起意外事故。因此，直流屏的使用寿命长短会受到其他方面因素的限制。

3. 氧化问题。变电厂镉镍蓄电池直流屏使用期间也会出现氧化还原反应，使镉镍材料发生化学反应生成氧化镉，造成极板的有效面积不断减小。为了避免氧化还原反应的发生，变电站工作人员会定期对蓄电池进行“活化试验”分析。在活化试验里需对蓄电池进行充放电处理，这一阶段的操作会发生极性反转而导致蓄电池报废。另外，氧化还原反应在破坏镉镍直流屏性能的同时，对变电站的稳定运行也会埋下安全隐患，如：若把蓄电池完全安装于柜内，很容易引起烧毁、爆炸等安全事故。

（二）密封铅酸蓄电池直流屏

在科学技术的推动下，国内变电站直流屏技术不断发展，许多新的蓄电池产品也在变电站中得到了普遍运用。基于镉镍蓄电池直流屏存在的不足，企业开始采用密封铅酸蓄电池，简称“阀控蓄电池”。这种产品在质量、性能、价格、维护等方面均优于镉镍蓄电池。如：阀控蓄电池无需进行过多的维护或加水处理，为变电站操作人员提供了很大的方便。但该直流屏处于“全密封”状态也引起了诸多问题，尤其是在电池观测、检查等操作时，维护人员难以及时更新装置。另外，由于国内阀控蓄电池技术相对落后，产品运用于变电站时寿命无保障，并且对于阀控蓄电池直流屏的运行条件十分严格，给变电站的正常生产造成了很大的困难。

二、影响阈控蓄电池寿命的因素

使用寿命是制约阀控蓄电池推广的重要因

素，各大、中、小型变电站采用这种电源装置均会考虑使用寿命的年限，以控制变电站的运行成本。经试验数据分析，对阀控蓄电池使用寿命造成影响的因素集中在温度因素、放电因素、失水因素、腐蚀因素，等等。

（一）温度因素

尽管阀控蓄电池运用于变电站还存在明显的不足，但与镉镍蓄电池相比已经有了很大的改进，对变电站直流电源操作系统的运行创造了更好的条件。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。

（二）放电因素

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。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。在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，阀控蓄电池的使用寿命会大大减短。

（三）腐蚀因素

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。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。电池的栅板就会变薄，容量降低，会缩短使用寿命。

（四）浮充因素

变电站使用的蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，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。

（五）失水因素

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。

三、超级电容用于直流屏的有关试验

为了证明超级电容用于变电站直流屏中的优点，列举了几个常见的试验案例，根据试验结果分析超级电容直流屏技术的综合性能特点。

（一）用超级电容对断路器合闸的试验

超级电容标称容量0.82F，耐压280V，用超级电容对断路器合闸的试验。试验方法：断开615 柜合闸电源；将已充电的超级电容两出线端并接在合闸接触器触头上；模拟正常方式合闸，按下合闸接钮，记录合闸次数和电容端电压。共合闸15 次，每次都合闸成功。结果：电容充电至10%额定电压95时，可对CD- Ⅱ型电磁机构可靠合闸大于8 次，每次合闸使电容端电压下降5V。

（二）超级电容充电时间测试

超级电容的初充电，如不加限流电阻，相当于发生短路。生产厂家推荐使用1000W碘钨灯作限流电阻，其冷态电阻较热态电阻小近10 倍，符合电容电压上升后宜减小限流电阻的要求。以下试验数据均是串入1000W 碘钨灯实测的数据。结果：不同的充电电源对充电速度有影响，但不管什么电源电容由零伏充至额定电压时仅需3 分钟。以后，长期浮充电流在0～10mA 变化。

（三）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。结果：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布均匀有关。在正常运用时，超级电容处在长期浮充状态，完全断开负载后可维持有效电压达3 天（72 小时）。

四、超级电容直流屏与蓄电池直流屏的性能对比

根据超级电容运用于直流屏的试验结果分析，其不仅摆脱了传统蓄电池直流屏存在的不足，也显著提升了变电站电力系统运行的效率，为操作人员的系统控制与改造提供了足够的直流电源。为了验证超级电容直流屏的诸多优势，本文以使用性能为重点，从故障、寿命、维护等方面，对超级电容直流屏与蓄电池直流屏进行综合对比。

（一）故障方面对比

变电站不管采用哪一类蓄电池，其在使用时都需要配备相应的放电装置，这是保证蓄电池持续供应直流电源的重要条件。参照试验结果判断，传统蓄电池直流屏采用的放电装置的故障发生率明显高于超级电容直流屏，不利于变电站日常操作的稳定运行。而超级电容放电装置在结构方面更为简化，对其进行改造或放电更加便捷。

（二）寿命方面对比

当蓄电池使用结束后需要进行充电才能正常使用，长期充电会导致蓄电池的使用寿命减短，一般要短于标准使用寿命的5～10 年时间，限制了蓄电池直流屏作用的稳定发挥。而超级电容直流屏的使用寿命更长，这是由于其不存在过充电、过放电问题，在生产期间限定最高充电电压即可满足维护需要，有效避免了超级电容使用寿命减短。

（三）维护方面对比

从直流屏维护角度来看，变电站的日常维护工作量较大，不仅要定期对蓄电池进行检测、更新，还要对电池内部的线路连接综合监测，给工作人员造成了很大的难度。但超级电容直流屏用于变电站无需过多的维护，在安装初期对直流屏装置全面检测达标后即可长期使用。从性能恢复来说，蓄电池放电后要经过几个小时的恢复才能正常供电，超级电容仅需3～5 分钟即可复原电能。保持了变电站的正常供电。

五、结论

直流电源操作系统是变电站正常运行的基本保证，其能够及时将电流输送到各个电力设备中供应使用。伴随着社会现代化发展步伐的加快，我国变电站建设面临着新的改革优化，各种蓄电池直流屏逐渐被其他形式的装置所取代，这对于变电站未来的革新发展大有帮助。超级电容直流屏是变电站直流屏的先进技术，其在性能、维护、寿命、故障等方面都明显优越于传统的蓄电池直流屏，在电力行业中应得到全面推广使用。