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方面的性能難以達到標準要求，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，為電力設備及相關模塊的正常操控創(chuàng)造有利的條件。電力行業(yè)積極引入直流屏技術可加快變電站的自動化、智能化發(fā)展，提高變電站設備運行的整體效率。
一、當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、降壓硅鏈等結構組成，每一個模塊都對直流電源供應發(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該引起技術人員的關注，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)標準里的規(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時未做特殊處理，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，使鎘鎳材料發(fā)生化學反應生成氧化鎘，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)生極性反轉而導致蓄電池報廢。另外，氧化還原反應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
在科學技術的推動下，國內(nèi)變電站直流屏技術不斷發(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?；阪k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：閥控蓄電池無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。當蓄電池被過度放電到輸出電壓為零時，會導致電池內(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，水被消耗，H增加，從而導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。
（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致其使用壽命減少。當失水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)試驗結果分析超級電容直流屏技術的綜合性能特點。
（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。結果：電容充電至10%額定電壓95時，可對CD-Ⅱ型電磁機構可靠合閘大于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。結果：端電壓下降速度與是否經(jīng)過浮充有關，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。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的放電裝置，這是保證蓄電池持續(xù)供應直流電源的重要條件。參照試驗結果判斷，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構方面更為簡化，對其進行改造或放電更加便捷。
（二）壽命方面對比
當蓄電池使用結束后需要進行充電才能正常使用，長期充電會導致蓄電池的使用壽命減短，一般要短于標準使用壽命的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后即可長期使用。從性能恢復來說，蓄電池放電后要經(jīng)過幾個小時的恢復才能正常供電，超級電容僅需3～5分鐘即可復原電能。保持了變電站的正常供電。
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備中供應使用。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，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)中應得到全面推廣使用。
