超级电容器在变配电站直流系统中的应用

　　超级电容器简介
　　　　超级电容器是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器，有着法拉级的超大电容量，比传统的电解电容器的积能密度高上百倍，漏电流小近千倍，它的放电比功率较蓄电池高近十倍，不需要任何维护和保养，寿命长达十年以上，是一种理想的大功率物理二次电源，已成功的用作内燃发动机的启动电源；电动车的起步、加速、爬坡电源；高压开关的分合闸操作电源及用于电传动装甲车和大型充磁设备中。
　　　　目前我国已成功开发、生产出此类电容器。其系列技术指标为：电容量：0.2F-600F，工作电压：14V-400V，最大电流400A-2000A。
　　　　我国六十~八十年代建设的35KV变电站及10KV开关站，绝大多数高压开关（断路器）操动机构是CDX型电磁操动机构。在这些站的配电室中专门配有相应的直流系统，作为分、合闸操作、控制、保护用的直流电源。这些直流电源设备，主要是电容储能式硅整流分合闸装置和部分由蓄电池组构成的直流屏。
　　　　由于电容储能式硅整流分、合闸装置具有结构简单、成本低、维护量小的特点，因此在当时的这些末端站得到了广泛的应用，但是这些装置在实际使用中暴露出一个致命的令用户不可容忍的缺陷：事故分闸的可靠性差，其原因是使用的储能电解电容器组的容量有限（只有几千个微法），漏电流较大。有限的储能及停电后较大的漏电，使其无法在任何情况下保证事故分闸所需要的能量，由此造成的严重事故时有发生。不得已有些用户将其换成小容量的蓄电池组，其目的就是为了能保障分闸的能量，然而先抛开蓄电池组价格昂贵、寿命有限不说，单就从必须按规定对其进行维护保养才能正常工作这一点来说，就是让人头疼的问题，因为这里的蓄电池组不承担合闸任务，长时间处于备用状态，有些问题（如单个电池不良，记忆效应）不象蓄电池组直流屏那样从合闸操作中发现，这就要求工作人员主动定期的对蓄电池进行维护保养，由于工作量大，实际上这些工作在现场很难做到百分之百落实，甚至有些工作人员编造工作记录蒙哄过关，因此蓄电池组的内部状态是否时刻正常已很难保证，比如不及时发现蓄电池组中有问题的蓄电池进行更换，以及不定期消除镉镍电池的记忆效应。一旦供电线路出现事故需迅速分闸时，就有可能提供不了足够的能量，有可能造成更大的事故。这些现象在有些站特别是大行业的用户站，已不止一次发生过。
　　　　由蓄电池组成的直流屏，能存储很大的电能而实现停电后的长时间的直流供给，在一些重要站（如110KV及以上级别的变电站）这是必要的功能，然而象有些不重要的末端站及用户站，实际上并不需要停电后长时间的直流供给。考虑到要保证事故分闸的可靠性而使用了这样的设备，然而带来的却是很高的运营成本。经常的维护保养以及不长的使用寿命。另外故障率也因其电池的多节串联而增加（任何一节电池有问题，都将影响整个蓄电池组的照常工作。
　　对上述设备不尽如人意的问题，人们迫切希望有较好的办法来解决，超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。
　　超级电容器的应用方案之一
　　本方案适用于在用电容储能（或已更换蓄电池组）式硅整流分合闸装置。在原电路上改造的电路原理如图一所示：其中图中虚线框内所包含的线路图右上角打叉的为改造要去掉的电解电容器组或蓄电池组。图中虚线框内所包含的线路图右上角打勾为为需加入的超级电容器及电路，每只超级电容器参数为0.85F/280V，（85万微法）两只超级电容器采用同时工作，互为热备的工作方式。R1R2为充电限流电阻，根据所需充电速度的大小可选择500W或1000W卤钨灯（或100W~200W白炽灯）其冷态电阻较热态电阻小5~6倍，比较适合电容器电压建立后宜减小限流电阻的要求。这一方案的优势为：
　　1. 在保留了原设备结构简单，成本低，维护量小的特点的同时，保证了分闸能量供应的绝对可靠，这是因为超级电容器的储能较原电解电容器组大了几百倍，在停电后可保证数百次的分闸，安全余量非常大。
　　2. 极小的漏电使其荷电保持能力非常强，停电数天后应有上百次的分闸能力。
　　3. 一旦其中一只电容出现问题不会影响另一只的独立工作，其检查功能，在不影响另一只正常投入工作的情况下可在例行的检查中发现故障超级电容而更换掉。
　　超级电容应用方案之二
　　本方案主要适用于生产厂改型的电容储能式分合闸装置。本方案是将原电容储能式分合闸装置的大功率合闸整流电源部分换成小功率电源，只供超级电容器充电和一些经常负荷，去掉原装置中的电压补偿电解电容器组，由超级电容器负责高压开关的合闸及事故失电分闸。在这里合闸一次电压只降低3V左右，而这一电压降将很快被充电补充，适合连续合闸，这一方案的成本将低于原电容储能式硅整流分合闸装置，有着同方案一同样的优势，还可以在停电后有数分钟的经常负荷供电能力，较原装置是一个进步。C1、C2、R1、R2的选择同方案一。L、R的作用是只允许经常负荷电流通过，抑制合闸冲击电流的通过。
　　超级电容器应用方案之三
　　本方案适用于在不重要的末端站（不需要停电后长时间的直流电供给）使用了由蓄电池组组成的直流屏的改造，其中图中虚线框内所包含的线路图右上角打叉的部分为改造要去掉的部分。图中虚线框内所包含的线路图右上角打勾的部分为改造要加入的部分。本方案的功能同方案二，由于舍去了蓄电池组，从而大幅度降低了使用成本，减小了维修保护量，电源寿命延长，同时由于电容充电很快，因此不像蓄电池组那样，停电分闸后，怕亏电。R1R2的选择同方案一。
　　超级电容器应用方案四
　　本方案是设计一种新型的直流屏。我们知道蓄电池组容量的选择必须同时满足两个条件：第一是满足冲击负荷最大放电电流合闸要求。第二是满足经常负荷电流下的时间要求：当根据冲击负荷最大电流选择的电池容量（安时数）大于经常负荷的容量要求时，就可以将超级电容器与蓄电池组组成复合电源，由超级电容器承担冲击负荷，由蓄电池承担经常负荷，蓄电池组的容量就按经常负荷的要求选小些，这样既降低了成本、减小了维护量，同时又使蓄电池组免受大电流的冲击而延长使用寿命。这种复合电源的原理如图四所示：L、R的作用同方案二，R1的选择同方案一。
　　另外，也可将具有（超）高倍率放电能力的镉镍蓄电池换成同等容量的免维护铅酸蓄电池，按图四与超级电容器组成复合电源，这样既保留了蓄电池体积小的特点，又大幅度降低了蓄电池的成本，获得了与使用镉镍蓄电池同样的效能。