超級電容器在變配電站直流系統中的應用

　　超級電容器簡介
　　　　超級電容器是近幾年才發展起來的一種專門用于儲能的特種電容器，有著法拉級的超大電容量，比傳統的電解電容器的積能密度高上百倍，漏電流小近千倍，它的放電比功率較蓄電池高近十倍，不需要任何維護和保養，壽命長達十年以上，是一種理想的大功率物理二次電源，已成功的用作內燃發動機的啟動電源；電動車的起步、加速、爬坡電源；高壓開關的分合閘操作電源及用于電傳動裝甲車和大型充磁設備中。
　　　　目前我國已成功開發、生產出此類電容器。其系列技術指標為：電容量：0.2F-600F，工作電壓：14V-400V，最大電流400A-2000A。
　　　　我國六十~八十年代建設的35KV變電站及10KV開關站，絕大多數高壓開關（斷路器）操動機構是CDX型電磁操動機構。在這些站的配電室中專門配有相應的直流系統，作為分、合閘操作、控制、保護用的直流電源。這些直流電源設備，主要是電容儲能式硅整流分合閘裝置和部分由蓄電池組構成的直流屏。
　　　　由于電容儲能式硅整流分、合閘裝置具有結構簡單、成本低、維護量小的特點，因此在當時的這些末端站得到了廣泛的應用，但是這些裝置在實際使用中暴露出一個致命的令用戶不可容忍的缺陷：事故分閘的可靠性差，其原因是使用的儲能電解電容器組的容量有限（只有幾千個微法），漏電流較大。有限的儲能及停電后較大的漏電，使其無法在任何情況下保證事故分閘所需要的能量，由此造成的嚴重事故時有發生。不得已有些用戶將其換成小容量的蓄電池組，其目的就是為了能保障分閘的能量，然而先拋開蓄電池組價格昂貴、壽命有限不說，單就從必須按規定對其進行維護保養才能正常工作這一點來說，就是讓人頭疼的問題，因為這里的蓄電池組不承擔合閘任務，長時間處于備用狀態，有些問題（如單個電池不良，記憶效應）不象蓄電池組直流屏那樣從合閘操作中發現，這就要求工作人員主動定期的對蓄電池進行維護保養，由于工作量大，實際上這些工作在現場很難做到百分之百落實，甚至有些工作人員編造工作記錄蒙哄過關，因此蓄電池組的內部狀態是否時刻正常已很難保證，比如不及時發現蓄電池組中有問題的蓄電池進行更換，以及不定期消除鎘鎳電池的記憶效應。一旦供電線路出現事故需迅速分閘時，就有可能提供不了足夠的能量，有可能造成更大的事故。這些現象在有些站特別是大行業的用戶站，已不止一次發生過。
　　　　由蓄電池組成的直流屏，能存儲很大的電能而實現停電后的長時間的直流供給，在一些重要站（如110KV及以上級別的變電站）這是必要的功能，然而象有些不重要的末端站及用戶站，實際上并不需要停電后長時間的直流供給。考慮到要保證事故分閘的可靠性而使用了這樣的設備，然而帶來的卻是很高的運營成本。經常的維護保養以及不長的使用壽命。另外故障率也因其電池的多節串聯而增加（任何一節電池有問題，都將影響整個蓄電池組的照常工作。
　　對上述設備不盡如人意的問題，人們迫切希望有較好的辦法來解決，超級電容器的出現及其具備的優良性能為解決這一問題帶來了希望。
　　超級電容器的應用方案之一
　　本方案適用于在用電容儲能（或已更換蓄電池組）式硅整流分合閘裝置。在原電路上改造的電路原理如圖一所示：其中圖中虛線框內所包含的線路圖右上角打叉的為改造要去掉的電解電容器組或蓄電池組。圖中虛線框內所包含的線路圖右上角打勾為為需加入的超級電容器及電路，每只超級電容器參數為0.85F/280V，（85萬微法）兩只超級電容器采用同時工作，互為熱備的工作方式。R1R2為充電限流電阻，根據所需充電速度的大小可選擇500W或1000W鹵鎢燈（或100W~200W白熾燈）其冷態電阻較熱態電阻小5~6倍，比較適合電容器電壓建立后宜減小限流電阻的要求。這一方案的優勢為：
　　1. 在保留了原設備結構簡單，成本低，維護量小的特點的同時，保證了分閘能量供應的絕對可靠，這是因為超級電容器的儲能較原電解電容器組大了幾百倍，在停電后可保證數百次的分閘，安全余量非常大。
　　2. 極小的漏電使其荷電保持能力非常強，停電數天后應有上百次的分閘能力。
　　3. 一旦其中一只電容出現問題不會影響另一只的獨立工作，其檢查功能，在不影響另一只正常投入工作的情況下可在例行的檢查中發現故障超級電容而更換掉。
　　超級電容應用方案之二
　　本方案主要適用于生產廠改型的電容儲能式分合閘裝置。本方案是將原電容儲能式分合閘裝置的大功率合閘整流電源部分換成小功率電源，只供超級電容器充電和一些經常負荷，去掉原裝置中的電壓補償電解電容器組，由超級電容器負責高壓開關的合閘及事故失電分閘。在這里合閘一次電壓只降低3V左右，而這一電壓降將很快被充電補充，適合連續合閘，這一方案的成本將低于原電容儲能式硅整流分合閘裝置，有著同方案一同樣的優勢，還可以在停電后有數分鐘的經常負荷供電能力，較原裝置是一個進步。C1、C2、R1、R2的選擇同方案一。L、R的作用是只允許經常負荷電流通過，抑制合閘沖擊電流的通過。
　　超級電容器應用方案之三
　　本方案適用于在不重要的末端站（不需要停電后長時間的直流電供給）使用了由蓄電池組組成的直流屏的改造，其中圖中虛線框內所包含的線路圖右上角打叉的部分為改造要去掉的部分。圖中虛線框內所包含的線路圖右上角打勾的部分為改造要加入的部分。本方案的功能同方案二，由于舍去了蓄電池組，從而大幅度降低了使用成本，減小了維修保護量，電源壽命延長，同時由于電容充電很快，因此不像蓄電池組那樣，停電分閘后，怕虧電。R1R2的選擇同方案一。
　　超級電容器應用方案四
　　本方案是設計一種新型的直流屏。我們知道蓄電池組容量的選擇必須同時滿足兩個條件：第一是滿足沖擊負荷最大放電電流合閘要求。第二是滿足經常負荷電流下的時間要求：當根據沖擊負荷最大電流選擇的電池容量（安時數）大于經常負荷的容量要求時，就可以將超級電容器與蓄電池組組成復合電源，由超級電容器承擔沖擊負荷，由蓄電池承擔經常負荷，蓄電池組的容量就按經常負荷的要求選小些，這樣既降低了成本、減小了維護量，同時又使蓄電池組免受大電流的沖擊而延長使用壽命。這種復合電源的原理如圖四所示：L、R的作用同方案二，R1的選擇同方案一。
　　另外，也可將具有（超）高倍率放電能力的鎘鎳蓄電池換成同等容量的免維護鉛酸蓄電池，按圖四與超級電容器組成復合電源，這樣既保留了蓄電池體積小的特點，又大幅度降低了蓄電池的成本，獲得了與使用鎘鎳蓄電池同樣的效能。