超级电容器直流储能系统在FTU上的应用

超级电容器直流储能系统应用于FTU

来源：/hccclaire

超级电容器是近年出现的一种介于电池与电解电容器之间的新型绿色储能元件，具有电容器功率密度高、寿命长、无需维护及充放电迅速等特性。为了推动超级电容器在电力控制系统的应用范围，通过工程实践介绍超级电容器

在FTU控制系统中的应用原理和实际效果。

1.前言

10kV配电网自动化的一个重要环节是在线路上，安装具有自动化功能的开关设备。而柱上开关设备装设在户外，承受恶劣的运行环境。如须适应-40℃~70℃运行温度，须对风沙、雨雾、防腐等有可靠的防护。同时，由于邻近高压，当中的二次部分需要承受强电场、大电流、雷电等的干扰。因此对这种柱上开关设备装的性能和质量要求特别严格。

按电力行业标准定义，配网自动化终端设备为馈线远方终端FTU(Feeder terminal unit)，主要功能是故障检测、就地保护控制、状态监控、远程控制和电量测量及与配电自动化系统中心主站通信。

故障位置判断、隔离故障区段、恢复正常区域供电，是配电网自动化最重要的功能。为实现架空分闸可靠性差，导致事故扩大。这项功能必须确保在故障期间，能够获取停电区域的信息，并通过远方控制跳开一部分开关，再合上一些开关。如果该区域停电，无论是计算机系统工作所需的电源或是通信系统所需的电源，以及跳闸或合闸所需的操作电源，都无法解决。

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，它在FTU中得到了广泛的应用。但是它的一个致命的缺陷是：储能电解电容器组容量不大(约几千微法)，漏电流又较大，无法维持事故分闸所需要的能量。事故分闸可靠性差，导致事故扩大。

为了保障分闸的能量，有些用户对现场的FTU安装蓄电池作停电时的电源，还要配备充电器和逆变器。然而蓄电池长期运行不作维护，性能无法保持。事故可靠分闸亦同样无保证。为解决上述工作电源问题，引入超级电容器在柱上开关设备的应用。

2.超级电容的技术特性

超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，它介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电优点，也有电池的储能特性。可重复使用、寿命长。放电是导体间的电子移动，而不依靠化学反应，可以为设备提供电能。

2.1超级电容的技术原理

超级电容器属于双电层电容器，是世界上容量最大的双电层电容器之一。其工作原理与其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构来获得超大的容量。

北京合众汇能科技有限公司是专业生产超级电容及系统的超级电容应用和生产公司。在电力太阳能军工等行业有广大的客户和成熟的应用方案。

超级电容器/法拉电容/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。

目前我国只有北京合众汇能科技有限公司生产的超级电容单体容量达到3000F，并有许多产品应用于电力设备。

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/法拉电容/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