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摘要：钠和锂具有类似的物化性质，且钠资源储量丰富、分布广泛、成本较低，因此在变电站储能领域具有良好的应用前景。现首先分析钠离子电池工作原理，然后介绍钠离子电池在变电站的应用场景及优势，最后重点探讨钠离子电池应用于变电站所面临的挑战，并对未来技术发展方向进行了展望。
关键词：电力系统;变电站;钠离子电池
0 引言
目前，锂离子电池发展状况良好，但是受锂资源储量的限制，难以同时支撑电子产品和电网储能的发展。因此，成本低廉、资源丰富、性能良好的鈉元素受到了一定的关注，钠离子电池能够满足电网储能领域成本低、安全性高、使用寿命长的要求，有望在变电站工程领域逐步替代铅酸电池，扮演重要角色。
1 钠离子电池简介
1.1 钠离子电池原理介绍
正极、负极、电解液、隔膜和集流体等部件构成了钠离子电池[1]，正负极之间由隔膜隔开以防止短路，电解液浸润正负极以确保离子导通，集流体起到收集和传输电子的作用。充电时，Na+从正极出发，在电解液里穿过隔膜进入负极，使正极处于高电势，负极处于低电势;放电时，Na+从负极出发，经电解液穿过隔膜进入正极，恢复原本态势。若以NaxMO2为正极材料，硬碳为负极材料，则反应式可表示为：
正极反应：NaxMO2？圳Nax-yMO2+yNa++ye-
负极反应：nC+yNa++ye-？圳NayCn
电池反应：NaxMO2+nC？圳Nax-yMO2+NayCn
1.2 钠离子电池优势
1.2.1 资源储量
钠资源的地壳丰度是锂资源的423倍，因此钠资源的价格远远低于锂资源，仅为后者的1.33%。并且钠资源在全球范围内均有分布，而锂资源的分布非常不均匀，75%分布在美洲。目前我国80%以上的锂资源需要进口，因此在地缘政治博弈中，储能电池使用钠资源比使用锂资源更能保证国家的能源安全。
1.2.2 材料成本
碳酸锂（99.5%电池级/国产）2021年均价为8.7万元/t，而无水碳酸钠2021年均价为0.3万元/t，并且钠离子电池其他材料也可选用低成本材料制作。因此，钠离子电池是电网储能更好的选择[2]。
1.2.3 使用性能
1.2.3.1 钠离子电池与锂离子电池的比较
虽然钠离子电池能量密度比锂离子电池低，按照钠离子电池80～100 W·h/kg、磷酸铁锂电池120～150 W·h/kg计算，前者能量密度仅为后者的2/3。但是钠离子的溶剂化能力更低，界面去溶剂化能力更强;钠离子的斯托克斯直径比锂离子电池的小，电解液浓度可以更低;钠离子电池具有优异的充放电倍率性能和高、低温性能，根据中科海钠公布的数据，钠离子电池循环寿命达4 000次以上，高、低温性能优异，安全性高，具备快充能力。这些优点足以弥补钠离子能量密度的不足[1]。
1.2.3.2 钠离子电池与铅酸电池的比较
铅酸电池循环寿命平均达450次，钠离子电池循环寿命更长;铅酸电池产业链存在较高的铅污染风险，而钠离子电池产业链污染风险较低;铅酸电池能量密度仅为40 W·h/kg，钠离子电池能量密度更高。
1.2.4 安全性能
钠离子电池安全性能好，体现在测试环节，钠离子电池能在针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中做到不起火、不爆炸。锂离子电池中锂枝晶的形成和发展，往往会导致锂离子电池短路自燃，而钠离子电池中，由于钠本身具有更高的活性，钠枝晶的化学稳定性不如锂枝晶，在准零电化学场下，在某些电解液中，钠枝晶会自消溶。因此，在对安全稳定运行要求异常严格的电力系统中，钠离子电池更具有优势。
2 钠离子电池在变电站中的应用场景
2.1 替代铅酸蓄电池
变电站直流系统如图1所示[3]。直流系统蓄电池组正常处于浮充电状态，由若干铅酸蓄电池串联起来。铅酸蓄电池在日常维护工作中主要有以下缺点：（1）质量、体积较大，需要考虑放置问题及承重问题，难以满足简化蓄电池组结构的要求。（2）密封蓄电池的使用寿命一般为4～5年，更换成本高。（3）蓄电池容量检测时，因为电池组数量多，放电时间长，放电后又要及时进行充电，就会损耗蓄电池本体，且耗费人力、物力。钠离子电池具有使用寿命长、成本较低、维护工作量少、质量较轻、体积较小的优点，能够替代铅酸蓄电池，增强直流系统性能。
2.2 替代应急发电机，降低变电站线损率
变电站站用电系统如图2所示[3]。
变电站站用电负荷采用辐射状供电和环形供电相结合的供电方式，接有Ⅰ类负荷、Ⅱ类负荷、Ⅲ类负荷，主变压器冷却系统、变电站消防系统负荷属于Ⅰ类负荷。
发电机广泛用作变电站应急电源。当变电站发生故障，站用电全停的时候，往往需要变电站值班员人工将发电机接入交流系统，并且需要手动启动发电机。假如在这段时间空隙中，变电站主变压器冷却系统、变电站消防系统不能工作，可能会扩大事故范围，影响电网运行稳定性。
当前变电站线损率仍然处于较高水平，随着降低变电站线损率工作的常规化开展，降低变电站线损率的潜力逐步减小。因此，提出一个构想，即利用光伏发电+钠离子电池储能的方式，在站用电系统中并联由钠离子电池、光伏电池板组成的光储一体化系统，经逆变器并入交流系统。
正常状态下钠离子电池组处于浮充电状态，并联于光伏专用直流系统，光伏电能通过光伏专用直流系统，经逆变器并联于站用电系统，为站用电系统提供清洁能源，降低变电站线损率，起到节能、环保的作用。当站用电系统因外部故障而全停的时候，钠离子电池组能够瞬时响应，为站用电重要负荷提供电源。因此，光储一体化系统可以替代当前的柴油发电机，增强站用电系统的供电可靠性。 3 钠离子电池应用于变电站的挑战
3.1 钠离子电池选型
当前钠离子电池研发方向众多，还没有一个成熟的应用方案。在变电站这种需要安全、稳定、高效的应用环境下，具体选用哪一种材料、哪一种设计，目前还没有被充分检验过的技术方案，还需要不断地进行筛选。
3.2 钠离子电池运行稳定性
目前钠离子电池虽然有实验样品，且在实验室环境下具有优良的测试成绩，但是还没有在实际工作环境中得到有效检验，因此还需要不断地进行测试。
3.3 钠离子电池配套系统
当钠离子电池用于在直流系统中替代铅酸蓄电池时，原本适用于铅酸蓄电池的配套保护系统可能不适用于钠离子蓄电池，这就需要不断摸索合适的系统参数，才能适用于钠离子蓄电池保护;当钠离子电池用于站用电系统，替代应急发电机、降低变电站线损率时，还需要更新相应的保护系统体系，更新站用电系统ATS自动切换逻辑。当站用电系统发生内部短路故障时，能够闭锁ATS装置，解列光伏电源交流并网点，减少二次短路电流冲击对系统造成的损害。因此，还需要科技人员和工程人员研发出相应的配套系统，在满足电网安全稳定性的同时提质增效。
3.4 钠离子电池安全性
在钠离子电池应用于变电站的场景中，可能会产生新的安全问题[1]。电池里面的电解质起着分隔正负极、传导离子的作用，碳酸酯类电解质易燃、易泄漏，这就降低了电池的安全性。因此，还需要摸索出安全可靠的钠离子电池电解质，提高钠离子电池安全性能。
4 结语
钠离子电池在变电站中不同的应用场景，显示出其在变电站应用领域提质增效的巨大潜能。钠离子电池具有成为锂离子电池在电网储能应用中的替代产品的潜力，因此，本文分析了钠离子电池在变电站中替代铅酸蓄电池、替代应急发电机、降低变电站线损率的应用情形，对钠离子电池应用于变电站面临的挑战进行了探讨。未来钠离子电池在变电站的应用需要将研究工作从理论转向工程应用，使钠离子電池技术能在变电站乃至电网领域得到发展和进步，为保护国家能源安全做出应有的贡献。
[参考文献]
[1] 胡勇胜，陆雅翔，陈立泉.钠离子电池科学与技术[M].北京：科学出版社，2020.
[2] 叶佳佳，胡成.钠离子电池在电网储能领域的应用前景展望[J].山东电力技术，2021，48（2）：7-10.
[3] 宋继成.220～500 kV变电站电气接线设计[M].2版.北京：中国电力出版社，2014.
收稿日期：2021-07-15
作者简介：李明远（1995—），男，广东江门人，助理工程师，主要从事变电运行工作。
关键词：电力系统;变电站;钠离子电池
0 引言
目前，锂离子电池发展状况良好，但是受锂资源储量的限制，难以同时支撑电子产品和电网储能的发展。因此，成本低廉、资源丰富、性能良好的鈉元素受到了一定的关注，钠离子电池能够满足电网储能领域成本低、安全性高、使用寿命长的要求，有望在变电站工程领域逐步替代铅酸电池，扮演重要角色。
1 钠离子电池简介
1.1 钠离子电池原理介绍
正极、负极、电解液、隔膜和集流体等部件构成了钠离子电池[1]，正负极之间由隔膜隔开以防止短路，电解液浸润正负极以确保离子导通，集流体起到收集和传输电子的作用。充电时，Na+从正极出发，在电解液里穿过隔膜进入负极，使正极处于高电势，负极处于低电势;放电时，Na+从负极出发，经电解液穿过隔膜进入正极，恢复原本态势。若以NaxMO2为正极材料，硬碳为负极材料，则反应式可表示为：
正极反应：NaxMO2？圳Nax-yMO2+yNa++ye-
负极反应：nC+yNa++ye-？圳NayCn
电池反应：NaxMO2+nC？圳Nax-yMO2+NayCn
1.2 钠离子电池优势
1.2.1 资源储量
钠资源的地壳丰度是锂资源的423倍，因此钠资源的价格远远低于锂资源，仅为后者的1.33%。并且钠资源在全球范围内均有分布，而锂资源的分布非常不均匀，75%分布在美洲。目前我国80%以上的锂资源需要进口，因此在地缘政治博弈中，储能电池使用钠资源比使用锂资源更能保证国家的能源安全。
1.2.2 材料成本
碳酸锂（99.5%电池级/国产）2021年均价为8.7万元/t，而无水碳酸钠2021年均价为0.3万元/t，并且钠离子电池其他材料也可选用低成本材料制作。因此，钠离子电池是电网储能更好的选择[2]。
1.2.3 使用性能
1.2.3.1 钠离子电池与锂离子电池的比较
虽然钠离子电池能量密度比锂离子电池低，按照钠离子电池80～100 W·h/kg、磷酸铁锂电池120～150 W·h/kg计算，前者能量密度仅为后者的2/3。但是钠离子的溶剂化能力更低，界面去溶剂化能力更强;钠离子的斯托克斯直径比锂离子电池的小，电解液浓度可以更低;钠离子电池具有优异的充放电倍率性能和高、低温性能，根据中科海钠公布的数据，钠离子电池循环寿命达4 000次以上，高、低温性能优异，安全性高，具备快充能力。这些优点足以弥补钠离子能量密度的不足[1]。
1.2.3.2 钠离子电池与铅酸电池的比较
铅酸电池循环寿命平均达450次，钠离子电池循环寿命更长;铅酸电池产业链存在较高的铅污染风险，而钠离子电池产业链污染风险较低;铅酸电池能量密度仅为40 W·h/kg，钠离子电池能量密度更高。
1.2.4 安全性能
钠离子电池安全性能好，体现在测试环节，钠离子电池能在针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中做到不起火、不爆炸。锂离子电池中锂枝晶的形成和发展，往往会导致锂离子电池短路自燃，而钠离子电池中，由于钠本身具有更高的活性，钠枝晶的化学稳定性不如锂枝晶，在准零电化学场下，在某些电解液中，钠枝晶会自消溶。因此，在对安全稳定运行要求异常严格的电力系统中，钠离子电池更具有优势。
2 钠离子电池在变电站中的应用场景
2.1 替代铅酸蓄电池
变电站直流系统如图1所示[3]。直流系统蓄电池组正常处于浮充电状态，由若干铅酸蓄电池串联起来。铅酸蓄电池在日常维护工作中主要有以下缺点：（1）质量、体积较大，需要考虑放置问题及承重问题，难以满足简化蓄电池组结构的要求。（2）密封蓄电池的使用寿命一般为4～5年，更换成本高。（3）蓄电池容量检测时，因为电池组数量多，放电时间长，放电后又要及时进行充电，就会损耗蓄电池本体，且耗费人力、物力。钠离子电池具有使用寿命长、成本较低、维护工作量少、质量较轻、体积较小的优点，能够替代铅酸蓄电池，增强直流系统性能。
2.2 替代应急发电机，降低变电站线损率
变电站站用电系统如图2所示[3]。
变电站站用电负荷采用辐射状供电和环形供电相结合的供电方式，接有Ⅰ类负荷、Ⅱ类负荷、Ⅲ类负荷，主变压器冷却系统、变电站消防系统负荷属于Ⅰ类负荷。
发电机广泛用作变电站应急电源。当变电站发生故障，站用电全停的时候，往往需要变电站值班员人工将发电机接入交流系统，并且需要手动启动发电机。假如在这段时间空隙中，变电站主变压器冷却系统、变电站消防系统不能工作，可能会扩大事故范围，影响电网运行稳定性。
当前变电站线损率仍然处于较高水平，随着降低变电站线损率工作的常规化开展，降低变电站线损率的潜力逐步减小。因此，提出一个构想，即利用光伏发电+钠离子电池储能的方式，在站用电系统中并联由钠离子电池、光伏电池板组成的光储一体化系统，经逆变器并入交流系统。
正常状态下钠离子电池组处于浮充电状态，并联于光伏专用直流系统，光伏电能通过光伏专用直流系统，经逆变器并联于站用电系统，为站用电系统提供清洁能源，降低变电站线损率，起到节能、环保的作用。当站用电系统因外部故障而全停的时候，钠离子电池组能够瞬时响应，为站用电重要负荷提供电源。因此，光储一体化系统可以替代当前的柴油发电机，增强站用电系统的供电可靠性。 3 钠离子电池应用于变电站的挑战
3.1 钠离子电池选型
当前钠离子电池研发方向众多，还没有一个成熟的应用方案。在变电站这种需要安全、稳定、高效的应用环境下，具体选用哪一种材料、哪一种设计，目前还没有被充分检验过的技术方案，还需要不断地进行筛选。
3.2 钠离子电池运行稳定性
目前钠离子电池虽然有实验样品，且在实验室环境下具有优良的测试成绩，但是还没有在实际工作环境中得到有效检验，因此还需要不断地进行测试。
3.3 钠离子电池配套系统
当钠离子电池用于在直流系统中替代铅酸蓄电池时，原本适用于铅酸蓄电池的配套保护系统可能不适用于钠离子蓄电池，这就需要不断摸索合适的系统参数，才能适用于钠离子蓄电池保护;当钠离子电池用于站用电系统，替代应急发电机、降低变电站线损率时，还需要更新相应的保护系统体系，更新站用电系统ATS自动切换逻辑。当站用电系统发生内部短路故障时，能够闭锁ATS装置，解列光伏电源交流并网点，减少二次短路电流冲击对系统造成的损害。因此，还需要科技人员和工程人员研发出相应的配套系统，在满足电网安全稳定性的同时提质增效。
3.4 钠离子电池安全性
在钠离子电池应用于变电站的场景中，可能会产生新的安全问题[1]。电池里面的电解质起着分隔正负极、传导离子的作用，碳酸酯类电解质易燃、易泄漏，这就降低了电池的安全性。因此，还需要摸索出安全可靠的钠离子电池电解质，提高钠离子电池安全性能。
4 结语
钠离子电池在变电站中不同的应用场景，显示出其在变电站应用领域提质增效的巨大潜能。钠离子电池具有成为锂离子电池在电网储能应用中的替代产品的潜力，因此，本文分析了钠离子电池在变电站中替代铅酸蓄电池、替代应急发电机、降低变电站线损率的应用情形，对钠离子电池应用于变电站面临的挑战进行了探讨。未来钠离子电池在变电站的应用需要将研究工作从理论转向工程应用，使钠离子電池技术能在变电站乃至电网领域得到发展和进步，为保护国家能源安全做出应有的贡献。
[参考文献]
[1] 胡勇胜，陆雅翔，陈立泉.钠离子电池科学与技术[M].北京：科学出版社，2020.
[2] 叶佳佳，胡成.钠离子电池在电网储能领域的应用前景展望[J].山东电力技术，2021，48（2）：7-10.
[3] 宋继成.220～500 kV变电站电气接线设计[M].2版.北京：中国电力出版社，2014.
收稿日期：2021-07-15
作者简介：李明远（1995—），男，广东江门人，助理工程师，主要从事变电运行工作。