綠色變電站的電氣設計

侯婷

(廣東省電力設計研究院，廣州市，510663)

0 引言

綠色變電站是指在變電站的全壽命周期內，最大限度地節約資源、保護環境和減少污染，提供安全、適用、健康的工作環境，高效低耗、環境友好，與自然和諧共存的變電站。

建設綠色變電站是電力節能環保的重要舉措，具有重要的經濟和社會效益。本文分別從節地、節能、節材與環保4個方面分析了綠色變電站的電氣設計方案。

1 節約用地

我國人多地少、耕地資源稀缺，當前又正處于工業化、城鎮化快速發展的時期，建設用地供需矛盾突出。因此，綠色變電站設計應充分考慮占地指標，變電站配電裝置的設計應在滿足安全可靠、技術先進、經濟合理、運行維護方便的前提下堅持節約用地的原則，布置緊湊、合理。

1.1 緊湊型配電裝置

目前變電站的開關形式基本為氣體絕緣開關設備(GIS)、組合型氣體絕緣開關設備(HGIS)、罐式斷路器和瓷柱式斷路器，對于上述幾種形式的斷路器，常規設備占地最大，其次是罐式，約為常規設備占地的95％；而GIS價格最高，瓷柱式最低。為了貫徹節能減排的要求，在山區地形、用地緊張、高海拔、重污穢地區可以采用占地較省的戶外GIS設備，既能減少占地面積，也可以減少基礎開挖量以及基礎工程量，從而減少水泥和鋼筋的需求量，同時也減少了水泥鋼筋生產過程中的碳排放。

1.2 緊湊型布置

(1)懸吊管母布置形式由于相間距較小，可以減少間隔寬度，節約占地面積。管型母線基本成一直線，布置美觀、清晰。特別是在地形復雜、地勢高低起伏明顯的條件下，采用懸吊管母可以靈活調節管母高度，減少場地對坡度的要求，減少“三通一平”場地所需的工程量，減少變電站投資。

(2)變電站不設置單獨的通信機房，通信機房與二次設備房間一體化，可以簡化互聯環節，提高自動化、繼保等業務傳輸通道的可靠性，還能有效減少控制樓的面積。

2 節約用材

2.1 電纜敷設路徑

隨著電力工業自動化程度的提高，變電站中的電纜連接數量大幅增多，目前變電站的電纜、光纖、數據線等敷設存在電纜浪費、敷設混亂、可追溯性差、擴建不方便等問題，而變電站中任何電纜的可靠性都要求很高，為保證變電站的可靠運行，電纜敷設路徑應合理安排，符合路徑短、轉彎少、交叉少、便于擴建的要求，達到節材的目的。

2.2 繼電器小室布置

220與110 kV變電站，二次設備一般集中布置在主控樓內。但對于500 kV變電站，繼電器小室宜下放就近布置在配電裝置附近，能大大減少控制電纜的數量，達到節材的目的。

2.3 接地網材料

我國變電站接地網主要選用鋼材、鍍銅鋼材、銅材作為接地材料。這3種接地方案中，鋼接地網的初期投資最低，銅接地網最高。對于占地面積較小的戶內站，3種接地方案的初期投資相差較小，但從變電站的全壽命周期考慮，鍍銅鋼在耐腐蝕、地網均壓、熱穩定、施工便利和免維護等方面比鋼材具有明顯的優勢。因此設計時占地面積較小的戶內站應優先采用鍍銅鋼材作為接地網材料。

2.4 通信直流電源

110 kV變電站的通信直流電源可以采用站內直流系統經AC/DC轉換供電，不設置單獨的通信直流電源，減少設備的同時也節省了通信蓄電池房間。而220和500 kV變電站由于通信業務較多，變電站發生故障時將影響過往通信業務，因此需要按通信蓄電池單獨配置考慮。

2.5 二次設備的網絡化

隨著智能高壓設備在線監測技術的發展和應用，二次設備間可以使用通信網絡交換模擬量、開關量和控制命令等信息，取消常規自動化系統一次和二次設備之間點對點式的控制電纜，采用光纖網絡直接通信。這樣可以節省通信線路，用光纜替代大部分的二次控制電纜，二次系統可以不再敷設銅等電位接地網，節約了銅材和電纜溝、電纜支架的用量。

3 節能與能源利用

3.1 采用低損耗設備

據統計，我國變壓器的總損耗占系統總發電量的10％左右，損耗每降低1％就可以節約上百億kW·h的電能。因此降低變壓器損耗，使用低損耗節能變壓器是有效的節能措施［1］。由于主變壓器損耗是變電站的主要損耗源，因此應選用低損耗的主變壓器，減少主變運行過程中的電能損耗，保證運行的經濟性。

500 kV三相一體式變壓器較一組單相變壓器的的總損耗約低10％，而且具有體積小、不需設防火墻、占地面積小的優點。因此，在運輸條件允許的條件下500 kV變壓可以考慮器采用三相一體式變壓器。

站用變壓器應盡量選擇低損耗節能型產品。目前國內已逐漸將S9及更早型的變壓器淘汰，使用新型低損耗變壓器，如S11型、非晶合金型變壓器。以SH15非晶合金型變壓器為例，其空載損耗較S9型變壓器下降70％～80％，具有優異的節能效果，但由于其價格昂貴，目前尚未大幅度推廣。S11型卷鐵心全密封變壓器是一種低噪聲、高效節能的變壓器，與S9型相比其空載損耗下降30％～40％，噪聲下降7～10 dB。因此應選用S11型及以上的低損耗、節能型站用變壓器。

在大容量的并聯電抗器中，目前主要有油浸式鐵心和干式空心2種形式。另外干式半心電抗器也在國內獲得了應用［2］，目前油浸式鐵心電抗器的初期投資成本高于空心電抗器，但其損耗量較空心電抗器低，具有顯著的節能減排效果，從全生命周期來看，油浸式鐵心電抗器優于空心電抗器。干式半心電抗器由于目前供貨廠家較少、價格較高，產品的成熟度也不及干式空心電抗器和油浸式鐵心電抗器，在國內的變電站中應用較少。因此，設計選用并聯電抗器時，應優先考慮選用油浸式鐵心電抗器，并在同類產品中選擇低損耗產品。

3.2 照明系統的優化設計

為滿足節能、實現綠色環保的要求，首先應選用適合的高效節能燈具，如T5型熒光燈、LED燈及太陽能照明燈具等。

除了采用節能照明燈具實現節能外，還可以通過照明燈具的自動控制實現節能，如戶外采用時控或光控，即根據日照的變化或預先設定的啟閉時間進行控制；戶內建筑的通道照明設置感應控制；對經常無人使用的場所、通道、出入口處的照明，應設單獨開關分散控制，戶外道路照明分組布置，以根據實際需要分區控制照明燈的啟閉，避免用電浪費。

在資源條件允許的情況下，可以在變電站采用光伏發電技術，在變電站建筑物屋頂裝設太陽能電池板，通過太陽能向變電站的照明、動力等站用負荷供電［3-4］，有利于節能減排、改善能源結構和環境保護。但目前光伏發電系統的造價較高，為滿足經濟性的要求，變電站內光伏發電系統的應用范圍可以先限制為照明等生產輔助性負荷，隨著今后光伏發電技術的不斷完善及經濟性的逐步提高，可逐步擴大變電站內光伏發電系統的應用范圍。

3.3 抽能高抗的應用

隨著500 kV遠距離輸電線路的建設，如果沿線沒有大的負荷，一般需要在線路中建造500 kV開關站。當開關站位于既無可靠電源又遠離負荷中心的偏遠地區時，開關站站用電的可靠性難以保證，此時可以采用抽能高壓并聯電抗器［5］，在補償電容電流的同時，可以直接從電抗器中抽出一部分能量作為站用電源，即避免了外界不利因素的影響，也提高了供電的可靠性，節省了線路走廊。

3.4 智能化設備的應用

高壓設備安裝相關的在線監測裝置，建立智能化高壓設備在線監測及評估系統，實現多狀態量的綜合在線監測、診斷、分析和評估功能，為高壓設備的狀態檢修提供了依據，可以防止重大惡性事故的發生、節約成本和降低檢修費，保證了電網的安全經濟運行［6］。

4 變電站環境保護

4.1 減少變電站電磁輻射

隨著國民經濟的持續發展，用電負荷的迅猛增長，已經有數量較多的變電站深入到城市中心。城市居民由于環保意識的不斷增強，對居民區附近變電站的電磁輻射所帶來的環境影響日益關注。因此，綠色變電站應在設計時采取降低電磁輻射的措施：

(1)合理布置配電裝置，有條件時可將電磁輻射較強的設備遠離圍墻布置。

(2)多采用三相一體設備，將其各相產生的電磁場抵消。若要采用分相設備，在設計時盡量縮短相間距，最大限度地抵消各相設備產生的電磁場。

(3)采用合理手段屏蔽電磁場。如高壓設備采用GIS成套裝置，或在設備周圍布置金屬屏蔽網，也可以充分利用建筑設施本身的金屬結構來形成金屬屏蔽網。

4.2 減少變電站噪聲

變電站噪聲源主要是變壓器、電抗器、電容器和配電裝置的電磁噪聲、進出線的電磁噪聲和放電噪聲。影響變電站站內環境和站界噪聲的主要噪聲源是變壓器［7］，變電站噪音治理主要分為無源消音和有源消音2種方式［8］，目前主要采用無源控制技術，即采用吸音和隔音等方法達到降低噪音的目的。該方法對高頻噪音非常有效，而對于低頻噪音并不適用；有源消音法，就是在變壓器附近(通常在距離變壓器1 m以內)放置若干個噪音發生器，使其產生的噪音分別與變壓器的基頻噪音及2～4次高頻噪音相互抵消，從而使變壓器的噪音受到抑制和衰減。與無源降噪方法相比，有源噪音控制不僅消音量較高，而且體積小，便于設計和控制，在城市變電站中有廣闊的應用前景。

4.3 減少環境污染

4.3.1 接地方案

工程實踐證明，使用降阻劑是降低接地裝置接地電阻的有效措施。目前降阻劑使用過程中主要存在污染周邊環境、腐蝕接地體、穩定性和長效性差等問題，因此，在實際變電站工程中，首先應科學合理地設計接地網，通過離子接地極及接地深井、斜井等方式來降低地網電阻。在對地網進行合理設計的基礎上，仍無法達到接地電阻要求時才考慮使用降阻劑，并且不宜使用有污染的化學類降阻劑。

4.3.2 環保型防火封堵材料的應用

目前國內常用的有機防火封堵料中含有大量的氯化石蠟，氯化石蠟中游離出的氯離子與空氣中的水分接觸將生成鹽酸，腐蝕電纜表皮和金屬，而且常用有機防火堵料封堵層較厚，電纜表面散熱難，容易造成局部溫度過高，加劇了化學腐蝕反應。近年來，國內逐步采用一種新型環保的防火封堵材料，該材料不含鹵素，無腐蝕性，無毒無污染，并且造價較低、性能好，便于遠期擴建和改造［9］。因此，綠色變電站設計應優先考慮采用新型環保防火封堵材料。

4.3.3 無鹵低煙阻燃型電力電纜的應用

目前國內電力電纜的絕緣材料以聚氯乙烯為主，但聚氯乙烯含有鹵素，電纜發生事故燃燒時會釋放出有毒的煙霧，嚴重污染環境，并且妨礙消防人員的救火和疏散人員。環保型電纜是指采用燃燒時不產生有害物質(包括鉛、鎘、汞、六價鉻、多溴聯苯及多溴聯苯醚等)、阻燃劑不含鹵素的電纜［10-11］。發達國家一直重視低煙無鹵素阻燃電纜的研發和推廣，特別是在高層建筑、地鐵、車站、機場、變電站和商場等相對密封或人員集中的建筑和設施內。我國低煙無鹵阻燃電纜的開發和使用滯后于發達國家，但近年來，隨著人們對環境保護意識的增強，該類電纜越來越多地應用于核電站、變電站中，因此戶內站設計時應采用無鹵低煙阻燃(WDZ)型電力電纜。

5 結語

綠色變電站的電氣設計應從節地、節材、節能、環保這4個方面考慮，通過新技術的應用、先進環保的設備材料的選擇、科學的工程設計等手段來實現。由于綠色變電站是一個新的概念，國內外尚沒有系統的要求和經驗可供借鑒，本文給出的方案還需在今后的工程設計中逐步完善。

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