绿色变电站的电气设计

侯婷

(广东省电力设计研究院，广州市，510663)

0 引言

绿色变电站是指在变电站的全寿命周期内，最大限度地节约资源、保护环境和减少污染，提供安全、适用、健康的工作环境，高效低耗、环境友好，与自然和谐共存的变电站。

建设绿色变电站是电力节能环保的重要举措，具有重要的经济和社会效益。本文分别从节地、节能、节材与环保4个方面分析了绿色变电站的电气设计方案。

1 节约用地

我国人多地少、耕地资源稀缺，当前又正处于工业化、城镇化快速发展的时期，建设用地供需矛盾突出。因此，绿色变电站设计应充分考虑占地指标，变电站配电装置的设计应在满足安全可靠、技术先进、经济合理、运行维护方便的前提下坚持节约用地的原则，布置紧凑、合理。

1.1 紧凑型配电装置

目前变电站的开关形式基本为气体绝缘开关设备(GIS)、组合型气体绝缘开关设备(HGIS)、罐式断路器和瓷柱式断路器，对于上述几种形式的断路器，常规设备占地最大，其次是罐式，约为常规设备占地的95％；而GIS价格最高，瓷柱式最低。为了贯彻节能减排的要求，在山区地形、用地紧张、高海拔、重污秽地区可以采用占地较省的户外GIS设备，既能减少占地面积，也可以减少基础开挖量以及基础工程量，从而减少水泥和钢筋的需求量，同时也减少了水泥钢筋生产过程中的碳排放。

1.2 紧凑型布置

(1)悬吊管母布置形式由于相间距较小，可以减少间隔宽度，节约占地面积。管型母线基本成一直线，布置美观、清晰。特别是在地形复杂、地势高低起伏明显的条件下，采用悬吊管母可以灵活调节管母高度，减少场地对坡度的要求，减少“三通一平”场地所需的工程量，减少变电站投资。

(2)变电站不设置单独的通信机房，通信机房与二次设备房间一体化，可以简化互联环节，提高自动化、继保等业务传输通道的可靠性，还能有效减少控制楼的面积。

2 节约用材

2.1 电缆敷设路径

随着电力工业自动化程度的提高，变电站中的电缆连接数量大幅增多，目前变电站的电缆、光纤、数据线等敷设存在电缆浪费、敷设混乱、可追溯性差、扩建不方便等问题，而变电站中任何电缆的可靠性都要求很高，为保证变电站的可靠运行，电缆敷设路径应合理安排，符合路径短、转弯少、交叉少、便于扩建的要求，达到节材的目的。

2.2 继电器小室布置

220与110 kV变电站，二次设备一般集中布置在主控楼内。但对于500 kV变电站，继电器小室宜下放就近布置在配电装置附近，能大大减少控制电缆的数量，达到节材的目的。

2.3 接地网材料

我国变电站接地网主要选用钢材、镀铜钢材、铜材作为接地材料。这3种接地方案中，钢接地网的初期投资最低，铜接地网最高。对于占地面积较小的户内站，3种接地方案的初期投资相差较小，但从变电站的全寿命周期考虑，镀铜钢在耐腐蚀、地网均压、热稳定、施工便利和免维护等方面比钢材具有明显的优势。因此设计时占地面积较小的户内站应优先采用镀铜钢材作为接地网材料。

2.4 通信直流电源

110 kV变电站的通信直流电源可以采用站内直流系统经AC/DC转换供电，不设置单独的通信直流电源，减少设备的同时也节省了通信蓄电池房间。而220和500 kV变电站由于通信业务较多，变电站发生故障时将影响过往通信业务，因此需要按通信蓄电池单独配置考虑。

2.5 二次设备的网络化

随着智能高压设备在线监测技术的发展和应用，二次设备间可以使用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消常规自动化系统一次和二次设备之间点对点式的控制电缆，采用光纤网络直接通信。这样可以节省通信线路，用光缆替代大部分的二次控制电缆，二次系统可以不再敷设铜等电位接地网，节约了铜材和电缆沟、电缆支架的用量。

3 节能与能源利用

3.1 采用低损耗设备

据统计，我国变压器的总损耗占系统总发电量的10％左右，损耗每降低1％就可以节约上百亿kW·h的电能。因此降低变压器损耗，使用低损耗节能变压器是有效的节能措施［1］。由于主变压器损耗是变电站的主要损耗源，因此应选用低损耗的主变压器，减少主变运行过程中的电能损耗，保证运行的经济性。

500 kV三相一体式变压器较一组单相变压器的的总损耗约低10％，而且具有体积小、不需设防火墙、占地面积小的优点。因此，在运输条件允许的条件下500 kV变压可以考虑器采用三相一体式变压器。

站用变压器应尽量选择低损耗节能型产品。目前国内已逐渐将S9及更早型的变压器淘汰，使用新型低损耗变压器，如S11型、非晶合金型变压器。以SH15非晶合金型变压器为例，其空载损耗较S9型变压器下降70％～80％，具有优异的节能效果，但由于其价格昂贵，目前尚未大幅度推广。S11型卷铁心全密封变压器是一种低噪声、高效节能的变压器，与S9型相比其空载损耗下降30％～40％，噪声下降7～10 dB。因此应选用S11型及以上的低损耗、节能型站用变压器。

在大容量的并联电抗器中，目前主要有油浸式铁心和干式空心2种形式。另外干式半心电抗器也在国内获得了应用［2］，目前油浸式铁心电抗器的初期投资成本高于空心电抗器，但其损耗量较空心电抗器低，具有显著的节能减排效果，从全生命周期来看，油浸式铁心电抗器优于空心电抗器。干式半心电抗器由于目前供货厂家较少、价格较高，产品的成熟度也不及干式空心电抗器和油浸式铁心电抗器，在国内的变电站中应用较少。因此，设计选用并联电抗器时，应优先考虑选用油浸式铁心电抗器，并在同类产品中选择低损耗产品。

3.2 照明系统的优化设计

为满足节能、实现绿色环保的要求，首先应选用适合的高效节能灯具，如T5型荧光灯、LED灯及太阳能照明灯具等。

除了采用节能照明灯具实现节能外，还可以通过照明灯具的自动控制实现节能，如户外采用时控或光控，即根据日照的变化或预先设定的启闭时间进行控制；户内建筑的通道照明设置感应控制；对经常无人使用的场所、通道、出入口处的照明，应设单独开关分散控制，户外道路照明分组布置，以根据实际需要分区控制照明灯的启闭，避免用电浪费。

在资源条件允许的情况下，可以在变电站采用光伏发电技术，在变电站建筑物屋顶装设太阳能电池板，通过太阳能向变电站的照明、动力等站用负荷供电［3-4］，有利于节能减排、改善能源结构和环境保护。但目前光伏发电系统的造价较高，为满足经济性的要求，变电站内光伏发电系统的应用范围可以先限制为照明等生产辅助性负荷，随着今后光伏发电技术的不断完善及经济性的逐步提高，可逐步扩大变电站内光伏发电系统的应用范围。

3.3 抽能高抗的应用

随着500 kV远距离输电线路的建设，如果沿线没有大的负荷，一般需要在线路中建造500 kV开关站。当开关站位于既无可靠电源又远离负荷中心的偏远地区时，开关站站用电的可靠性难以保证，此时可以采用抽能高压并联电抗器［5］，在补偿电容电流的同时，可以直接从电抗器中抽出一部分能量作为站用电源，即避免了外界不利因素的影响，也提高了供电的可靠性，节省了线路走廊。

3.4 智能化设备的应用

高压设备安装相关的在线监测装置，建立智能化高压设备在线监测及评估系统，实现多状态量的综合在线监测、诊断、分析和评估功能，为高压设备的状态检修提供了依据，可以防止重大恶性事故的发生、节约成本和降低检修费，保证了电网的安全经济运行［6］。

4 变电站环境保护

4.1 减少变电站电磁辐射

随着国民经济的持续发展，用电负荷的迅猛增长，已经有数量较多的变电站深入到城市中心。城市居民由于环保意识的不断增强，对居民区附近变电站的电磁辐射所带来的环境影响日益关注。因此，绿色变电站应在设计时采取降低电磁辐射的措施：

(1)合理布置配电装置，有条件时可将电磁辐射较强的设备远离围墙布置。

(2)多采用三相一体设备，将其各相产生的电磁场抵消。若要采用分相设备，在设计时尽量缩短相间距，最大限度地抵消各相设备产生的电磁场。

(3)采用合理手段屏蔽电磁场。如高压设备采用GIS成套装置，或在设备周围布置金属屏蔽网，也可以充分利用建筑设施本身的金属结构来形成金属屏蔽网。

4.2 减少变电站噪声

变电站噪声源主要是变压器、电抗器、电容器和配电装置的电磁噪声、进出线的电磁噪声和放电噪声。影响变电站站内环境和站界噪声的主要噪声源是变压器［7］，变电站噪音治理主要分为无源消音和有源消音2种方式［8］，目前主要采用无源控制技术，即采用吸音和隔音等方法达到降低噪音的目的。该方法对高频噪音非常有效，而对于低频噪音并不适用；有源消音法，就是在变压器附近(通常在距离变压器1 m以内)放置若干个噪音发生器，使其产生的噪音分别与变压器的基频噪音及2～4次高频噪音相互抵消，从而使变压器的噪音受到抑制和衰减。与无源降噪方法相比，有源噪音控制不仅消音量较高，而且体积小，便于设计和控制，在城市变电站中有广阔的应用前景。

4.3 减少环境污染

4.3.1 接地方案

工程实践证明，使用降阻剂是降低接地装置接地电阻的有效措施。目前降阻剂使用过程中主要存在污染周边环境、腐蚀接地体、稳定性和长效性差等问题，因此，在实际变电站工程中，首先应科学合理地设计接地网，通过离子接地极及接地深井、斜井等方式来降低地网电阻。在对地网进行合理设计的基础上，仍无法达到接地电阻要求时才考虑使用降阻剂，并且不宜使用有污染的化学类降阻剂。

4.3.2 环保型防火封堵材料的应用

目前国内常用的有机防火封堵料中含有大量的氯化石蜡，氯化石蜡中游离出的氯离子与空气中的水分接触将生成盐酸，腐蚀电缆表皮和金属，而且常用有机防火堵料封堵层较厚，电缆表面散热难，容易造成局部温度过高，加剧了化学腐蚀反应。近年来，国内逐步采用一种新型环保的防火封堵材料，该材料不含卤素，无腐蚀性，无毒无污染，并且造价较低、性能好，便于远期扩建和改造［9］。因此，绿色变电站设计应优先考虑采用新型环保防火封堵材料。

4.3.3 无卤低烟阻燃型电力电缆的应用

目前国内电力电缆的绝缘材料以聚氯乙烯为主，但聚氯乙烯含有卤素，电缆发生事故燃烧时会释放出有毒的烟雾，严重污染环境，并且妨碍消防人员的救火和疏散人员。环保型电缆是指采用燃烧时不产生有害物质(包括铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯及多溴联苯醚等)、阻燃剂不含卤素的电缆［10-11］。发达国家一直重视低烟无卤素阻燃电缆的研发和推广，特别是在高层建筑、地铁、车站、机场、变电站和商场等相对密封或人员集中的建筑和设施内。我国低烟无卤阻燃电缆的开发和使用滞后于发达国家，但近年来，随着人们对环境保护意识的增强，该类电缆越来越多地应用于核电站、变电站中，因此户内站设计时应采用无卤低烟阻燃(WDZ)型电力电缆。

5 结语

绿色变电站的电气设计应从节地、节材、节能、环保这4个方面考虑，通过新技术的应用、先进环保的设备材料的选择、科学的工程设计等手段来实现。由于绿色变电站是一个新的概念，国内外尚没有系统的要求和经验可供借鉴，本文给出的方案还需在今后的工程设计中逐步完善。

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