變電站節(jié)能設(shè)計(jì)方案的研究與實(shí)現(xiàn)

付振強(qiáng)，王 舒，張 健

（國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001）

變電站節(jié)能設(shè)計(jì)方案的研究與實(shí)現(xiàn)

付振強(qiáng)，王 舒，張 健

（國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001）

變電站包含多種設(shè)備，所需生產(chǎn)耗電量大、資源浪費(fèi)嚴(yán)重。傳統(tǒng)變電站建設(shè)時(shí)由于缺少節(jié)能理念和相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步增加了變電站的能源消耗。因此，提出了變電站的節(jié)能設(shè)計(jì)方案，分別從變電站高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱、變壓器冷卻風(fēng)扇、變電站暖通、變電站照明幾方面進(jìn)行了節(jié)能設(shè)計(jì)。

變電站；節(jié)能設(shè)計(jì)；加熱器；溫度自動(dòng)控制器；太陽能

節(jié)約能源是我國的基本國策，在能源發(fā)展戰(zhàn)略中居首位。我國處于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展時(shí)期，能源消耗迅速增加，導(dǎo)致較嚴(yán)重的能源危機(jī)。隨著國家政策的落實(shí)和節(jié)能環(huán)保理念的推廣，國家電網(wǎng)公司順應(yīng)時(shí)代要求，提出在系統(tǒng)內(nèi)建設(shè)兩型一化及兩型三新的新型變電站［1-2］。

目前，變電站包含多種設(shè)備，所需生產(chǎn)耗電量大、資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而傳統(tǒng)變電站建設(shè)時(shí)由于缺少節(jié)能理念和相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步增加了變電站的能源消耗。因此，進(jìn)行變電站節(jié)能改造刻不容緩。以鞍山地區(qū)為例，目前有500 kV變電站2座，220 kV變電站20座，66 kV變電站137座，地方電廠9座，用戶變電站130座，若對(duì)各個(gè)變電站進(jìn)行節(jié)能改造，節(jié)約變電站能源消耗的同時(shí)還可以提高變電站的運(yùn)行效率。

1 設(shè)計(jì)方案

變電站節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足其使用功能和保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行的前提下，最大程度減少資源浪費(fèi)和能源消耗，以提高變電站的資源和能源利用率。220 kV及66 kV變電站的節(jié)能設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性工程，涉及專業(yè)廣泛，節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)首先要滿足變電站使用要求和正常的運(yùn)行及維護(hù)，在其基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)［3］。本文主要從變電站高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱、變壓器冷卻風(fēng)扇、變電站暖通、變電站照明幾方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。

2 方案實(shí)施

2.1 高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱節(jié)能設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)通常配有加熱器，因?yàn)槿绻谀承┨囟ōh(huán)境下，如北方冬天溫度低，高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)電器設(shè)備直接投入使用，危害較大，容易造成事故，這時(shí)需要啟動(dòng)加熱器使柜內(nèi)溫度達(dá)到適合電氣設(shè)備運(yùn)行的溫度，從而減少故障，延長產(chǎn)品的壽命。目前常見的高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱升溫處理方法是，運(yùn)行人員在日常巡視中根據(jù)天氣情況或查看端子箱內(nèi)部情況進(jìn)行人工開啟或關(guān)閉加熱器［4］，少數(shù)變電站安裝了自動(dòng)檢測溫度裝置。

由于變電運(yùn)維人員工作繁重，如逢春秋檢，便無法及時(shí)人工控制高壓開關(guān)柜及戶外開關(guān)機(jī)構(gòu)箱加熱器，因其為人工操作，存在容易遺忘的問題。再者自動(dòng)檢測溫度裝置沒有故障報(bào)警功能，無法監(jiān)測加熱器可能出現(xiàn)斷線的情況，若過于依賴自動(dòng)檢測溫度裝置，一旦裝置發(fā)生故障，同樣會(huì)帶來很大安全隱患。因此，有必要研究一種能在各種環(huán)境條件下長期可靠運(yùn)行的設(shè)備來解決這些問題。本文提出在原有加熱器上加裝溫度自動(dòng)控制器。高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)

在溫度自動(dòng)控制器設(shè)定各高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫度定值，自動(dòng)采集柜內(nèi)溫度，通過溫度自動(dòng)控制器傳送到監(jiān)控后臺(tái)，根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)進(jìn)行加熱器的啟動(dòng)和停止，以控制加熱器工作情況。同時(shí)，溫度自動(dòng)控制器具有完善的自我監(jiān)測報(bào)警功能，一旦發(fā)生加熱回路斷線、長時(shí)間無法改善箱內(nèi)溫度等情況，自動(dòng)傳送給監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，在加熱器處連接1塊電能表，通過電能表示數(shù)可以直觀看出加裝溫度自動(dòng)控制器后的節(jié)電量。

2.2 變壓器冷卻風(fēng)扇節(jié)能設(shè)計(jì)

變壓器在整個(gè)電力系統(tǒng)中是一種應(yīng)用廣泛的電器設(shè)備，其冷卻方式有油浸式自冷、油浸式風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循環(huán)等，目前在運(yùn)變壓器多為強(qiáng)迫油循環(huán)方式，當(dāng)冷卻系統(tǒng)工作時(shí)，油泵與風(fēng)扇串聯(lián)，共同投入或退出，耗能比較嚴(yán)重［5-6］。為此，本文將此類變壓器冷卻器的油泵電源回路與風(fēng)扇電源回路分開，保證油泵正常運(yùn)行的同時(shí)，在變壓器風(fēng)扇控制回路選取1個(gè)接點(diǎn)，加1個(gè)反映變壓器本體或油溫度的溫度自動(dòng)控制器。變壓器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 變壓器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)

溫度自動(dòng)控制器根據(jù)規(guī)程要求設(shè)定風(fēng)扇啟動(dòng)值和返回值，自動(dòng)采集變壓器本體或油溫度信號(hào)來控制風(fēng)扇的啟停。當(dāng)變壓器本體或油溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，接點(diǎn)閉合；冷卻風(fēng)扇啟動(dòng)，當(dāng)變壓器本體或油溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，接點(diǎn)斷開，冷卻風(fēng)扇停止，避免風(fēng)扇不必要的轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的能源消耗。當(dāng)長時(shí)間無法改善變壓器本體或油溫度時(shí)，自動(dòng)傳送給監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，將冷卻風(fēng)扇連接1塊電能表，以便觀察加裝溫度自動(dòng)控制器后的耗電量。

2.3 變電站暖通節(jié)能設(shè)計(jì)

北方地區(qū)變電站內(nèi)夏季采用空調(diào)進(jìn)行室內(nèi)降溫，冬季采用電暖器進(jìn)行室內(nèi)采暖。因此，空調(diào)及電暖器是站用電的重要用電設(shè)備，作為長期運(yùn)行的變電站輔助設(shè)施，開展空調(diào)及電暖器節(jié)能工作具有極其重要的意義。

a. 空調(diào)節(jié)能

目前變電站的高壓室、保護(hù)室、主控室、蓄電池室、休息室等都裝有空調(diào)，且大部分是功率較大的柜式空調(diào)。因此，通過對(duì)空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)與實(shí)施，不僅能夠減少空調(diào)耗能，還能減少空調(diào)使用率，延長空調(diào)使用壽命［7］。空調(diào)耗電主要原因是溫度設(shè)置過低、不必要開機(jī)時(shí)間長以及開機(jī)時(shí)門窗打開等。

以變電站保護(hù)室空調(diào)節(jié)能為例，本文提出在保護(hù)室原有空調(diào)控制回路上選取1個(gè)接點(diǎn)，加裝1臺(tái)溫度自動(dòng)控制器，根據(jù)室內(nèi)溫度情況設(shè)定空調(diào)的啟動(dòng)值和返回值，自動(dòng)采集信號(hào)來控制空調(diào)的工作溫度。當(dāng)保護(hù)室內(nèi)溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，接點(diǎn)閉合，空調(diào)啟動(dòng)；當(dāng)保護(hù)室內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，接點(diǎn)斷開，空調(diào)停止，減少了空調(diào)不必要的開機(jī)時(shí)間帶來的能源消耗。同時(shí)，將空調(diào)單獨(dú)連接1塊電能表，通過電能表示數(shù)判斷加裝溫度自動(dòng)控制器后的節(jié)能情況。變電站保護(hù)室空調(diào)系統(tǒng)如圖3所示。通過溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，保護(hù)室內(nèi)溫度夏季保持在26～28℃，冬季保持在5～20℃。

b. 采暖節(jié)能

目前變電站多為無人值守變電站，因此可以根據(jù)變電站室內(nèi)人員工作情況自動(dòng)控制電暖器的溫度，有人工作的場所及休息室溫度設(shè)定在20℃，無人房間溫度設(shè)定在5℃，保證房間內(nèi)設(shè)備不被凍壞即可。通過自動(dòng)控制室內(nèi)溫度，不僅能降低電暖器耗電功率和使用頻率，還能增加節(jié)能效率。

圖3 變電站保護(hù)室空調(diào)系統(tǒng)

2.4 變電站照明節(jié)能設(shè)計(jì)

照明節(jié)能是變電站節(jié)能的重要組成部分，按照國家電網(wǎng)公司智能化站的設(shè)計(jì)思路及 “綠色照明”思想，本文提出切換模式的變電站照明系統(tǒng)，采用太陽能和電切換方式，降低照明負(fù)荷的同時(shí)，還可以保護(hù)燈具、延長燈具使用壽命［8］。變電站照明系統(tǒng)如圖4所示。

原有變電站戶內(nèi)和戶外照明均由所內(nèi)變提供，但對(duì)于日照時(shí)間長的變電站可采用太陽能發(fā)電、供電的方式。在照明回路上加裝1組互鎖，當(dāng)日照充分時(shí)可以將太陽能供電回路接點(diǎn)閉合，則所內(nèi)變供電回路接點(diǎn)自動(dòng)斷開，由太陽能發(fā)電給變電站照明系統(tǒng)供電，當(dāng)日照不充分或夜晚時(shí)可以將此接點(diǎn)斷開，則所內(nèi)變供電回路接點(diǎn)閉合，由所內(nèi)變給變電站照明系統(tǒng)供電。

圖4 變電站照明系統(tǒng)

3 方案效果

在鞍山地區(qū)變電站中選擇一座220 kV變電站作為試點(diǎn)，從4個(gè)方面進(jìn)行節(jié)能效果分析。

3.1 高壓開關(guān)柜及開關(guān)機(jī)構(gòu)箱節(jié)能效果

現(xiàn)場應(yīng)用表明，使用溫度自動(dòng)控制器的變電站，減少了戶外巡視、人工啟動(dòng)或停止加熱器的操作，從監(jiān)控后臺(tái)可以隨時(shí)監(jiān)控各加熱器的運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)約了人力，確保加熱器100%處于良好工作狀態(tài)。

以該變電站內(nèi)LW6B-252W開關(guān)機(jī)構(gòu)箱為例，其加熱器加熱功率為1 000 W，1 h耗電量1 kWh， 1天24 h耗電量24 kWh，加熱器每年11月～次年3月末啟動(dòng)，按使用151天計(jì)算，耗電量24×151＝3 624 kWh，若加熱器的使用時(shí)間系數(shù)為0.6，則耗電量3 624×0.6＝2 174.4 kWh。安裝溫度自動(dòng)控制器后，以節(jié)能50%計(jì)算，則加熱器耗電可節(jié)能1 087.2 kWh，以0.5元／kWh計(jì)算，1個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)箱加熱器可節(jié)約543.6元。

3.2 變壓器冷卻風(fēng)扇節(jié)能效果

該變電站有2臺(tái)主變壓器，每臺(tái)主變壓器冷卻器有風(fēng)扇8組，每組風(fēng)扇額定功率為1 200 W，變壓器運(yùn)行1天24 h，每組風(fēng)扇消耗電量28.8 kWh。變電站現(xiàn)場運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，每臺(tái)主變壓器第1季度和第4季度投入風(fēng)扇2組，第2季度和第3季度投入風(fēng)扇3組。這樣1臺(tái)主變壓器1年所消耗的冷卻電量 （4×182＋6×183） ×28.8＝52 588.8 kWh，消耗電費(fèi)為26 294.4元，則2臺(tái)主變壓器1年消耗電費(fèi)總額52 588.8元。

變壓器冷卻風(fēng)扇節(jié)能設(shè)計(jì)后，若取風(fēng)扇投運(yùn)率為 0.5，則該變電站每年可節(jié)約風(fēng)扇用電量52 588.8 kWh，節(jié)約風(fēng)扇消耗電費(fèi)26 294.4元。

3.3 保護(hù)室空調(diào)節(jié)能效果

夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26～28℃，經(jīng)針對(duì)該保護(hù)室內(nèi)空調(diào)溫度28℃和26℃時(shí)的空調(diào)負(fù)荷分別計(jì)算，得出夏季空調(diào)室內(nèi)溫度設(shè)為28℃時(shí)比溫度為26℃時(shí)負(fù)荷減少約20%。

該變電站保護(hù)室配有大3P立式空調(diào)，制冷功率約2 500 W，制熱功率加上輔電功率1 800 W，共計(jì)約4 300 W。制冷功率取2 500 W，則1 h耗電量2.5 kWh，1天24 h耗電量60 kWh，若1年中僅夏季需要對(duì)保護(hù)室制冷，以90天計(jì)算，90天耗電量為60×90＝5 400 kWh，以0.5元／kWh計(jì)算，1年耗電2 700元。制熱功率取4 300 W，則1 h耗電量4.3 kWh，1天24 h耗電量103.2 kWh，若1年中僅冬季需要對(duì)保護(hù)室制熱，以90天計(jì)算，90天耗電量為103.2×90＝9 288 kWh，以0.5元／kWh計(jì)算，1年耗電4 644元。

安裝溫度自動(dòng)控制器后，1臺(tái)空調(diào)以節(jié)能20%計(jì)算，則1年夏冬2季節(jié)約電費(fèi) （2 700＋4 644）× 20%＝1 468.8元。

3.4 變電站照明節(jié)能效果

鞍山地區(qū)年平均日照時(shí)數(shù)為2 543 h，因此，變電站照明可采用太陽能和電切換照明系統(tǒng)。以該變電站戶外1盞照明燈150 W計(jì)算，1 h耗電量0.15 kWh，以鞍山地區(qū)年平均日照數(shù)2 543 h，1年耗電量0.15×2 543＝381.45 kWh，以0.5元／kWh計(jì)算，1年耗電190.73元。

4 結(jié)束語

為響應(yīng)國家電網(wǎng)公司建設(shè)兩型一化及兩型三新變電站的要求，本文對(duì)變電站節(jié)能進(jìn)行了深入研究，在保證變電站正常運(yùn)行和安全生產(chǎn)的前提下，對(duì)變電站進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，計(jì)算出節(jié)能設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)后的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，在鞍山地區(qū)選取1座變電站作為試點(diǎn)，通過節(jié)能設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)，證明節(jié)能設(shè)計(jì)的安全性、有效性和經(jīng)濟(jì)性。因此，該節(jié)能設(shè)計(jì)方案可在鞍山地區(qū)所有變電站實(shí)行，并可推廣至整個(gè)遼寧電網(wǎng)。

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Research and Implementation of Energy?saving Design of Substation

FU Zhen?qiang，WANG Shu，ZHANG Jian
（State Grid Anshan Power Electric Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China）

Substation contains a variety of equipment needed for large production power which causes a serious waste of resources. Conventional substation construction lacks energy?saving ideas and related technologies which further increase energy consumption of substation.This paper presents the design of energy?saving substation from the substation high voltage switchgear and switch mechanism box，substation transformer cooling fan，substation HVAC，substation lighting respectively，a series of practical energy?saving schemes are put forward.

Substation；Energy?saving design；Heater；Automatic temperature controller；Solar energy

TM63

A

1004-7913（2015）11-0004-03

付振強(qiáng) （1962—），男，高級(jí)技師，從事繼電保護(hù)應(yīng)用研究。

2015-08-01）