綠色變電站的電氣設(shè)計(jì)

侯婷

(廣東省電力設(shè)計(jì)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(nèi)，最大限度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染，提供安全、適用、健康的工作環(huán)境，高效低耗、環(huán)境友好，與自然和諧共存的變電站。

建設(shè)綠色變電站是電力節(jié)能環(huán)保的重要舉措，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文分別從節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材與環(huán)保4個(gè)方面分析了綠色變電站的電氣設(shè)計(jì)方案。

1 節(jié)約用地

我國(guó)人多地少、耕地資源稀缺，當(dāng)前又正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的時(shí)期，建設(shè)用地供需矛盾突出。因此，綠色變電站設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮占地指標(biāo)，變電站配電裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行維護(hù)方便的前提下堅(jiān)持節(jié)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(guān)形式基本為氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)、組合型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(HGIS)、罐式斷路器和瓷柱式斷路器，對(duì)于上述幾種形式的斷路器，常規(guī)設(shè)備占地最大，其次是罐式，約為常規(guī)設(shè)備占地的95％；而GIS價(jià)格最高，瓷柱式最低。為了貫徹節(jié)能減排的要求，在山區(qū)地形、用地緊張、高海拔、重污穢地區(qū)可以采用占地較省的戶外GIS設(shè)備，既能減少占地面積，也可以減少基礎(chǔ)開挖量以及基礎(chǔ)工程量，從而減少水泥和鋼筋的需求量，同時(shí)也減少了水泥鋼筋生產(chǎn)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(jié)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(fù)雜、地勢(shì)高低起伏明顯的條件下，采用懸吊管母可以靈活調(diào)節(jié)管母高度，減少場(chǎng)地對(duì)坡度的要求，減少“三通一平”場(chǎng)地所需的工程量，減少變電站投資。

(2)變電站不設(shè)置單獨(dú)的通信機(jī)房，通信機(jī)房與二次設(shè)備房間一體化，可以簡(jiǎn)化互聯(lián)環(huán)節(jié)，提高自動(dòng)化、繼保等業(yè)務(wù)傳輸通道的可靠性，還能有效減少控制樓的面積。

2 節(jié)約用材

2.1 電纜敷設(shè)路徑

隨著電力工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，變電站中的電纜連接數(shù)量大幅增多，目前變電站的電纜、光纖、數(shù)據(jù)線等敷設(shè)存在電纜浪費(fèi)、敷設(shè)混亂、可追溯性差、擴(kuò)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(yùn)行，電纜敷設(shè)路徑應(yīng)合理安排，符合路徑短、轉(zhuǎn)彎少、交叉少、便于擴(kuò)建的要求，達(dá)到節(jié)材的目的。

2.2 繼電器小室布置

220與110 kV變電站，二次設(shè)備一般集中布置在主控樓內(nèi)。但對(duì)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(shù)量，達(dá)到節(jié)材的目的。

2.3 接地網(wǎng)材料

我國(guó)變電站接地網(wǎng)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(wǎng)的初期投資最低，銅接地網(wǎng)最高。對(duì)于占地面積較小的戶內(nèi)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(wǎng)均壓、熱穩(wěn)定、施工便利和免維護(hù)等方面比鋼材具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此設(shè)計(jì)時(shí)占地面積較小的戶內(nèi)站應(yīng)優(yōu)先采用鍍銅鋼材作為接地網(wǎng)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(nèi)直流系統(tǒng)經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換供電，不設(shè)置單獨(dú)的通信直流電源，減少設(shè)備的同時(shí)也節(jié)省了通信蓄電池房間。而220和500 kV變電站由于通信業(yè)務(wù)較多，變電站發(fā)生故障時(shí)將影響過往通信業(yè)務(wù)，因此需要按通信蓄電池單獨(dú)配置考慮。

2.5 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化

隨著智能高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，二次設(shè)備間可以使用通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開關(guān)量和控制命令等信息，取消常規(guī)自動(dòng)化系統(tǒng)一次和二次設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的控制電纜，采用光纖網(wǎng)絡(luò)直接通信。這樣可以節(jié)省通信線路，用光纜替代大部分的二次控制電纜，二次系統(tǒng)可以不再敷設(shè)銅等電位接地網(wǎng)，節(jié)約了銅材和電纜溝、電纜支架的用量。

3 節(jié)能與能源利用

3.1 采用低損耗設(shè)備

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)變壓器的總損耗占系統(tǒng)總發(fā)電量的10％左右，損耗每降低1％就可以節(jié)約上百億kW·h的電能。因此降低變壓器損耗，使用低損耗節(jié)能變壓器是有效的節(jié)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(yīng)選用低損耗的主變壓器，減少主變運(yùn)行過程中的電能損耗，保證運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(shè)防火墻、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)。因此，在運(yùn)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(yīng)盡量選擇低損耗節(jié)能型產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)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(yōu)異的節(jié)能效果，但由于其價(jià)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(jié)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(yīng)選用S11型及以上的低損耗、節(jié)能型站用變壓器。

在大容量的并聯(lián)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(guó)內(nèi)獲得了應(yīng)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(jié)能減排效果，從全生命周期來看，油浸式鐵心電抗器優(yōu)于空心電抗器。干式半心電抗器由于目前供貨廠家較少、價(jià)格較高，產(chǎn)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(guó)內(nèi)的變電站中應(yīng)用較少。因此，設(shè)計(jì)選用并聯(lián)電抗器時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮選用油浸式鐵心電抗器，并在同類產(chǎn)品中選擇低損耗產(chǎn)品。

3.2 照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為滿足節(jié)能、實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的要求，首先應(yīng)選用適合的高效節(jié)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(jié)能照明燈具實(shí)現(xiàn)節(jié)能外，還可以通過照明燈具的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能，如戶外采用時(shí)控或光控，即根據(jù)日照的變化或預(yù)先設(shè)定的啟閉時(shí)間進(jìn)行控制；戶內(nèi)建筑的通道照明設(shè)置感應(yīng)控制；對(duì)經(jīng)常無人使用的場(chǎng)所、通道、出入口處的照明，應(yīng)設(shè)單獨(dú)開關(guān)分散控制，戶外道路照明分組布置，以根據(jù)實(shí)際需要分區(qū)控制照明燈的啟閉，避免用電浪費(fèi)。

在資源條件允許的情況下，可以在變電站采用光伏發(fā)電技術(shù)，在變電站建筑物屋頂裝設(shè)太陽能電池板，通過太陽能向變電站的照明、動(dòng)力等站用負(fù)荷供電［3-4］，有利于節(jié)能減排、改善能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境保護(hù)。但目前光伏發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)較高，為滿足經(jīng)濟(jì)性的要求，變電站內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍可以先限制為照明等生產(chǎn)輔助性負(fù)荷，隨著今后光伏發(fā)電技術(shù)的不斷完善及經(jīng)濟(jì)性的逐步提高，可逐步擴(kuò)大變電站內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

3.3 抽能高抗的應(yīng)用

隨著500 kV遠(yuǎn)距離輸電線路的建設(shè)，如果沿線沒有大的負(fù)荷，一般需要在線路中建造500 kV開關(guān)站。當(dāng)開關(guān)站位于既無可靠電源又遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的偏遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)，開關(guān)站站用電的可靠性難以保證，此時(shí)可以采用抽能高壓并聯(lián)電抗器［5］，在補(bǔ)償電容電流的同時(shí)，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(jié)省了線路走廊。

3.4 智能化設(shè)備的應(yīng)用

高壓設(shè)備安裝相關(guān)的在線監(jiān)測(cè)裝置，建立智能化高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多狀態(tài)量的綜合在線監(jiān)測(cè)、診斷、分析和評(píng)估功能，為高壓設(shè)備的狀態(tài)檢修提供了依據(jù)，可以防止重大惡性事故的發(fā)生、節(jié)約成本和降低檢修費(fèi)，保證了電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［6］。

4 變電站環(huán)境保護(hù)

4.1 減少變電站電磁輻射

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，用電負(fù)荷的迅猛增長(zhǎng)，已經(jīng)有數(shù)量較多的變電站深入到城市中心。城市居民由于環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，對(duì)居民區(qū)附近變電站的電磁輻射所帶來的環(huán)境影響日益關(guān)注。因此，綠色變電站應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取降低電磁輻射的措施：

(1)合理布置配電裝置，有條件時(shí)可將電磁輻射較強(qiáng)的設(shè)備遠(yuǎn)離圍墻布置。

(2)多采用三相一體設(shè)備，將其各相產(chǎn)生的電磁場(chǎng)抵消。若要采用分相設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量縮短相間距，最大限度地抵消各相設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。

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

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(jìn)出線的電磁噪聲和放電噪聲。影響變電站站內(nèi)環(huán)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(shù)，即采用吸音和隔音等方法達(dá)到降低噪音的目的。該方法對(duì)高頻噪音非常有效，而對(duì)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(nèi))放置若干個(gè)噪音發(fā)生器，使其產(chǎn)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(shè)計(jì)和控制，在城市變電站中有廣闊的應(yīng)用前景。

4.3 減少環(huán)境污染

4.3.1 接地方案

工程實(shí)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(huán)境、腐蝕接地體、穩(wěn)定性和長(zhǎng)效性差等問題，因此，在實(shí)際變電站工程中，首先應(yīng)科學(xué)合理地設(shè)計(jì)接地網(wǎng)，通過離子接地極及接地深井、斜井等方式來降低地網(wǎng)電阻。在對(duì)地網(wǎng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，仍無法達(dá)到接地電阻要求時(shí)才考慮使用降阻劑，并且不宜使用有污染的化學(xué)類降阻劑。

4.3.2 環(huán)保型防火封堵材料的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)常用的有機(jī)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(jī)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(xué)腐蝕反應(yīng)。近年來，國(guó)內(nèi)逐步采用一種新型環(huán)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(jià)較低、性能好，便于遠(yuǎn)期擴(kuò)建和改造［9］。因此，綠色變電站設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮采用新型環(huán)保防火封堵材料。

4.3.3 無鹵低煙阻燃型電力電纜的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)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(fā)生事故燃燒時(shí)會(huì)釋放出有毒的煙霧，嚴(yán)重污染環(huán)境，并且妨礙消防人員的救火和疏散人員。環(huán)保型電纜是指采用燃燒時(shí)不產(chǎn)生有害物質(zhì)(包括鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯及多溴聯(lián)苯醚等)、阻燃劑不含鹵素的電纜［10-11］。發(fā)達(dá)國(guó)家一直重視低煙無鹵素阻燃電纜的研發(fā)和推廣，特別是在高層建筑、地鐵、車站、機(jī)場(chǎng)、變電站和商場(chǎng)等相對(duì)密封或人員集中的建筑和設(shè)施內(nèi)。我國(guó)低煙無鹵阻燃電纜的開發(fā)和使用滯后于發(fā)達(dá)國(guó)家，但近年來，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，該類電纜越來越多地應(yīng)用于核電站、變電站中，因此戶內(nèi)站設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用無鹵低煙阻燃(WDZ)型電力電纜。

5 結(jié)語

綠色變電站的電氣設(shè)計(jì)應(yīng)從節(jié)地、節(jié)材、節(jié)能、環(huán)保這4個(gè)方面考慮，通過新技術(shù)的應(yīng)用、先進(jìn)環(huán)保的設(shè)備材料的選擇、科學(xué)的工程設(shè)計(jì)等手段來實(shí)現(xiàn)。由于綠色變電站是一個(gè)新的概念，國(guó)內(nèi)外尚沒有系統(tǒng)的要求和經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，本文給出的方案還需在今后的工程設(shè)計(jì)中逐步完善。

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