环保变电站设计探究

潘光辉   ,胡方恺

国网浙江省电力有限公司台州供电公司   浙江台州  318000

摘要：

环保变电站是指在变电站从设计到施工到建筑全寿命期间，最大限度节约资源，保护环境，在满足变电站原有功能的基础上统筹节约资源、保护环境、实现建筑功能等之间的关系。在变电站建设规模与数目逐渐增加的现代电网中，推广环保变电站有着重要的经济效益与社会效益。环保变电站的设计应从包括站址选择、站用电设计、建筑设计等各方面进行，对于常规变电站，亦可以通过环保化改建与引进符合环保理念设备的方式进行环保化。环保变电站是建设环境友好型、资源节约型电网的重要一环，具有广阔的发展前景。

关键词：环保变电，变电站设计，变电工程

0 引言

随着电网规模的扩大与经济的迅猛发展，电网中变电站的建设数目不断增加。为满足国家电网公司的建设“双碳”标准，践行“双碳”使命的要求，建设绿色化、环保化变电站的需求重要性日益体现。常规的变电站工程设计建设中普遍存在不够环保的现象，应通过引入新技术、环保材料、创新的设计思想来改善变电站的设计，实现变电站设计的资源节约化、环境友好化。

近年来，我国电网规模及传输水平不断升级，为了能够不断满足电网的要求、适应经济的可持续发展，绿色电站的相应理念逐渐成为电力设计工作的重要发展趋势。传统的变电站，建筑采用的具体标准与社会倡导的绿色低碳要求差距很大，致使变电站的建设成本高、运行能耗高。同时，因变电站内需装修的面积较大，使用的装饰材料贵重，导致电力建设不经济、高污染、高能耗。随着科学技术与经济水平的发展，绿色环保变电站设计的思想已来到人们身边。本文主要对绿色环保电站设计的思路进行相应的分析。

1 环保变电站工程的概念

在变电站的建设设计过程中尽可能的选用环保技术、环保材料，考虑对环境的影响的变电站，称为绿色环保变电站，其能够在不影响电网稳定运行的前提下尽可能的节省材料，降低碳排放，减少污染隐患。环保变电站是指在变电站从设计到施工到建筑全寿命期间，最大限度节约资源，保护环境，在满足变电站原有功能的基础上统筹节约资源、保护环境、实现建筑功能等之间的关系[1]，体现了电网运行中经济效益、社会效益与环境效益的统一。

2 环保变电站的现实意义

现代社会高速发展的同时，对电力的需求也在不断提高。为实现安全可靠的电网供电，我国变电站的建设数目不断增加，变电站规模也随着输电容量上升而不断扩大。变电站的设计建设与运行与电网的运行、城市用电与城乡居民生活息息相关。推广环保理念、建设环保变电站，可节约大量资源，提高电网运行资源利用率，也可推动社会对电网工程的认可。因此建设环保变电站是未来变电站工程的必然趋势。如何在变电站上做到设计的环保化、绿色化，对推动我国电网综合发展、推广建设满足“双碳”标准的绿色环保变电站技术具有重要意义[2]。

3 环保变电站的设计

3.1 环保变电站的选址方案

变电站的选址是变电站工程的开始。在环保变电站的规划设计阶段，应在建筑节地与土地资源利用上强调集约化利用，合理规划站内设备与用地。做好变电站的选址工作，提出合适的备选选址方案，是至关重要的。首先，应在确定环保变电站电压等级与容量需求的基础上确定变电站的布置，如确定最小占地面积、防洪防涝需求、相应电压等级线路接入与进出变电站道路建设等。在确定基本布置方案后，应根据变电站所在地的建设规划，在符合规划的地方选择站址，与政府部门进行积极沟通协调，注重选址地点的生态环境，尽量减少变电站施工与后续运行对当地生态环境的破坏与影响。此外，应考虑变电站选址地附近的进出站道路是否满足工程与电力车辆的行驶需求。若选址地附近道路条件恶劣，可能导致后续需要新建道路建设，会加大建设工程量，拉长建设周期，造成能源与资源材料的大量浪费。变电站的选址应由实践经验丰富的团队负责，在满足各项工程要求的基础上为环保变电站提供最优选址方案。

3.2 环保变电站的站用电方案

站用电系统是变电站、换流站的重要组成部分，是维持其稳定正常运行的基本设施。常见的变电站的站用电系统方案包含交流与直流站用电系统。交流站用电系统依靠站用变压器进行电压变换，为相关负荷的电源变换系统如二次设备监控系统、空调与照明系统等提供电能；直流站用电系统主要包括蓄电池组、直流电源成套装置等，为保护、测量、信号与监控等提供电源。常规站用电设计方案中，电源通常为交流电压母线或与之相连的蓄电池组；站用电系统的电压等级通常较低，但由于变电站逐渐开始采用智能化、自动化设备，其负荷能耗不断上升，对变电站电能转化效率造成一定的影响。

在站用电方案中采用光伏微网技术，具有良好的环保效益与经济效益。如今光伏微网系统已较为成熟，成本逐年降低，也已在多个工程中有所实践，如世博会主题馆屋顶的光伏发电系统[3]。使用变电站屋顶与站内地面空间安装光伏发电系统，将其发出的电能接入变电站的站用电系统，同时与站内蓄电池组互联形成光伏-储能系统，可作为站用电系统的第二电源，既减少站用电对系统的电能需求，同时又能提高系统内可再生能源的占比；蓄电池组储能单元可以为光伏发电提高电能质量，减缓光伏发电的不稳定性。

3.3电气设计方案

绿色变电站的设计不仅要求建筑设备的环保、高效，建筑和装饰材料的绿色、安全，还应要求变电站内电气设备在安装和使用时的绿色环保。

(1) 配电装置的布置

在考虑配电装置安全可靠的前提下，尽量采用技术先进、结构紧凑、合理的设备，以最大化的减少对土地资源的占用。应依据变电站的固有特点选择合理的配电装置形式。对于占地面积小、使用空间有限的变电站可采用全户内布置的方式，可使用GIS 或HGIS 组合电器。对于部分220kV、500kV变电站，配电装置布置时应兼具经济技术合理与绿色环保两方面，也可采用敞开式布置的方式。站内220kV 以下等级设备可采用全户内或半户内的布置方式；220kV 及以上等级的设备布置时，可考虑选用支持或悬吊式管形母线、采用垂直断口隔离开关、悬挂式阻波器等，尽可能减少设备对土地和空间的占用。

(2) 变压器的选择

变压器的选择是变电站设计中重要的一步。变压器是输变电系统中的耗能最大的设备，其本身的损耗占电网损耗的30%~40%。因此，有效的降低变压器损耗对于绿色变电站的设计有重要的意义。主变应选择短路阻抗值低的变压器，最新研究的非晶合金变压器，可有效的降低短路阻抗，空载损耗小、节能效果明显。选择变压器时，应科学的估计规划期内变电站负荷大小，合理选择变压器的容量。优先选用自然油循环风冷或自冷的变压器。

3.4建筑节能方案

绿色环保变电站，站用建筑设计时应优先考虑新材料、新技术，以达到较好的保温隔热的效果。变电站各建筑具体的空间设计需要争取比较好的朝向，能够充分的利用自然光和其他天然能源。在站址自然环境允许的情况下，可考虑建筑顶部设光伏发电、站内设风力发电装置，并将电能作为站内照明和其他辅助生产车间的能源。对于变电站照明设计，灯具优先选用高效节能灯具。可在控制室及办公室采用LED 灯。统计显示，采用LED 灯比普通灯具可节能90%以上。

3.3 环保变电站的建筑设计

在环保变电站的总体布局设计上，应在尽量集中布局设备的基础上，为后续增加设备与线路留出足够的拓展余裕，实现优化设计、减少占地面积、节省工程投资。在建筑墙体设计上，可考虑使用传热系数满足节能要求的环保材料作为框架结构填充，在环保、满足设计要求的基础上，提高站内建筑环境的舒适度。由于变电站所在地需要避免线路与大型树木距离过近导致接地，因此变电站的绿化较少，总体环境比热较大，导致常出现夏热冬冷的情况，因此在门窗设计与采暖冷却设计上，应充分考虑门窗传热效应，尤其对于发热较为严重的室内运行设备，如继保室所在房间，应采用保温隔热性能较好的塑钢窗，该材料自身导热系数低于钢窗型材，可降低约17%的能耗[4]；可采用节能橡胶垫片进行门窗密封，进一步降低能耗。

近年来，装配式变电站投入使用逐渐增加。装配式变电站或称预装式变电站，是在变电站的建设中均采用预制构件组装，形成钢结构厂房。采用装配式变电站可大大减少施工过程中现场产生的污水与建筑垃圾，减少了施工污染。

4 变电站工程环保优化与改建

绿色变电站的设计理念逐步应用到现代工程的建设，然而现存变电站的设计与建设中常存在不够环保的现象或设计，可总结归纳为以下几点。一次设备SF6气体处理问题，变电站运行与当地生态共存和谐的问题，建筑材料不够环保的问题。对于已建成的变电站工程，同样可通过后续改建时引入环保绿色理念来进行环保优化。如引入自动化管理系统与远程稽查设备来增加变电站运行的稳定性安全性；可选用智能化一次设备与网络化二次设备，降低变电站运行成本；在变电站改建扩建时，可采用绿色建筑方案与环保建材。

4.1 GIS设备SF6气体处理方案

SF6气体绝缘开关设备（GIS）与常规电气设备相比，GIS设备由于采用灭弧性能强、绝缘性能优秀、化学性质稳定而无毒的SF6气体，因此具有占地空间体积小、运行可靠性高、绝缘能力强、安全可靠性高等优点，在电力系统尤其是变电环节中的应用日益广泛。然而由于GIS设备在制造、运输、安装、运行过程中会不可避免地产生设备缺陷，在长期运行后易出现密封破坏的现象，GIS设备近40%的缺陷是气体泄露。在产生漏气现象后，SF6气体泄露会导致设备灭弧能力与绝缘性能降低，并且易导致空气中的水蒸气进入设备内部，最终在开关动作拉弧过程中，含水的SF6气体经复杂的化学反应，最终生成四氟化硫、氟化亚硫酰等剧毒、严重腐蚀性的氟氧化物，对电网工作人员的人身安全有巨大危害。因此对于环保变电站，对GIS设备的SF6气体分解物进行及时的监测、吸附与处理、及时发现GIS设备漏气现象并维护，对设备与电网的安全运行具有重要意义。

GIS设备的SF6气体需要进行回收处理循环利用，常规变电站的GIS设备在出现分解物含量异常后通常需要停运设备，进行气体回收净化，重新充气再投入运行。对于环保变电站的GIS设备，可考虑采用在线净化处理的方式[5]。通过“采样监测、数据传输、系统判断、在线净化”等一系列环节，实现自动对运行中GIS设备的气体进行监测与净化，从而提升设备运行稳定性、减少人工回收与重新充气次数，从而提升检修工作安全性。

4.2 变电站运行应与当地生态和谐共存

在变电站建立的地址，通常由于人类活动较少而有较多种类的鸟类与啮齿类等小动物，其特点可归结为体积小、会飞行和攀爬侵入能力强。小动物侵入与鸟类筑巢等生物因素是变电站设备安全运行的威胁之一，因此有必要持续完善防小动物措施。常规变电站防小动物的措施以封堵、灭杀等方式为主，防鸟类筑巢影响设备安全运行的措施以人工排查或喷洒农药驱鸟为主，均较为被动，且效果有限。根据我国保护动物相关法律，环保电力系统应本着环境友好化的理念，在保证电力系统安全稳定运行的同时，与当地生态和谐共存。

对于鸟类筑巢防范，可以考虑学习机场驱鸟手段[6]，采用激光装置驱鸟让鸟类主动远离，从而达到清除鸟巢的目的。法国洛德工程公司研制的激光驱鸟装置采用一种能造成鸟类不适感的特定波长绿色激光，从而达到不造成伤害也能驱鸟的目的，同时规避了如驱鸟噪音等方式会使当地鸟类产生耐受性，从而导致驱赶作用减弱。对于变电站内防小动物措施，常用“封堵、灭杀”两方向进行。由于侵入变电站的小动物以蛇、鼠等小型动物为主，少有保护动物，预防措施较为简易，但仍应考虑提高防小动物工作的效率，如采用更为牢固可靠的环保封堵材料、对关键设备与控制室的防小动物隔板处进行定期远程巡视、建立小动物数据库来记录各站发生频率最高的小动物侵入事件来为后续的防小动物工作提供参考等。

4.3 建筑材料选择方案

在环保变电站的设计中，应考虑尽量采用绿色环保型建筑建材，尽可能避免污染环境，使建筑的施工过程本身节约能源。建筑业对资源与能源有较高的消耗，在施工过程中与施工后材料处理上均有着污染环境的现象。在变电站的环保化改建扩建中，进行绿色建筑设计也是不可或缺的环节。建筑物在设计时应当追求环境效益，尽可能采用天然材料，建成后不应有对电网从业人员有害的装修材料与建筑材料，并在设计与施工过程中遵循节约能源的原则。

5 结语

随着低碳经济的不断发展，绿色环保的相应设计理念已走进人们的视野，并且将这种绿色环保的设计理念应用于具体的变电站设计中，这种设计思路不仅能够实现绿色环保的设计理念，同时能够有效的节约自然能源，减少对资源的浪费，倡导低碳环保，维持社会的可持续发展，不断改善人们的生活环境

环保变电站从设计到建筑全寿命周期内，应最大限度节约资源、保护环境，满足国家电网公司的建设“双碳”标准，践行“双碳”使命的要求，建设绿色化、环保化的电网节点，在站址选择、站用电方案、建筑设计等方案上均采用环保化方案。环保变电站是建设环境友好型、资源节约型电网的重要一环，能实现良好的经济效益、社会效益与环境效益的统一，具有广阔的发展前景。

参考文献：

[1] 闫伟. 基于环保节能理念下的建筑设计探讨[J]. 低碳世界, 2014(4):2.

[2] 李萍. 试析环保节能在建筑电气设计中的实践应用[J]. 企业技术开发：下旬刊, 2012(Z2):2.

[3] 胡俊鹏. 光伏发电技术在变电站中的应用研究[D]. 山东大学, 2013.

[4] 卜一德. 绿色建筑技术指南[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2008.

[5] 何满棠, 周斌, 吴树平. SF_(6)气体在线净化处理技术研究[J]. 机械与电子, 2021, 39(5):6.

[6] 罗志丰, 叶钊, 何昌高,等. 变电站生态驱鸟标本兼治措施简述[J]. 中国科技纵横, 2014(22):2.