侯婷
(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣州市,510663)
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。
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。
2.1 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。
3.1 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]。
4.1 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。
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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