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摘要：随着城市电网的不断发展，用电负荷急剧增加。为满足城市用电需求，基于土地资源稀缺，设计低碳环保的要求，本文提出了采用天然酯油变压器代替矿物油变压器，将主变压器与散热器上下分体布置，采用洁净空气绝缘开关代替六氟化硫组合电气。通过探讨主变压器和配电装置的选型及特点，对低碳设备的碳排放进行分析，结果表明：主变压器与散热器采用上下分体式布置，使用天然酯油变压器和洁净空气绝缘开关，既可以降低碳排放量，也可以减少占地面积。为双碳背景下城市最小占地变电站的建设提供思路。
关键词：最小体积变电站;碳排放;设备选型;低碳
1 引言
我国政府已承诺力争2030年前实现碳达峰、努力争取2060年前实现碳中和[1]。电力行业作为碳排放量大户，其低碳转型是我国实现碳中和目标的关键[2]。变电站是电力系统中的“神经中枢”，担负着越来越重的节能减排任务[3]。随着城市用电负荷的增加和电网的发展，变电站逐渐从郊区建到市区，输电网和配电网可能产生的温室气体排放、拆迁补偿等一系列影响也受到了人们的关注[4]。如何减少变电站建设的用地和对周围环境的影响是一个重要课题。因此，绿色低碳的变电站理念逐渐成为电力设计工作的重要发展趋势[5]。
目前，常见的变压器布置型式是主变压器本体与散热器水平分体错位布置[6]，对占地面积有限的小体积变电站可采用上下分体布置[7]。我国开始提倡利用清洁能源来创造一个低碳经济的社会，而配电网作为电网的重要组成部分，其发展也要符合低碳电力的要求[8]。人们始终在努力寻找可替代矿物油的环保、可持续的绝缘介质，近年来越来越多的110kV天然酯变压器投入应用[9]，其性能相比矿物油变压器得到明显的提升[10]。天然酯绝缘油兼具了环保、消防安全两大优势，是当前变压器绝缘油研究与应用的热点[11]。六氟化硫（SF6）电流互感器是近年来出现的一种新型电气设备，但设备发生故障的次数越来越多，严重影响着电网的安全[12]。使用洁净空气（79.5%N2+20.5%O2）来替代SF6气体作为其新一代GIS高压开关产品的绝缘介质具有重要的价值[13]。
本文以国家电网通用设计110kV全户内变电站方案（110-A2-6）为例，探讨了主变压器和配电装置的选型及特点，对低碳设备的碳排放进行分析，提出了主变压器与散热器采用上下分体式布置，使用天然酯油变压器和洁净空气绝缘开关的方案。为双碳背景下城市最小占地变电站的建设提供思路。
2 主变压器选型与碳排放
2.1 酯类绝缘油变压器
配电网直接为用户提供电能，配电网能否安全运行直接影响用户的用电可靠性，目前国内大型变压器普遍采用油浸式，提升油浸变压器质量已成为提高配电网安全可靠性的主要环节之一。据统计，我国变压器的总损耗占系统发电量的10%左右，损耗每降1%，每年可节约上百亿度电能;因此降低变压器损耗，提高输变电效率，是目前世界各国普遍关注的问题。
变压器油起到绝缘、冷却、消除电弧等作用。常用的变压器油来自于矿物油，即从石油中精炼所得的液态烃的混合物，在生产和使用过程中会释放大量埋藏于地下的碳元素，加剧温室气体排放。
为降低变电站碳排放，降低变压器的损耗，解决矿物油碳排放问题，减少环境污染，实现变电站低碳乃至零碳运行，对主变压器选型进行优化设计，采用天然酯油变压器。酯类绝缘油变压器的电压范围为10kV～230kV，容量范围为50MVA～180MVA。這类变压器可用于城市居住、商业中心，地下变电站等对环保、安全、防火有高要求的领域。
（1） 酯类绝缘油变压器的特点
延长变压器和绝缘材料的寿命，天然酯的含水饱和度是矿物油的10倍，这使绝缘材料的寿命较使用矿物油时延长5-8倍，从而大幅度节约变压器更换的成本。
提高变压器的防火安全性，天然酯的燃点比其他任何绝缘液都要高（达360摄氏度，矿物油只有160摄氏度）减少与建筑之间的净间距，尤其适合空间有限的区域。使变电站防火基建投入减少，降低保险费用，提高经济性。
减少变压器体积，提升效率;使占地面积减小，简化变电站防火设计，优化电站布置;凭借其改进后的热稳定性减少变压器的体积，从而大幅度提升供应链的可持续性。
酯类油被OECD301归类为易生物降解，对土壤和水无毒无害，不含镍、卤素、硅和硫，原材料可再生、可回收;碳平衡，绿色环保，更适合应用于人口密集的城市。
采用最新标准：GB20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》，较GB/T6451-2015《油浸式电力变压器技术参数和要求》有明显的提高。损耗对比见下表1。
（2） 酯类绝缘油变压器温升散热性能
主变压器的散热方式一般分为强油循环散热和自然对流散热两种。强油循环散热类型的变压器中安装有油泵，虽然能增加油流速度，但由于电力变压器内部绝缘结构复杂，油路狭窄，难以发挥油泵的作用。自然对流散热变压器占我国电力系统中日常运行的变压器总量80%以上，自然对流散热情况下的变压器温升计算式如式（1）所示：
式中：q为热负荷（W），g为重力加速度（m/s2），ρ为流体的密度（kg/m3），C为流体的比热容（J/kg·K），β为流体的体积膨胀系数，λ为冷却介质的热导率，（W/m·K），ν为运动黏度（mm2/s），ΔT为冷却介质与被冷却对象的温度差（K）。
由式（1）可知，自然对流换热情况下的温升值与冷却介质的密度、比热容、体积膨胀系数、传热率成反比，与运动黏度成正比。天然酯的运动黏度较矿物油大，天然酯在40℃时的运动黏度为33-39mm2/s，而矿物油仅为8-10mm2/s。实际应用中，一般通过优化变压器散热结构或采用更高耐热等级的固体绝缘材料来解决因天然酯运动黏度偏大而造成变压器散热性能下降的问题。 2.2 上下分体式变压器
主变自身重量大，一般放在建筑物一层，采用户内、户外两种布置方案。如果变压器户内布置，散热器可做成一体式、水平分体式或者垂直分体式。采用一体式或水平分体式，在主变室内或散热器室应有独立的进风及出风道或露天布置，如采用风机强制排风，则增加变电站用电负荷，并且冷却效果不明显。
主变压器户外布置的方案，可取消变压器及散热器室，减少土建工程量，降低变电站的造价。但对于市中心等人口密集的现代化城市而言，城市变电站与周围环境的整体协调以及变压器的噪声控制等尤为重要，户外布置很难解决环保问题。
考虑到占地空间的充分利用，结合变压器户内、户外两种布置方式，变压器与散热器采用上下分体式布置，如图1所示。上下分体式布置，即变压器本体与散热器分别布置在高度不同的两个位置。这种布置方式可以充分利用空间资源、最大限度的节约用地面积，尤其适用于土地资源紧张的地区，在部分户内变电站及地下变电站设计中得以推广应用。
其主要特点为：散热器布置于变压器室上方，充分利用了变压器室上方的空间，减少了变电站的占地面积，降低了变电站的综合投资;其次，散热器敞开式布置于屋顶，有效地改善了散热器的通风条件，自然通风，使散热器室形成空气对流，从而降低变压器室的运行环境温度，保证设备运行及其使用寿命，而且变压器本体布置在户内，能够有效降低噪音，从而满足环保的要求。
2.3 变压器碳排放分析
在能源日趋紧张的今天，在节能减排指标日益严峻的形势下，世界各国纷纷将目光聚焦于节能型变压器的身上，致力于研究变压器节能新材料与新技术。变压器的温室气体排放一方面来自于使用的变压器油，另一方面是变压器在运行时自身能耗导致发电量增加而引发的碳排放。
采用天然酯来替代变压器中的矿物油可以基本解决矿物油碳排放问题。天然酯来源于植物油，所含的碳元素是来源于从大气中吸收的二氧化碳，在其使用壽命结束后，经过28天可完全降解，其中的碳元素又回到大气中。经对比研究，天然酯油变压器比矿物油变压器全寿命周期碳排放减少2%，整体环境影响是矿物油的1/4。因此，天然酯的生命周期基本做到了“碳中和”。碳排放对比数据如表2所示：
3 配电装置选型与碳排放
配电装置是变电站的重要组成部分。根据安装地点的不同，可分为屋内配电装置和屋外配电装置;根据设备的不同，又可分为敞开式配电装置和成套式配电装置。配电装置的型式选择，必须结合变电站所在地区的地理情况及环境条件，并考虑运行及检修和安装的要求，因地制宜，节约用地，通过技术经济比较确定。根据我国电力行业标准《高压配电装置设计技术规程》（DL/T5352-2006）第8.2.2及第8.2.4条规定，一般情况下，220kV和110kV电压等级的配电装置宜采用屋外中型配电装置或屋外半高型配电装置;IV级污秽地区、大城市中心地区、土石方开挖工程量大的山区的220kV和110kV配电装置，宜采用屋内配电装置，当技术经济合理时可采用气体绝缘金属封闭组合电气（GIS）配电装置。采用洁净空气绝缘开关（79.5%的N2和20.5%的O2，混合的洁净气体），在运行和环保方面具有很多优点。
3.1 洁净空气绝缘开关的特点
（1） 开关组合器
高可靠性，使用密闭封装的真空断路器消除了来自外部的影响，不产生任何分解物。
高性能，适用于频繁开断：高短路开断次数，包括对额定电流的开断和额定短路电流的开断，30次短路开断。
低温环境的卓越表现，绝缘气体不会液化。免维护，整体终身密封技术，免维护，无备件成本。
无碳排放：绝缘介质为洁净空气，无温室效应，无臭氧消耗效应，无毒，不易燃等;在运行、检修及回收时，无碳排放。
（2） 低功率互感器
降低间隔的占地面积及重量;减少了电流及电压互感器的重量（约从1500kg减少至85kg），间隔尺寸和电缆布线明显减少。如图2所示：
联网作业简单便捷，提高安全性;电缆数量减少，型号变小，布线难度降低。低压信号更有利于安全维护和操作。
降低了故障率，连接失败的可能性很小。环境友好，没有SF6气体，碳排放低。提升了测量的性能，多功能电流传感器无饱和效应，动态范围宽，无磁损耗，无铁磁谐振效应。
3.2 洁净空气绝缘技术
通常情况下，用于GIS中的SF6的气压大概在0.5MPa左右，在此压强环境中，洁净空气并不能获得和SF6的相同的绝缘强度，若要获得同等绝缘强度，势必要同时改变气室内的压强。击穿电压Ub随气压p和间距d的变化始终遵循巴申定律，二者的关系大致表达成如式（2）的函数关系：
由上式可知，对于采用洁净空气作为绝缘介质的GIS来说，在现有SF6产品的基础上，利用上面试验获得的产品尺寸参数标准通过稍微提高气室气压、精确的电场控制就能够满足设备的绝缘性能要求。提高气室气压势必对气室壁的厚度和材质有更高要求，不过可以通过减小气室体积和设备小型化技术帮助实现气室加压的效果，因此可以很好地控制GIS的尺寸。
根据道尔顿分压定律，在理想气体情况下，某一气体在气体混合物中产生的分压等于在相同温度下它单独占有整个容器时所产生的压力，而气体混合物的总压强等于其中各气体分压之和，即：
式中：pT为气体总压强;pi为各混合组元所占的分压;n为气体种类数。以N2-O2二元混合气体为例：
式中：k为混合气体中N2所占的体积体积分数。混合气体中N2气体对应的分压与混合气体液化温度之间的关系为：
式中：Pm为N2气体在混合气体中对应的分压（MPa），Pc为临界气压（MPa），T为混合气体液化温度（K），Tc为临界温度（K）。
氮气的沸点只有48K，因而其与氧气混合而成的洁净空气绝缘气体在一个大气压下的沸点可以达到为-183℃，如提高气室内压强到0.7MPa，沸点也只有-60℃，此时能够获得和SF6同样的绝缘强度。综上，洁净空气可以通过增加气室压强获得足够的绝缘强度，同时工作温度范围比SF6更广，GIS设备尺寸也能控制在合理范围内，洁净空气和SF6气体关键特性对比见下表3。 3.3 洁净空气碳排放分析
一直以来，地球气温持续升高，二氧化碳被视为元凶之一。六氟化硫作为一种优良的绝缘和开断介质，被广泛用在中高压电气设备中。其助长温室效应的威力是二氧化碳的23500倍，且六氟化硫是一种人工合成物质，具有相当稳定的化学性质，不易被分解，在大气中生命周期长达3200年，长期累积导致温室效应巨大。
洁净空气是SF6的最佳替代气体之一，而使用洁净空气的全新无六氟化硫配电装置能够确保电网公司在不影响正常运营与使用的前提下，提高运营的可持续性，主要体现在以下三方面：
（1）洁净空气全球变暖潜能值为零。与中压开关柜可以使用的其他气体相比，洁净空气的GWP值为零，对温室效应零贡献，安全性高，是洁净空气成为六氟化硫最佳替代气体的最重要原因。
（2）洁净空气无需回收处理。使用SF6或其他人造气体的开关柜在使用寿命结束时，运营商需要考虑这种气体是否能被回收、再处理和再利用，是否可以降低对环境的影响。使用洁净空气则可以彻底消除使用六氟化硫的顾虑，大幅降低开关柜对环境的影响，从而节省了相关成本。
（3）监管“可持续”。我国自2012年起就陆续出台了相关政策措施，对六氟化硫气体的使用和回收进行管制。六氟化硫设备的检修与退役过程产生的六氟化硫排放已被纳入我国电网企业的温室气体核算和报告范围。考虑到未来愈发严格的监管政策，采用不受未来新规约束的环保型替代产品以保障运营连续性是明智之举。
相比起常规六氟化硫GIS，单个110kV变电站采用洁净空气绝缘型GIS设备时，其整体钢耗材增加约15吨。根据世界金属导报统计，中国长流程企业平均吨钢二氧化碳排放量约2.1吨，因此采用新型GIS设备会造成碳投入增加31.5吨。单个110kV变电站全套六氟化硫GIS设备中，SF6气体约为2.25吨，每年泄露允许值为1%，按0.1%考虑，泄露量为0.00225吨。由于六氟化硫全球变暖潜能值（GWP）是二氧化碳的23900倍，折算成碳排放为53.775吨，当年即可收回新型设备的碳投入，满足碳中和要求。
4 结论
为了对双碳背景下城市最小占地变电站的建设提供思路，本文探讨了110kV变电站低碳设备选型及特点，通过对主变压器和配电装置的碳排放进行分析，得到以下结论：
（1） 提出了电力变压器采用天然酯油代替矿物油的思路，解决矿物油碳排放问题。主变与散热器选用上下分体布置，散热器布置于二楼顶部，充分利用空间，减少占地面积，作为110-A2-6通用设计在城市电网电力变压器设备选型的优化方案。
（2） 通过采用洁净空气绝缘开关组合器、低功率互感器代替六氟化硫组合电气，不需要特殊的安全措施，也不需要在户内变电站的配电装置室内加装气体监测装置或通风系统，设备寿命更长，可以减少大量碳排放。
参考文献
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[2]郝鑫，孔英.电力行业碳中和的实现路径与对策[J].开放导报，2021（05）：28-36.
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[5]张兴强，姜海艳，吕翔.绿色环保变电站设计的思路[J].电站系统工程，2015，31（05）：82.
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基金项目：2021年国网江苏省电力有限公司经济技术研究院科技项目
作者简介：
张敏（1992-），男，硕士，经济师，工商管理，从事电力咨询项目研究与管理工作
邹盛（1987-），男，江苏人，硕士，工程师，从事电力系统规划设计及研究工作
王庭华（1967-），男，江苏人，硕士，高级工程师，从事输变电工程设计与管理
周洪伟（1979-），男，江苏人，硕士，高级工程师，从事电网规划及电气设计与研究工作
宗炫君（1990-），女，江苏省，硕士，高级工程师，从事电网规划工作
关键词：最小体积变电站;碳排放;设备选型;低碳
1 引言
我国政府已承诺力争2030年前实现碳达峰、努力争取2060年前实现碳中和[1]。电力行业作为碳排放量大户，其低碳转型是我国实现碳中和目标的关键[2]。变电站是电力系统中的“神经中枢”，担负着越来越重的节能减排任务[3]。随着城市用电负荷的增加和电网的发展，变电站逐渐从郊区建到市区，输电网和配电网可能产生的温室气体排放、拆迁补偿等一系列影响也受到了人们的关注[4]。如何减少变电站建设的用地和对周围环境的影响是一个重要课题。因此，绿色低碳的变电站理念逐渐成为电力设计工作的重要发展趋势[5]。
目前，常见的变压器布置型式是主变压器本体与散热器水平分体错位布置[6]，对占地面积有限的小体积变电站可采用上下分体布置[7]。我国开始提倡利用清洁能源来创造一个低碳经济的社会，而配电网作为电网的重要组成部分，其发展也要符合低碳电力的要求[8]。人们始终在努力寻找可替代矿物油的环保、可持续的绝缘介质，近年来越来越多的110kV天然酯变压器投入应用[9]，其性能相比矿物油变压器得到明显的提升[10]。天然酯绝缘油兼具了环保、消防安全两大优势，是当前变压器绝缘油研究与应用的热点[11]。六氟化硫（SF6）电流互感器是近年来出现的一种新型电气设备，但设备发生故障的次数越来越多，严重影响着电网的安全[12]。使用洁净空气（79.5%N2+20.5%O2）来替代SF6气体作为其新一代GIS高压开关产品的绝缘介质具有重要的价值[13]。
本文以国家电网通用设计110kV全户内变电站方案（110-A2-6）为例，探讨了主变压器和配电装置的选型及特点，对低碳设备的碳排放进行分析，提出了主变压器与散热器采用上下分体式布置，使用天然酯油变压器和洁净空气绝缘开关的方案。为双碳背景下城市最小占地变电站的建设提供思路。
2 主变压器选型与碳排放
2.1 酯类绝缘油变压器
配电网直接为用户提供电能，配电网能否安全运行直接影响用户的用电可靠性，目前国内大型变压器普遍采用油浸式，提升油浸变压器质量已成为提高配电网安全可靠性的主要环节之一。据统计，我国变压器的总损耗占系统发电量的10%左右，损耗每降1%，每年可节约上百亿度电能;因此降低变压器损耗，提高输变电效率，是目前世界各国普遍关注的问题。
变压器油起到绝缘、冷却、消除电弧等作用。常用的变压器油来自于矿物油，即从石油中精炼所得的液态烃的混合物，在生产和使用过程中会释放大量埋藏于地下的碳元素，加剧温室气体排放。
为降低变电站碳排放，降低变压器的损耗，解决矿物油碳排放问题，减少环境污染，实现变电站低碳乃至零碳运行，对主变压器选型进行优化设计，采用天然酯油变压器。酯类绝缘油变压器的电压范围为10kV～230kV，容量范围为50MVA～180MVA。這类变压器可用于城市居住、商业中心，地下变电站等对环保、安全、防火有高要求的领域。
（1） 酯类绝缘油变压器的特点
延长变压器和绝缘材料的寿命，天然酯的含水饱和度是矿物油的10倍，这使绝缘材料的寿命较使用矿物油时延长5-8倍，从而大幅度节约变压器更换的成本。
提高变压器的防火安全性，天然酯的燃点比其他任何绝缘液都要高（达360摄氏度，矿物油只有160摄氏度）减少与建筑之间的净间距，尤其适合空间有限的区域。使变电站防火基建投入减少，降低保险费用，提高经济性。
减少变压器体积，提升效率;使占地面积减小，简化变电站防火设计，优化电站布置;凭借其改进后的热稳定性减少变压器的体积，从而大幅度提升供应链的可持续性。
酯类油被OECD301归类为易生物降解，对土壤和水无毒无害，不含镍、卤素、硅和硫，原材料可再生、可回收;碳平衡，绿色环保，更适合应用于人口密集的城市。
采用最新标准：GB20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》，较GB/T6451-2015《油浸式电力变压器技术参数和要求》有明显的提高。损耗对比见下表1。
（2） 酯类绝缘油变压器温升散热性能
主变压器的散热方式一般分为强油循环散热和自然对流散热两种。强油循环散热类型的变压器中安装有油泵，虽然能增加油流速度，但由于电力变压器内部绝缘结构复杂，油路狭窄，难以发挥油泵的作用。自然对流散热变压器占我国电力系统中日常运行的变压器总量80%以上，自然对流散热情况下的变压器温升计算式如式（1）所示：
式中：q为热负荷（W），g为重力加速度（m/s2），ρ为流体的密度（kg/m3），C为流体的比热容（J/kg·K），β为流体的体积膨胀系数，λ为冷却介质的热导率，（W/m·K），ν为运动黏度（mm2/s），ΔT为冷却介质与被冷却对象的温度差（K）。
由式（1）可知，自然对流换热情况下的温升值与冷却介质的密度、比热容、体积膨胀系数、传热率成反比，与运动黏度成正比。天然酯的运动黏度较矿物油大，天然酯在40℃时的运动黏度为33-39mm2/s，而矿物油仅为8-10mm2/s。实际应用中，一般通过优化变压器散热结构或采用更高耐热等级的固体绝缘材料来解决因天然酯运动黏度偏大而造成变压器散热性能下降的问题。 2.2 上下分体式变压器
主变自身重量大，一般放在建筑物一层，采用户内、户外两种布置方案。如果变压器户内布置，散热器可做成一体式、水平分体式或者垂直分体式。采用一体式或水平分体式，在主变室内或散热器室应有独立的进风及出风道或露天布置，如采用风机强制排风，则增加变电站用电负荷，并且冷却效果不明显。
主变压器户外布置的方案，可取消变压器及散热器室，减少土建工程量，降低变电站的造价。但对于市中心等人口密集的现代化城市而言，城市变电站与周围环境的整体协调以及变压器的噪声控制等尤为重要，户外布置很难解决环保问题。
考虑到占地空间的充分利用，结合变压器户内、户外两种布置方式，变压器与散热器采用上下分体式布置，如图1所示。上下分体式布置，即变压器本体与散热器分别布置在高度不同的两个位置。这种布置方式可以充分利用空间资源、最大限度的节约用地面积，尤其适用于土地资源紧张的地区，在部分户内变电站及地下变电站设计中得以推广应用。
其主要特点为：散热器布置于变压器室上方，充分利用了变压器室上方的空间，减少了变电站的占地面积，降低了变电站的综合投资;其次，散热器敞开式布置于屋顶，有效地改善了散热器的通风条件，自然通风，使散热器室形成空气对流，从而降低变压器室的运行环境温度，保证设备运行及其使用寿命，而且变压器本体布置在户内，能够有效降低噪音，从而满足环保的要求。
2.3 变压器碳排放分析
在能源日趋紧张的今天，在节能减排指标日益严峻的形势下，世界各国纷纷将目光聚焦于节能型变压器的身上，致力于研究变压器节能新材料与新技术。变压器的温室气体排放一方面来自于使用的变压器油，另一方面是变压器在运行时自身能耗导致发电量增加而引发的碳排放。
采用天然酯来替代变压器中的矿物油可以基本解决矿物油碳排放问题。天然酯来源于植物油，所含的碳元素是来源于从大气中吸收的二氧化碳，在其使用壽命结束后，经过28天可完全降解，其中的碳元素又回到大气中。经对比研究，天然酯油变压器比矿物油变压器全寿命周期碳排放减少2%，整体环境影响是矿物油的1/4。因此，天然酯的生命周期基本做到了“碳中和”。碳排放对比数据如表2所示：
3 配电装置选型与碳排放
配电装置是变电站的重要组成部分。根据安装地点的不同，可分为屋内配电装置和屋外配电装置;根据设备的不同，又可分为敞开式配电装置和成套式配电装置。配电装置的型式选择，必须结合变电站所在地区的地理情况及环境条件，并考虑运行及检修和安装的要求，因地制宜，节约用地，通过技术经济比较确定。根据我国电力行业标准《高压配电装置设计技术规程》（DL/T5352-2006）第8.2.2及第8.2.4条规定，一般情况下，220kV和110kV电压等级的配电装置宜采用屋外中型配电装置或屋外半高型配电装置;IV级污秽地区、大城市中心地区、土石方开挖工程量大的山区的220kV和110kV配电装置，宜采用屋内配电装置，当技术经济合理时可采用气体绝缘金属封闭组合电气（GIS）配电装置。采用洁净空气绝缘开关（79.5%的N2和20.5%的O2，混合的洁净气体），在运行和环保方面具有很多优点。
3.1 洁净空气绝缘开关的特点
（1） 开关组合器
高可靠性，使用密闭封装的真空断路器消除了来自外部的影响，不产生任何分解物。
高性能，适用于频繁开断：高短路开断次数，包括对额定电流的开断和额定短路电流的开断，30次短路开断。
低温环境的卓越表现，绝缘气体不会液化。免维护，整体终身密封技术，免维护，无备件成本。
无碳排放：绝缘介质为洁净空气，无温室效应，无臭氧消耗效应，无毒，不易燃等;在运行、检修及回收时，无碳排放。
（2） 低功率互感器
降低间隔的占地面积及重量;减少了电流及电压互感器的重量（约从1500kg减少至85kg），间隔尺寸和电缆布线明显减少。如图2所示：
联网作业简单便捷，提高安全性;电缆数量减少，型号变小，布线难度降低。低压信号更有利于安全维护和操作。
降低了故障率，连接失败的可能性很小。环境友好，没有SF6气体，碳排放低。提升了测量的性能，多功能电流传感器无饱和效应，动态范围宽，无磁损耗，无铁磁谐振效应。
3.2 洁净空气绝缘技术
通常情况下，用于GIS中的SF6的气压大概在0.5MPa左右，在此压强环境中，洁净空气并不能获得和SF6的相同的绝缘强度，若要获得同等绝缘强度，势必要同时改变气室内的压强。击穿电压Ub随气压p和间距d的变化始终遵循巴申定律，二者的关系大致表达成如式（2）的函数关系：
由上式可知，对于采用洁净空气作为绝缘介质的GIS来说，在现有SF6产品的基础上，利用上面试验获得的产品尺寸参数标准通过稍微提高气室气压、精确的电场控制就能够满足设备的绝缘性能要求。提高气室气压势必对气室壁的厚度和材质有更高要求，不过可以通过减小气室体积和设备小型化技术帮助实现气室加压的效果，因此可以很好地控制GIS的尺寸。
根据道尔顿分压定律，在理想气体情况下，某一气体在气体混合物中产生的分压等于在相同温度下它单独占有整个容器时所产生的压力，而气体混合物的总压强等于其中各气体分压之和，即：
式中：pT为气体总压强;pi为各混合组元所占的分压;n为气体种类数。以N2-O2二元混合气体为例：
式中：k为混合气体中N2所占的体积体积分数。混合气体中N2气体对应的分压与混合气体液化温度之间的关系为：
式中：Pm为N2气体在混合气体中对应的分压（MPa），Pc为临界气压（MPa），T为混合气体液化温度（K），Tc为临界温度（K）。
氮气的沸点只有48K，因而其与氧气混合而成的洁净空气绝缘气体在一个大气压下的沸点可以达到为-183℃，如提高气室内压强到0.7MPa，沸点也只有-60℃，此时能够获得和SF6同样的绝缘强度。综上，洁净空气可以通过增加气室压强获得足够的绝缘强度，同时工作温度范围比SF6更广，GIS设备尺寸也能控制在合理范围内，洁净空气和SF6气体关键特性对比见下表3。 3.3 洁净空气碳排放分析
一直以来，地球气温持续升高，二氧化碳被视为元凶之一。六氟化硫作为一种优良的绝缘和开断介质，被广泛用在中高压电气设备中。其助长温室效应的威力是二氧化碳的23500倍，且六氟化硫是一种人工合成物质，具有相当稳定的化学性质，不易被分解，在大气中生命周期长达3200年，长期累积导致温室效应巨大。
洁净空气是SF6的最佳替代气体之一，而使用洁净空气的全新无六氟化硫配电装置能够确保电网公司在不影响正常运营与使用的前提下，提高运营的可持续性，主要体现在以下三方面：
（1）洁净空气全球变暖潜能值为零。与中压开关柜可以使用的其他气体相比，洁净空气的GWP值为零，对温室效应零贡献，安全性高，是洁净空气成为六氟化硫最佳替代气体的最重要原因。
（2）洁净空气无需回收处理。使用SF6或其他人造气体的开关柜在使用寿命结束时，运营商需要考虑这种气体是否能被回收、再处理和再利用，是否可以降低对环境的影响。使用洁净空气则可以彻底消除使用六氟化硫的顾虑，大幅降低开关柜对环境的影响，从而节省了相关成本。
（3）监管“可持续”。我国自2012年起就陆续出台了相关政策措施，对六氟化硫气体的使用和回收进行管制。六氟化硫设备的检修与退役过程产生的六氟化硫排放已被纳入我国电网企业的温室气体核算和报告范围。考虑到未来愈发严格的监管政策，采用不受未来新规约束的环保型替代产品以保障运营连续性是明智之举。
相比起常规六氟化硫GIS，单个110kV变电站采用洁净空气绝缘型GIS设备时，其整体钢耗材增加约15吨。根据世界金属导报统计，中国长流程企业平均吨钢二氧化碳排放量约2.1吨，因此采用新型GIS设备会造成碳投入增加31.5吨。单个110kV变电站全套六氟化硫GIS设备中，SF6气体约为2.25吨，每年泄露允许值为1%，按0.1%考虑，泄露量为0.00225吨。由于六氟化硫全球变暖潜能值（GWP）是二氧化碳的23900倍，折算成碳排放为53.775吨，当年即可收回新型设备的碳投入，满足碳中和要求。
4 结论
为了对双碳背景下城市最小占地变电站的建设提供思路，本文探讨了110kV变电站低碳设备选型及特点，通过对主变压器和配电装置的碳排放进行分析，得到以下结论：
（1） 提出了电力变压器采用天然酯油代替矿物油的思路，解决矿物油碳排放问题。主变与散热器选用上下分体布置，散热器布置于二楼顶部，充分利用空间，减少占地面积，作为110-A2-6通用设计在城市电网电力变压器设备选型的优化方案。
（2） 通过采用洁净空气绝缘开关组合器、低功率互感器代替六氟化硫组合电气，不需要特殊的安全措施，也不需要在户内变电站的配电装置室内加装气体监测装置或通风系统，设备寿命更长，可以减少大量碳排放。
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基金项目：2021年国网江苏省电力有限公司经济技术研究院科技项目
作者简介：
张敏（1992-），男，硕士，经济师，工商管理，从事电力咨询项目研究与管理工作
邹盛（1987-），男，江苏人，硕士，工程师，从事电力系统规划设计及研究工作
王庭华（1967-），男，江苏人，硕士，高级工程师，从事输变电工程设计与管理
周洪伟（1979-），男，江苏人，硕士，高级工程师，从事电网规划及电气设计与研究工作
宗炫君（1990-），女，江苏省，硕士，高级工程师，从事电网规划工作