国网江苏电科院 张晓琴/肖鹏等：电力系统全生命周期碳排放核算 典型500 kV变电站的研究

电力系统全生命周期碳排放核算：典型500 kV变电站的研究

题目：Full Life Cycle Carbon Emission Accounting of the Power System: A Case Study of a Typical 500 kV Substation

作者：Xiaoqin Zhang, Hongbin Zhu, Dabing Chen, Yanli Miao, Peng Xiao

DOI：10.1002/cnl2.70025

链接：http://dx.doi.org/10.1002/cnl2.70025

第一作者：张晓琴

通讯作者：肖鹏

单位：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院

研究背景

随着近年来极端天气事件的频繁发生，温室效应逐渐成为全球迫切的环境问题。在所有行业中，电力行业的二氧化碳排放量排在首位。与此同时，随着新能源不断并网和特高压输电技术的发展，作为能源交通主体的电力行业规模仍在不断扩大，它面临的减排问题仍有待解决。变电站作为电能采集和分配的重要枢纽，规模大、分布广，是电力系统的重要组成部分，从初始建设阶段到完成运营，甚至在报废期间，大型变电站都会产生大量的碳排放。目前，电力行业的碳排放评估大多主要集中在发电厂、输电网络和单个设备的碳排放核算上，对大型变电站项目的评估较少，因此，有必要构建典型的变电站碳排放模型，并探索变电站碳排放的特点。此外，变电站工程的建设、运营和维护周期相对较长，大多数典型工程碳排放模型的核算边界主要集中在建设阶段，因此，电力工程项目碳排放评估应考虑其全生命周期，即从“摇篮到坟墓”的整个时期，涵盖基础制造阶段、使用和维护阶段以及最终处置阶段。本文建立了完整的全生命周期模型，对模型的精细化、标准化和影响因素的深入研究，有助于全面探究变电工程中各种碳源的碳足迹，科学管理具有显著温室效应的SF₆等碳源，为电力行业绿色低碳发展提供更全面、更深入的支撑。

成果介绍

国网江苏省电力有限公司电力科学研究院技术团队基于碳排放因子法构建大型变电站全生命周期碳排放核算模型，以典型的500 kV变电站工程为例，核算其全生命周期的总碳排放量。模型将变电站全生命周期划分设备制造、运输、施工、运维和退役五个阶段。针对边界清单，量化各阶段碳排放来源碳排放的贡献比重，分析影响变电站整个生命周期总碳排放量的关键因素。同时，介于高温室效应介质SF6、铝、铜金属等材料可回收特性，重点关注设备退役期间的“负碳排放”潜力。本研究突破了现有主要关注发电和输电过程碳排放核算的研究局限性，有效解决了输电枢纽碳核算的关键问题。通过填补运维阶段核算阶段的研究空白，系统跟踪了不同阶段碳源的投入回收特征，为设备制造商的低碳转型提供了理论支持。此外，该模型具有普遍性，可以扩展到风电场和光伏电站等新能源项目的低碳规划方案中。该成果以“Full Life Cycle Carbon Emission Accounting of the Power System: A Case Study of a Typical 500 kV Substation”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、构建大型变电站碳排放核算模型，填补了电力碳排放核算体系在变电枢纽大型工程方面的空白。

2、变电站碳排放核算模型基于全生命周期各阶段碳排放源特征构建，重点关注设备退役期间的“负碳排放”潜力。解决了大多数典型工程碳排放模型的核算边界缺失的问题。

3、变电站全生命周期模型可以扩展到风电场和光伏电站等新能源项目的低碳规划方案中。本研究对比各阶段的不同碳排放源的碳排放比重，有助于全面探究变电工程中各种碳源的碳足迹，科学管理具有显著温室效应的SF₆等碳源，为电力行业绿色低碳发展提供更全面、更深入的支撑。

本文要点

要点一

500 kV典型变电站全生命周期碳排放模型构建

图1：典型变电站的主要碳排放元素。

图2：典型变电站工程全生命周期各阶段的碳排放典型场景。

碳排放通常是指人类活动将二氧化碳（CO₂）等温室气体释放到大气中的过程。这些排放不仅来自化石燃料的直接燃烧，还来自间接能源消耗，例如材料生产和设备运输。对于500 kV大型变电站，碳排放源广泛而复杂。碳排放贯穿整个生命周期，从设备制造初期的材料和能源输入，到变电站完全退役拆除后材料回收产生的碳排放。这涵盖了所有阶段，并涉及各种大型设备和运营活动，如图1所示。变电站工程全生命周期中各阶段的典型场景如图2所示。

图3：典型500 kV变电站工程全生命周期碳排放核算模型框架。

为了准确核算变电站全生命周期的碳排放量，研究根据碳排放源特性并参考现有的研究分类方法，将典型500 kV变电站的整个生命周期分为五个不同的阶段：设备制造、运输、施工、运行维护和退役阶段。结合核算边界内碳排放源特征，列举碳排放清单，包括各阶段的材料、能源消耗、六氟化硫（SF₆）泄漏量、绿植吸收等。采用碳排放因子法进行变电站工程碳排放核算，如图3所示。

要点二

各生命周期阶段不同碳排放因素对比研究

图4：变电站各阶段不同碳排放源的碳排放量及各类设备的总碳排放量，（a）各阶段的碳排放量，（b）各类设备的碳排放量，（c-f）各阶段各碳排放源的碳排放量。

根据核算结果，比较生命周期各阶段的碳排放量，由于材料碳排放原因，设备制造阶段的碳排放量远超其他阶段，在核算的典型变电站中达到1, 498, 124.4 t。其次是运维阶段，碳排放量为184, 905 t。由于SF₆和金属材料的回收利用，在退役阶段产生了大量的负碳排放。

此外，变电站整个生命周期每个阶段的碳排放来源和特性均不相同。分析各阶段碳排放的原因和特点，有助于探索各碳源全生命周期碳足迹及各阶段碳排放源影响比重，提出清晰、科学的减排理论。图4列举出材料、能耗、SF₆三个因素对变电站整个生命周期每个阶段碳排放的影响。由于极强的温室效应，SF₆在各阶段的泄漏情况致使其碳排放量居于首位。与此同时，由于相较于设备制造阶段，退役阶段高碳排放量材料SF₆和金属材料的大量回收，总碳排放呈现显著的下降趋势。

图5：各类设备材料的碳排放量，（a）高压端气体绝缘开关设备（GIS），（b）低压配电端气体绝缘开关设备（GIS），（c）主变压器，（d）变电站。

图6：各类设备材料的碳排放占比，（a）高压端气体绝缘开关设备（GIS），（b）低压配电端气体绝缘开关设备（GIS），（c）主变压器，（d）变电站。

为研究SF₆以外主要碳排放源的影响比重，比较各设备材料对应碳排放量。GIS设备中SF₆碳排放的影响，产生碳排放最多的材料是铝，分别占 85.3% 和 80%。在主变压器中，硅钢产生的碳排放量最高，占60.5%。在变电站的总碳排放量中，铝的碳排放量也占主导地位，其次是硅钢和铜。陶瓷和环氧树脂等绝缘材料只占很小的比例。由此可见，金属回收对于减少变电站整个生命周期的碳排放具有重要意义。

要点三

SF₆科学管理

图7：全生命周期内各碳源的碳排放占比及各阶段六氟化硫（SF₆）净排放量占。

由于设备建造期间消耗的部分物料的碳排放量在退役期间以回收的方式抵消，从全生命周期碳源角度看，变电站减少碳排放仅需要关注SF₆和材料净消耗量，以及能源消耗和绿色植物吸收。核算结果（图7）显示，SF₆和能源净消耗对总碳排放贡献高居前两位。SF₆碳排放是因各阶段微量泄漏产生的，运维阶段的碳排放量最大，其次是施工阶段的碳排放量。因此，在运维阶段对SF₆泄漏的检测和监测尤为重要。

要点四

自制氮气SF₆现场正压循环洗脱方法

图8：六氟化硫（SF₆）的高效现场回收工艺及装置。

本文提出一种自制氮气的SF₆现场正压循环洗脱方法，创新了SF₆的富集和提取技术，突破了高回收率必须依赖于高真空度的技术限制。这种充氮回收方法能够使设备始终处于正压状态，实现 SF₆的高效回收，同时避免了设备内 SF₆回收压力接近极限真空时，因正负压力交替对电网设备的阀门部件造成损坏，保障了电网设备的安全。

本文小结

该工作以一个典型500 kV变电站工程为例，基于碳排放因子核算方法构建变电站工程全生命周期碳排放核算模型。将变电站全生命周期划分为五个生命周期阶段：设备制造、运输、施工、运维和退役。量化各阶段碳排放源的排放量，研究影响变电站整个生命周期碳排放量的关键因素。本研究突破了现有主要关注发电和输电过程碳排放核算的研究局限性，有效解决了输电枢纽碳核算的关键问题。填补运维阶段核算阶段的研究空白，系统跟踪了不同阶段碳源的投入回收特征，为设备制造商的低碳转型提供了理论支持。研究结果表明变电站工程不同阶段微量泄漏的SF₆温室效应显著，在总碳排放量中起主导作用，占67.53%。同时，在整个生命周期的各个阶段中，运营维护阶段的碳排放占比最高。SF₆的科学监测、管理和高效回收利用，对变电站工程的减碳具有重要意义。此外，排除SF₆碳排放的影响，设备建造阶段材料产生的碳排放是主要影响因素，提高金属回收效率有助于变电站项目减少碳排放。而且，从变电站碳排放的整个生命周期来看，在设备建设阶段的碳排放量是最高的。在退役阶段，由于SF₆和金属的回收利用，产生了大量的负碳排放。在其他阶段，由于能源消耗和SF₆泄漏，会产生少量碳排放。因此，只有从变电站全生命周期的角度来管理碳排放，才能科学地减少碳排放。

作者介绍

第一作者

张晓琴

国网江苏省电力有限公司电力科学研究院高级工程师/高级技师，长期从事六氟化硫气体检测及回收工作。

通讯作者

肖 鹏

中共党员，工学博士，高级工程师，江苏省产业教授，入选省级青年人才。主要从事电工新材料、新型储能研究，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、江苏省自然科学基金、江苏省住建厅等政府类项目6项，国家电网公司系统项目8项。已在Adv. Mater.、Mat. Sci. Eng. R、Energy Storage Mater.等期刊发表论文50余篇，授权美国专利1件、中国发明专利30余件，制定发布地方、团体等技术标准6项。担任IEEE PES智能电网与新技术委员会理事，IEC TC89/WG12注册专家，江苏科技大学、东南大学、中国矿业大学等高校兼职研究生导师。获中国电力创新一等奖、“科创江苏”创新创业大赛一等奖、国家电网职工技术创新二等奖、电力建设科技进步三等奖等，被评为江苏省工程师学会优秀青年工程师、江苏省材料学会优秀科技工作者。

期刊介绍

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的26名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2024年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、DOAJ数据库收录，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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期刊编辑部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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