全生命周期碳足迹热点与输配电设备脱碳条件：基于案例的分析

《Resources, Conservation & Recycling Advances》：Lifecycle carbon-footprint hotspots and decarbonization conditions in transmission and distribution equipment: A case-based analysis

　　

输配电设备的全生命周期脱碳需要将碳热点与支配它们的工程变量和服务条件联系起来。研究人员分析了11个可数值重建的案例，涵盖电压变换、开断/保护以及通过架空线路或电缆进行的电力传输。在所考察的案例中，变压器运行占主导地位，而不同的铁心设计表现出由空载损耗和负载损耗共同决定的负荷相关效益。在开关设备中，低气体技术同时依赖于气体释放、辅助用电和生产负担。线路和电缆证据表明，导体损耗和介质损耗必须与材料及土木基础设施需求一并考虑。在各案例中，除非在匹配的功能和服务条件下评估替代方案，否则一个生命周期项的削减可能会导致负担转移至其他项。通过将热点与可控变量联系起来，该分析确定了匹配负载的变压器设计、气体与辅助系统联合管理以及全产品或全线路评估的要求。这些基于服务条件的研究结果加强了设备设计、采购和运行中的生命周期碳决策。

**论文解读：输配电设备全生命周期碳足迹热点与脱碳路径——基于11个案例的机制分析**

**一、研究背景**

电力系统脱碳高度依赖庞大的输配电基础设施。变压器、断路器、开关柜、架空线路和电缆等设备包含金属、磁性材料、绝缘材料、气体和土木工程，并通过电气损耗、辅助能耗、泄漏、维护和更换持续影响温室气体排放。电网设备的碳足迹并非由单一生命周期阶段或单一工程变量决定：降低运行损耗的设计可能改变材料需求；替代绝缘介质可能减少直接气体排放但增加加热需求；地下线路则需导体、绝缘、管道、人孔和沟槽等基础设施。识别主导负担、产生机制及跨阶段负担转移，是制定有效脱碳路径的第一步。既有文献虽确立了设备家族层面的机制，但数值证据通常针对不同功能、电压等级、边界和服务条件，缺乏可比性。因此，有必要通过案例重建，将生命周期热点与工程师和资产所有者可测量或可指定的物理量相联系。

**二、研究方法与关键技术**

研究人员通过OpenAlex和出版商/DOI检索、引文追踪、制造商公开产品信息和环境声明库，系统收集了截至2026年8月5日的公开证据。在37条记录中筛选出13项研究/声明和2项技术规范，共15个量化输入源支撑11个案例：6个变压器、3个断路器、1个气体绝缘开关设备和1个线路/电缆案例。关键技术方法包括：一，变压器年化足迹计算，将固定负担按寿命分摊，运行损耗基于空载损耗(P₀)、额定负载损耗(P_k)和负荷平方的时间加权均值计算；二，气体绝缘设备的三种互补平衡重建，包括72 kV断路器链条的相关性分析、145 kV制造商对比的阶段性GWP核算，以及24 kV开关柜的生产-气体释放分离方程；三，材料和基础设施负担的源解析证据，如1250 kVA变压器EPD的模块拆分与物料清单读取，以及线路/电缆的前景清单分析。样本队列来源包括2022年美国EIA发电数据(0.390 kg CO₂/kWh)和2024年中国官方电力碳足迹因子(0.577 kg CO₂e/kWh)。

**三、研究结果**

**3.1 不同设备功能的全生命周期碳热点存在差异**

各案例未共享单一生命周期热点。变压器足迹由空载和负载损耗相关的电力主导；气体绝缘断路器和开关柜结合了直接气体或气体相关效益与辅助用电及生产负担；产品阶段和线路清单进一步表明，运行改进可能与材料、制造和土木基础设施负担共存。因此，最直接的干预因设备功能而异：变压器需在预期负载下改进损耗性能，开关设备需在控制加热和辅助用电的同时减少绝缘气体负担，线路和电缆需验证运行收益是否转移到材料密集型产品或线路阶段。

**3.2 变压器足迹由运行损耗主导，具有设计特定的负荷响应**

两项独立足迹视图确定变压器运行为主要热点。在认证的1250 kVA EPD中，模块B6占A–C模块60.257 t CO₂e总量的68.21%，其余阶段合计占31.79%。在重建的110 kV年度比较中，运行项占基准年化PCF 859.256 t CO₂e的99.65%。两个非晶态铁心案例显示一致的P₀方向但不同的P_k响应：100 kVA案例中替代方案P₀比值0.188、P_k比值0.843，节省随负荷增加；250 kVA案例中P₀降低69.9%但P_k增加4.9%，节省随利用率降低但仍保持正值。恒定半载和半时额定负载两种解释产生不同数值，强化了RMS等效负荷持续时间曲线的必要性。

**3.3 SF₆相关负担与辅助用电共同塑造开关设备足迹**

145 kV对比提供了最完整的阶段级视图：40年服务期内，SF₆断路器报告37.396 t CO₂e，洁净空气/真空替代方案7.006 t，减少30.390 t或81.3%。替代方案在材料、制造和运输方面产生1.499 t惩罚，但运行阶段提供30.657 t效益和1.232 t报废效益。72 kV重建揭示了辅助用电可抵消气体相关效益的条件：在22%累计SF₆释放情景下，非电力优势为73.93 t CO₂e，室外替代方案40年需额外152.9 MWh，平衡点在g≈0.48 kg CO₂e/kWh；在g=0.390为+14.3 t，在g=0.577为-14.3 t。24 kV开关柜案例中，7%累计释放时避免的直接气体贡献5.985–6.851 t，占代表效益的90.3–91.4%。

**3.4 材料和基础设施负担在运行热点之外仍很重要**

1250 kVA变压器EPD中，B6贡献41.100 t CO₂e，但A–C其余模块贡献19.157 t，占31.79%。3942.60 kg物料清单含61.11%低合金钢、18.26%矿物油、11.46%电子线和6.84%铝。开关设备案例直接显示跨阶段负担转移：145 kV洁净空气替代方案材料阶段有1.499 t惩罚，但总净效益30.390 t；24 kV替代方案生产阶段有0.644 t优势，但远小于5.985–6.851 t的避免直接气体项。线路基础设施方面，地下每电路英里含6.734 t铝、2.278 t铜、7.408 t聚乙烯、1096.593 t人孔和管道混凝土、15.910 t钢筋和66.986 t PVC导管；架空线路则依赖3.020 t铝导体、0.474 t导体钢、8.627 t杆木。

**四、讨论与结论**

**4.1 讨论**

研究结果将不同足迹模式与不同物理服务联系起来：变压器通过磁路连续传输功率，空载损耗在通电期间持续存在，负载损耗随电流平方增长；断路器或开关柜提供绝缘和开断能力，其足迹可由绝缘气体的气候后果、替代技术所需辅助系统或两者共同主导；线路和电缆提供空间电力传输路径，需导体、绝缘、支撑结构、管道、人孔和其他土木工程。这些功能差异产生不同的主要热点和跨阶段负担转移机会。研究贡献在于建立了从报告热点到其控制物理变量、条件响应、潜在负担转移和证据需求的明确链条，将生命周期结果转化为设备设计、采购和运行决策。对于电网企业，应要求同时提供主导碳项的物理量和检测负担转移的产品或安装数据，并可通过标准定义一致的模块报告和测试条件，制造商披露其控制的量，资产所有者提供服务数据。

**4.2 研究结论**

在11个案例中，电压变换、开断/保护和电力传输基础设施表现出不同的热点和控制变量。变压器证据支持协调空载损耗、负载损耗和负载工况；开关设备证据支持同时评估气体释放、回收、辅助能源和产品阶段负担；线路/电缆证据解释了为何运行损耗和材料密集型基础设施需要共同的服务基准。72 kV结果进一步证明电力因子和释放假设如何改变技术效益的方向。通过将生命周期结果与可控工程变量和服务条件联系起来，该研究为低碳设备设计、基于证据的采购和生命周期碳管理提供了实用基础。