城市電網(wǎng)超大容量500 kV地下輸電技術經濟比較

王若愚，毛森茂，王 濤，李 艷，王珍珍

(1. 深圳供電局有限公司，深圳 518000；2. 上海電力設計院有限公司，上海 200025)

相對較為成熟的城市大容量地下輸電技術主要有電纜輸電線路與氣體絕緣輸電線路(Gas Insulated Transmission Line，簡稱GIL)。電纜輸電方式已經在配電網(wǎng)至500 kV輸電線路中得到普遍采用，對于大容量輸電線路特別是500 kV骨干聯(lián)絡線采用電纜輸電時將會面臨載流量的限制，可采用雙拼或多拼等設計方式，達到技術和經濟的極限。目前雙拼500 kV電纜線路尚無在實際工程建設中運行。

GIL作為一種可替代架空線路和電纜線路的新型輸電技術，通常不受惡劣氣候和特殊地形等環(huán)境因素的影響，并對環(huán)境基本沒有電磁影響。GIL可有效利用有限的空間資源，實現(xiàn)高壓及超高壓大容量電能直接進入城市的地下變電站等負荷中心[1]。

國內外相關企業(yè)、科研機構和高校院所分別對高壓電纜和GIL進行了大量研究，然而已有的研究并未將兩者有機結合起來對比分析，并且對GIL的研究多基于技術層面，對其經濟性的研究很少。鑒于此背景，有必要對電纜和GIL兩種地下輸電方式的技術經濟性進行研究。

1 城市500 kV地下輸電技術

1.1 城市500 kV電纜輸電技術

500 kV電纜線路是已投入運行的最高電壓等級的電纜系統(tǒng)，其絕緣形式主要是交聯(lián)聚乙烯絕緣。交聯(lián)高壓電纜從內到外主要包括電纜導體、導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽、金屬護套、外絕緣、外絕緣導電層等。城市中500 kV電纜線路輸送方案一般采用隧道敷設，為保證隧道內設備的安全運行以及方便檢修與維護工作，需要在敷設隧道內設置對應的附屬設施。附屬設施主要包含通風系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等[2]。

500 kV超高壓電纜的研制工作在國外已經開展多年，1975年日本研發(fā)成功了世界上第一條500 kV電纜。我國超高壓電力電纜研究起步較晚，但發(fā)展速度很快。電纜市場相對成熟、競爭度高、建設方式靈活多樣，國內500 kV電纜已有工程投運多年。但國內外尚未有雙拼乃至多拼500 kV電纜在運工程。

1.2 城市500 kV GIL輸電技術

GIL將高壓載流導體封閉于金屬殼體內，注入絕緣性能遠遠優(yōu)于空氣的SF6氣體，極大地壓縮了輸電線路的空間尺寸，實現(xiàn)高度緊湊化、小型化設計，成為替代架空輸電線路的緊湊型輸電解決方案[2]。特高壓GIL主要由外殼、導體、絕緣子、伸縮節(jié)、觸頭系統(tǒng)及微粒捕捉器等部件組成，其單元類型可分為直線單元、補償單元、轉角單元和隔離單元等[3]。

從20世紀七八十年代開始，美國、日本、加拿大、法國、俄羅斯、德國等國家都將GIL投入應用，已經建成實際的高壓輸電線路。目前我國GIL多用于水電站、核電廠及火電廠，在城區(qū)特別是綜合管廊中的應用較少。隨著“西部大開發(fā)”和“西電東送”戰(zhàn)略推進，我國相繼啟動了一大批大型水電站。這些大型工程的選址多位于西部高原地區(qū)的深山峽谷中，遠離中、東部負荷中心，機組容量巨大，并且多采用地下廠房布置方式，送出工程比較困難，而GIL 正是解決大型水電站進出線的主要方式之一。

2 技術性比較

2.1 安全性

根據(jù)國內外多年GIL的運行經驗得到，GIL線路的可靠性和安全性均較高。GIL的高壓導體裝在金屬外殼內，運行不受大氣和環(huán)境的影響，內部以SF6或SF6-N2混合氣體作為絕緣介質，無老化問題。金屬外殼接地，有利于安全防護。GIL年漏氣率通常只有0.1%，基本不需要檢修，經試驗驗證其壽命可長達50多年。由于GIL沒有移動部件，不存在因磨損而降低壽命的情況。GIL是電氣封閉系統(tǒng)，內部故障時對外部沒有影響。高壓導體不裸露，因此雷電過電壓不會直接沖擊GIL。

電纜絕緣會逐年老化，易受機械力破壞，內部故障后常會爆炸燃燒并產生有毒氣體，對鄰近相和附近隧道都有影響，還會帶來人身安全問題。

2.2 環(huán)保性

在當前，人們對輸變電設備的電磁影響敏感性增強。對于完全接地的GIL系統(tǒng)而言，其磁場強度遠小于電纜磁場，對環(huán)境影響很小。GIL的“環(huán)境友好性”為其在大型城市電網(wǎng)的應用奠定了良好的基礎。

2.3 設備損耗

介電損耗以及與負載有關的損耗取決于所使用的絕緣介質，由于GIL采用了氣體絕緣技術，并且內部所使用的絕緣件數(shù)量較少，幾乎可以忽略不計。與負荷相關的損耗與負荷電流的平方成正比，并取決于導體的截面積和直徑，由于采用了大截面的導體，GIL呈現(xiàn)比充油電纜或交聯(lián)聚乙烯電纜更低的導體損耗。

隨著輸送容量增大，GIL、架空線和電纜的線損都逐漸增大。在相同輸送容量下，架空線的線損最大，交聯(lián)電纜的線損次之，GIL的線損最小。在各類型線路輸送容量接近的情況下，從降低線損角度，GIL的性能最優(yōu)。

2.4 設備補償

500 kV長電纜線路(一般10 km以上)的充電功率很大，在兩側500 kV變電站內為補償線路充電功率配置的電抗器容量遠高于架空線路。GIL的充電功率高于架空線路，為架空線路的3～4倍，但遠小于大截面電纜，約為雙拼2 500 mm2截面電纜的1/8，兩側500 kV變電站內的低壓電抗器配置容量需求也遠小于電纜線路。也就是說，在進行輸電系統(tǒng)設計時若使用GIL，其需要的電抗器補償費用會少很多。

2.5 運行維護

GIL的運行維護主要使用在線監(jiān)測技術、定期巡視技術、設備檢修技術等。與電纜輸電相比，GIL的運維更智能化，GIL運維情況較為復雜，靠人工巡檢不可能完全實時掌握GIL運行工況。通過建立多個能有效反映GIL設備運行情況的在線監(jiān)測系統(tǒng)，將多方監(jiān)測的數(shù)據(jù)集成在一起，對設備進行實時有效檢測，可提高GIL設備的運行維護水平。此外，GIL年漏氣率通常只有0.1%，運行維護工作量小，基本不檢修。

2.6 使用壽命

與電力電纜相比，GIL壽命周期長。GIL壽命可達50年以上，電力電纜壽命一般為30年左右。世界上第一條GIL于1972年在德國施盧赫湖抽水蓄能站建成，距今已有48年，從未出現(xiàn)過重大故障，所有部件依然處于良好的狀態(tài)。

3 經濟性比較

3.1 500 kV電纜電氣造價水平分析

(1)采用500 kV進口電纜的造價水平。早期由于技術壁壘，500 kV絕緣電纜本體及附件主要依賴進口，進口電纜價格昂。以某城市500 kV電纜工程為例，工程線路全長16.4 km×2回×3相，輸送容量1 500 MW，電纜選用500 kV的1×2 500 mm2進口交聯(lián)電纜，電纜終端頭12只(GIS終端頭6只，戶外終端頭6只)及絕緣接頭174只均為進口，電纜全線在隧道內敷設。該工程單位靜態(tài)投資為8 480.12萬元/km。其中，單位本體投資為7 526.52萬元/km，占比88.75%，而本體中電纜與電纜頭的購置費占整個靜態(tài)投資的78.59%，為6 664.45萬元。

(2)采用500 kV國產電纜的造價水平。隨著高壓電纜國產化研制及產業(yè)升級，國產500 kV電纜已能滿足超高壓長距離大截面輸電線路的要求。結合國內電纜廠家的報價，將某城市500 kV電纜工程的進口電纜及電纜頭替換為同技術參數(shù)的國產電纜及電纜頭，經測算得到相同條件下使用國產電纜與電纜頭的投資。該工程單位靜態(tài)投資為3 205.06萬元/km。其中，單位本體投資為2 995.73萬元/km，占比93.47%，而本體中電纜與電纜頭的購置費占整個靜態(tài)投資的66.57%，為2 133.66萬元。

(3)500 kV進口電纜與國產電纜造價對比分析。使用進口電纜與國產電纜的投資差異：使用進口電纜的情形下，其靜態(tài)投資較國產電纜高164.59%，主要是由于進口電纜設備購置費較國產電纜高212.35%。經分析，500 kV 2 500 mm2進口電纜單價為922.41萬元/km，電纜絕緣接頭單價為93.27萬元/只，GIS電纜終端頭為108.89萬元/只，戶外電纜終端頭275萬元/只；而500 kV 2 500 mm2國產電纜單價為280萬元/km，電纜頭單價為40萬元/只。因此，電纜及電纜頭價格差異大直接導致其工程造價差異大。

3.2 500 kV GIL電氣造價水平分析

與常規(guī)電纜相比，GIL具有傳輸容量大、損耗小、不受環(huán)境影響、運行可靠性高、節(jié)省占地等顯著優(yōu)點，尤其適合作為架空輸電方式或電纜送電受限情況下的補充輸電技術。

以某城市500 kV GIL電氣工程為例，本工程GIL線路路徑全長6.25 km×2回，使用的GIL設備為進口設備，全線在管廊內敷設。該工程單位靜態(tài)投資16 507.52萬元/km。其中，單位本體投資15 336.32萬元/km，占比92.91%，而本體中設備購置費的單位投資為12 732.80萬元/km，占整個靜態(tài)投資的77.13%。結合廠家詢價，將工程的進口GIL設備替換為同技術參數(shù)的國產GIL設備，經測算得到相同條件下使用國產GIL設備的投資，該工程單位靜態(tài)投資6 664.00萬元/km。其中，單位本體投資6 055.04萬元/km，占比90.86%，而本體中設備購置費的單位投資為4 837.92萬元/km，占整個靜態(tài)投資的72.60%。

由數(shù)據(jù)可知，相同條件下，分別使用進口GIL與國產GIL，使用進口GIL情形下，靜態(tài)投資較使用國產GIL高29.51%，主要是由于其設備購置費較國產GIL高38.45%。經對比，500 kV進口GIL單價約為1.5萬元/m，相應的國產GIL單價約為1萬元/m。

綜合分析，將500 kV單回GIL輸電與500 kV單回雙拼電纜輸電進行對比分析，考慮到審定時間為2013年，采用當時的電纜價格已不能體現(xiàn)當期造價水平。結合目前對進口電纜價格信息的收集，將其價格作相應調整，對比結果如表1所示。

由表1表明，500 kV GIL輸電造價高于500 kV電纜輸電，使用進口GIL比使用進口電纜貴約49.83%，使用國產GIL比使用國產電纜貴約1倍。經分析，500 kV GIL輸電造價高的原因主要是由于GIL管道造價高，其次是支架的費用高，以及需要特殊的監(jiān)測設備。

表1 500 kV GIL輸電與500 kV電纜輸電造價對比 萬元/km

3.3 500 kV輸電地下通道造價水平分析

考慮到城市地面交通、周邊環(huán)境和地塊規(guī)劃等限制，500 kV輸電地下通道主要采用隧道敷設方式，隧道土建一般優(yōu)先采用明挖，斷面為矩形。采用矩形斷面可以提高隧道內的空間利用率，同時減少投資，施工難度也小。因此，對于500 kV電纜和500 kV GIL兩種敷設方案的地下通道，本文均按矩形明挖隧道斷面考慮。500 kV電纜敷設通道選用3種斷面尺寸，分別為2.6 m×2.6 m，2.8 m×2.6 m和3.2 m×2.4 m；500 kV GIL敷設通道選用3.5 m×3.5 m及4 m×4.5 m斷面尺寸。明挖隧道基坑支護按照鋼板樁方案考慮，隧道靜態(tài)投資包括隧道土建、通風、照明、消防、輔控等內容，不同斷面尺寸的單位造價水平如表2所示。

表2 500 kV GIL與500 kV電纜輸電地下通道造價對比

由表2表明，500 kV GIL輸電地下通道造價高于500 kV電纜輸電地下通道，為電纜輸電通道造價的1.5～2.2倍，主要原因是500 kV GIL輸電所需通道截面較大，單位造價較高。

3.4 500 kV GIL與500 kV電纜的全壽命周期成本比較

結合全壽命周期理論和輸電線路工程特點，以500 kV GIL與500 kV雙拼電纜(2×2 500 mm2)為研究對象，按GIL運行50年，電纜運行30年考慮，進行兩種輸電技術的全壽命周期成本比較?？紤]到目前GIL與電纜國內生產技術已成熟，國產產品已基本替代進口產品，只進行國產GIL與國產電纜的對比。

500 kV單回單公里GIL輸電線路(簡稱方案1)與500 kV單回單公里雙拼電纜(2×2 500 mm2)輸電線路(簡稱方案2)的全壽命周期成本比較見表3。

表3 某市500 kV GIL技術與500 kV電纜的全壽命周期成本比較 萬元

由表3表明，500 kV GIL輸電技術與500 kV電纜輸電相比，其初設投資雖然高，但全周期周期成本較低。

綜合分析可知，與電力電纜輸電相比，GIL輸電方式雖然初設投資成本高，但具有安全性強、環(huán)保性好、設備損耗低、設備補償費用少、運維更智能化、壽命長、全壽命周期成本低等綜合優(yōu)勢，見表4。

表4 500 kV GIL輸電與500 kV電纜輸電綜合對比

4 結語

GIL輸電是一種新型輸電技術，存在市場相對不成熟、競爭性不高、不具規(guī)?；热秉c，建設期造價投入較電纜要高。但GIL符合電力系統(tǒng)現(xiàn)場運行維護、安全綜合預控方案和外觀審美要求，具有送電能力強、與周邊環(huán)境友好相處、安裝及運行維護方便、故障率低、基本不檢修等優(yōu)點，在國外已經有超過40年的運行經驗。從全壽命周期成本角度，GIL較傳統(tǒng)電纜線路有優(yōu)勢。

由此可以預見，GIL輸電技術在大中型城市中有著十分廣闊的應用前景。GIL輸電技術在未來，可以與市政綜合管廊建設一同發(fā)展，對城市發(fā)展建設具有重大的實際意義。