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(shè)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(shù)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(jīng)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(luò)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(shè)計方式，達(dá)到技術(shù)和經(jīng)濟的極限。目前雙拼500 kV電纜線路尚無在實際工程建設(shè)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(shù)，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(jìn)入城市的地下變電站等負(fù)荷中心[1]。

國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)、科研機構(gòu)和高校院所分別對高壓電纜和GIL進(jìn)行了大量研究，然而已有的研究并未將兩者有機結(jié)合起來對比分析，并且對GIL的研究多基于技術(shù)層面，對其經(jīng)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(shù)經(jīng)濟性進(jìn)行研究。

1 城市500 kV地下輸電技術(shù)

1.1 城市500 kV電纜輸電技術(shù)

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(nèi)到外主要包括電纜導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽、金屬護(hù)套、外絕緣、外絕緣導(dǎo)電層等。城市中500 kV電纜線路輸送方案一般采用隧道敷設(shè)，為保證隧道內(nèi)設(shè)備的安全運行以及方便檢修與維護(hù)工作，需要在敷設(shè)隧道內(nèi)設(shè)置對應(yīng)的附屬設(shè)施。附屬設(shè)施主要包含通風(fēng)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(jīng)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(shè)方式靈活多樣，國內(nèi)500 kV電纜已有工程投運多年。但國內(nèi)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(shù)

GIL將高壓載流導(dǎo)體封閉于金屬殼體內(nèi)，注入絕緣性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)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(dǎo)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(zhuǎn)角單元和隔離單元等[3]。

從20世紀(jì)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(yīng)用，已經(jīng)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(yīng)用較少。隨著“西部大開發(fā)”和“西電東送”戰(zhàn)略推進(jìn)，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(yuǎn)離中、東部負(fù)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(jìn)出線的主要方式之一。

2 技術(shù)性比較

2.1 安全性

根據(jù)國內(nèi)外多年GIL的運行經(jīng)驗得到，GIL線路的可靠性和安全性均較高。GIL的高壓導(dǎo)體裝在金屬外殼內(nèi)，運行不受大氣和環(huán)境的影響，內(nèi)部以SF6或SF6-N2混合氣體作為絕緣介質(zhì)，無老化問題。金屬外殼接地，有利于安全防護(hù)。GIL年漏氣率通常只有0.1%，基本不需要檢修，經(jīng)試驗驗證其壽命可長達(dá)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(nèi)部故障時對外部沒有影響。高壓導(dǎo)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(nèi)部故障后常會爆炸燃燒并產(chǎn)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(dāng)前，人們對輸變電設(shè)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(yuǎn)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(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.3 設(shè)備損耗

介電損耗以及與負(fù)載有關(guān)的損耗取決于所使用的絕緣介質(zhì)，由于GIL采用了氣體絕緣技術(shù)，并且內(nèi)部所使用的絕緣件數(shù)量較少，幾乎可以忽略不計。與負(fù)荷相關(guān)的損耗與負(fù)荷電流的平方成正比，并取決于導(dǎo)體的截面積和直徑，由于采用了大截面的導(dǎo)體，GIL呈現(xiàn)比充油電纜或交聯(lián)聚乙烯電纜更低的導(dǎo)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(shè)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(cè)500 kV變電站內(nèi)為補償線路充電功率配置的電抗器容量遠(yuǎn)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(yuǎn)小于大截面電纜，約為雙拼2 500 mm2截面電纜的1/8，兩側(cè)500 kV變電站內(nèi)的低壓電抗器配置容量需求也遠(yuǎn)小于電纜線路。也就是說，在進(jìn)行輸電系統(tǒng)設(shè)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(hù)

GIL的運行維護(hù)主要使用在線監(jiān)測技術(shù)、定期巡視技術(shù)、設(shè)備檢修技術(shù)等。與電纜輸電相比，GIL的運維更智能化，GIL運維情況較為復(fù)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(shè)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(shè)備進(jìn)行實時有效檢測，可提高GIL設(shè)備的運行維護(hù)水平。此外，GIL年漏氣率通常只有0.1%，運行維護(hù)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(dá)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(jīng)濟性比較

3.1 500 kV電纜電氣造價水平分析

(1)采用500 kV進(jìn)口電纜的造價水平。早期由于技術(shù)壁壘，500 kV絕緣電纜本體及附件主要依賴進(jìn)口，進(jìn)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(jìn)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(jìn)口，電纜全線在隧道內(nèi)敷設(shè)。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(chǎn)電纜的造價水平。隨著高壓電纜國產(chǎn)化研制及產(chǎn)業(yè)升級，國產(chǎn)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(jié)合國內(nèi)電纜廠家的報價，將某城市500 kV電纜工程的進(jìn)口電纜及電纜頭替換為同技術(shù)參數(shù)的國產(chǎn)電纜及電纜頭，經(jīng)測算得到相同條件下使用國產(chǎn)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(jìn)口電纜與國產(chǎn)電纜造價對比分析。使用進(jìn)口電纜與國產(chǎn)電纜的投資差異：使用進(jìn)口電纜的情形下，其靜態(tài)投資較國產(chǎn)電纜高164.59%，主要是由于進(jìn)口電纜設(shè)備購置費較國產(chǎn)電纜高212.35%。經(jīng)分析，500 kV 2 500 mm2進(jìn)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(chǎn)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(dǎo)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(shù)。

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(shè)備為進(jìn)口設(shè)備，全線在管廊內(nèi)敷設(shè)。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(shè)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(jié)合廠家詢價，將工程的進(jìn)口GIL設(shè)備替換為同技術(shù)參數(shù)的國產(chǎn)GIL設(shè)備，經(jīng)測算得到相同條件下使用國產(chǎn)GIL設(shè)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(shè)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(jìn)口GIL與國產(chǎn)GIL，使用進(jìn)口GIL情形下，靜態(tài)投資較使用國產(chǎn)GIL高29.51%，主要是由于其設(shè)備購置費較國產(chǎn)GIL高38.45%。經(jīng)對比，500 kV進(jìn)口GIL單價約為1.5萬元/m，相應(yīng)的國產(chǎn)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(jìn)行對比分析，考慮到審定時間為2013年，采用當(dāng)時的電纜價格已不能體現(xiàn)當(dāng)期造價水平。結(jié)合目前對進(jìn)口電纜價格信息的收集，將其價格作相應(yīng)調(diào)整，對比結(jié)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(jìn)口GIL比使用進(jìn)口電纜貴約49.83%，使用國產(chǎn)GIL比使用國產(chǎn)電纜貴約1倍。經(jīng)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(shè)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(shè)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(nèi)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(shè)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(shè)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(shè)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(hù)按照鋼板樁方案考慮，隧道靜態(tài)投資包括隧道土建、通風(fēng)、照明、消防、輔控等內(nèi)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(jié)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(jìn)行兩種輸電技術(shù)的全壽命周期成本比較?？紤]到目前GIL與電纜國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)已成熟，國產(chǎn)產(chǎn)品已基本替代進(jìn)口產(chǎn)品，只進(jìn)行國產(chǎn)GIL與國產(chǎn)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(shù)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(shù)與500 kV電纜輸電相比，其初設(shè)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(shè)投資成本高，但具有安全性強、環(huán)保性好、設(shè)備損耗低、設(shè)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(jié)語

GIL輸電是一種新型輸電技術(shù)，存在市場相對不成熟、競爭性不高、不具規(guī)模化等缺點，建設(shè)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(hù)、安全綜合預(yù)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(hù)方便、故障率低、基本不檢修等優(yōu)點，在國外已經(jīng)有超過40年的運行經(jīng)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(yù)見，GIL輸電技術(shù)在大中型城市中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。GIL輸電技術(shù)在未來，可以與市政綜合管廊建設(shè)一同發(fā)展，對城市發(fā)展建設(shè)具有重大的實際意義。