城市电网超大容量500 kV地下输电技术经济比较

王若愚，毛森茂，王 涛，李 艳，王珍珍

(1. 深圳供电局有限公司，深圳 518000；2. 上海电力设计院有限公司，上海 200025)

相对较为成熟的城市大容量地下输电技术主要有电缆输电线路与气体绝缘输电线路(Gas Insulated Transmission Line，简称GIL)。电缆输电方式已经在配电网至500 kV输电线路中得到普遍采用，对于大容量输电线路特别是500 kV骨干联络线采用电缆输电时将会面临载流量的限制，可采用双拼或多拼等设计方式，达到技术和经济的极限。目前双拼500 kV电缆线路尚无在实际工程建设中运行。

GIL作为一种可替代架空线路和电缆线路的新型输电技术，通常不受恶劣气候和特殊地形等环境因素的影响，并对环境基本没有电磁影响。GIL可有效利用有限的空间资源，实现高压及超高压大容量电能直接进入城市的地下变电站等负荷中心[1]。

国内外相关企业、科研机构和高校院所分别对高压电缆和GIL进行了大量研究，然而已有的研究并未将两者有机结合起来对比分析，并且对GIL的研究多基于技术层面，对其经济性的研究很少。鉴于此背景，有必要对电缆和GIL两种地下输电方式的技术经济性进行研究。

1 城市500 kV地下输电技术

1.1 城市500 kV电缆输电技术

500 kV电缆线路是已投入运行的最高电压等级的电缆系统，其绝缘形式主要是交联聚乙烯绝缘。交联高压电缆从内到外主要包括电缆导体、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽、金属护套、外绝缘、外绝缘导电层等。城市中500 kV电缆线路输送方案一般采用隧道敷设，为保证隧道内设备的安全运行以及方便检修与维护工作，需要在敷设隧道内设置对应的附属设施。附属设施主要包含通风系统、消防系统、动力系统、照明系统、排水系统、监控系统、通信系统等[2]。

500 kV超高压电缆的研制工作在国外已经开展多年，1975年日本研发成功了世界上第一条500 kV电缆。我国超高压电力电缆研究起步较晚，但发展速度很快。电缆市场相对成熟、竞争度高、建设方式灵活多样，国内500 kV电缆已有工程投运多年。但国内外尚未有双拼乃至多拼500 kV电缆在运工程。

1.2 城市500 kV GIL输电技术

GIL将高压载流导体封闭于金属壳体内，注入绝缘性能远远优于空气的SF6气体，极大地压缩了输电线路的空间尺寸，实现高度紧凑化、小型化设计，成为替代架空输电线路的紧凑型输电解决方案[2]。特高压GIL主要由外壳、导体、绝缘子、伸缩节、触头系统及微粒捕捉器等部件组成，其单元类型可分为直线单元、补偿单元、转角单元和隔离单元等[3]。

从20世纪七八十年代开始，美国、日本、加拿大、法国、俄罗斯、德国等国家都将GIL投入应用，已经建成实际的高压输电线路。目前我国GIL多用于水电站、核电厂及火电厂，在城区特别是综合管廊中的应用较少。随着“西部大开发”和“西电东送”战略推进，我国相继启动了一大批大型水电站。这些大型工程的选址多位于西部高原地区的深山峡谷中，远离中、东部负荷中心，机组容量巨大，并且多采用地下厂房布置方式，送出工程比较困难，而GIL 正是解决大型水电站进出线的主要方式之一。

2 技术性比较

2.1 安全性

根据国内外多年GIL的运行经验得到，GIL线路的可靠性和安全性均较高。GIL的高压导体装在金属外壳内，运行不受大气和环境的影响，内部以SF6或SF6-N2混合气体作为绝缘介质，无老化问题。金属外壳接地，有利于安全防护。GIL年漏气率通常只有0.1%，基本不需要检修，经试验验证其寿命可长达50多年。由于GIL没有移动部件，不存在因磨损而降低寿命的情况。GIL是电气封闭系统，内部故障时对外部没有影响。高压导体不裸露，因此雷电过电压不会直接冲击GIL。

电缆绝缘会逐年老化，易受机械力破坏，内部故障后常会爆炸燃烧并产生有毒气体，对邻近相和附近隧道都有影响，还会带来人身安全问题。

2.2 环保性

在当前，人们对输变电设备的电磁影响敏感性增强。对于完全接地的GIL系统而言，其磁场强度远小于电缆磁场，对环境影响很小。GIL的“环境友好性”为其在大型城市电网的应用奠定了良好的基础。

2.3 设备损耗

介电损耗以及与负载有关的损耗取决于所使用的绝缘介质，由于GIL采用了气体绝缘技术，并且内部所使用的绝缘件数量较少，几乎可以忽略不计。与负荷相关的损耗与负荷电流的平方成正比，并取决于导体的截面积和直径，由于采用了大截面的导体，GIL呈现比充油电缆或交联聚乙烯电缆更低的导体损耗。

随着输送容量增大，GIL、架空线和电缆的线损都逐渐增大。在相同输送容量下，架空线的线损最大，交联电缆的线损次之，GIL的线损最小。在各类型线路输送容量接近的情况下，从降低线损角度，GIL的性能最优。

2.4 设备补偿

500 kV长电缆线路(一般10 km以上)的充电功率很大，在两侧500 kV变电站内为补偿线路充电功率配置的电抗器容量远高于架空线路。GIL的充电功率高于架空线路，为架空线路的3～4倍，但远小于大截面电缆，约为双拼2 500 mm2截面电缆的1/8，两侧500 kV变电站内的低压电抗器配置容量需求也远小于电缆线路。也就是说，在进行输电系统设计时若使用GIL，其需要的电抗器补偿费用会少很多。

2.5 运行维护

GIL的运行维护主要使用在线监测技术、定期巡视技术、设备检修技术等。与电缆输电相比，GIL的运维更智能化，GIL运维情况较为复杂，靠人工巡检不可能完全实时掌握GIL运行工况。通过建立多个能有效反映GIL设备运行情况的在线监测系统，将多方监测的数据集成在一起，对设备进行实时有效检测，可提高GIL设备的运行维护水平。此外，GIL年漏气率通常只有0.1%，运行维护工作量小，基本不检修。

2.6 使用寿命

与电力电缆相比，GIL寿命周期长。GIL寿命可达50年以上，电力电缆寿命一般为30年左右。世界上第一条GIL于1972年在德国施卢赫湖抽水蓄能站建成，距今已有48年，从未出现过重大故障，所有部件依然处于良好的状态。

3 经济性比较

3.1 500 kV电缆电气造价水平分析

(1)采用500 kV进口电缆的造价水平。早期由于技术壁垒，500 kV绝缘电缆本体及附件主要依赖进口，进口电缆价格昂。以某城市500 kV电缆工程为例，工程线路全长16.4 km×2回×3相，输送容量1 500 MW，电缆选用500 kV的1×2 500 mm2进口交联电缆，电缆终端头12只(GIS终端头6只，户外终端头6只)及绝缘接头174只均为进口，电缆全线在隧道内敷设。该工程单位静态投资为8 480.12万元/km。其中，单位本体投资为7 526.52万元/km，占比88.75%，而本体中电缆与电缆头的购置费占整个静态投资的78.59%，为6 664.45万元。

(2)采用500 kV国产电缆的造价水平。随着高压电缆国产化研制及产业升级，国产500 kV电缆已能满足超高压长距离大截面输电线路的要求。结合国内电缆厂家的报价，将某城市500 kV电缆工程的进口电缆及电缆头替换为同技术参数的国产电缆及电缆头，经测算得到相同条件下使用国产电缆与电缆头的投资。该工程单位静态投资为3 205.06万元/km。其中，单位本体投资为2 995.73万元/km，占比93.47%，而本体中电缆与电缆头的购置费占整个静态投资的66.57%，为2 133.66万元。

(3)500 kV进口电缆与国产电缆造价对比分析。使用进口电缆与国产电缆的投资差异：使用进口电缆的情形下，其静态投资较国产电缆高164.59%，主要是由于进口电缆设备购置费较国产电缆高212.35%。经分析，500 kV 2 500 mm2进口电缆单价为922.41万元/km，电缆绝缘接头单价为93.27万元/只，GIS电缆终端头为108.89万元/只，户外电缆终端头275万元/只；而500 kV 2 500 mm2国产电缆单价为280万元/km，电缆头单价为40万元/只。因此，电缆及电缆头价格差异大直接导致其工程造价差异大。

3.2 500 kV GIL电气造价水平分析

与常规电缆相比，GIL具有传输容量大、损耗小、不受环境影响、运行可靠性高、节省占地等显著优点，尤其适合作为架空输电方式或电缆送电受限情况下的补充输电技术。

以某城市500 kV GIL电气工程为例，本工程GIL线路路径全长6.25 km×2回，使用的GIL设备为进口设备，全线在管廊内敷设。该工程单位静态投资16 507.52万元/km。其中，单位本体投资15 336.32万元/km，占比92.91%，而本体中设备购置费的单位投资为12 732.80万元/km，占整个静态投资的77.13%。结合厂家询价，将工程的进口GIL设备替换为同技术参数的国产GIL设备，经测算得到相同条件下使用国产GIL设备的投资，该工程单位静态投资6 664.00万元/km。其中，单位本体投资6 055.04万元/km，占比90.86%，而本体中设备购置费的单位投资为4 837.92万元/km，占整个静态投资的72.60%。

由数据可知，相同条件下，分别使用进口GIL与国产GIL，使用进口GIL情形下，静态投资较使用国产GIL高29.51%，主要是由于其设备购置费较国产GIL高38.45%。经对比，500 kV进口GIL单价约为1.5万元/m，相应的国产GIL单价约为1万元/m。

综合分析，将500 kV单回GIL输电与500 kV单回双拼电缆输电进行对比分析，考虑到审定时间为2013年，采用当时的电缆价格已不能体现当期造价水平。结合目前对进口电缆价格信息的收集，将其价格作相应调整，对比结果如表1所示。

由表1表明，500 kV GIL输电造价高于500 kV电缆输电，使用进口GIL比使用进口电缆贵约49.83%，使用国产GIL比使用国产电缆贵约1倍。经分析，500 kV GIL输电造价高的原因主要是由于GIL管道造价高，其次是支架的费用高，以及需要特殊的监测设备。

表1 500 kV GIL输电与500 kV电缆输电造价对比 万元/km

3.3 500 kV输电地下通道造价水平分析

考虑到城市地面交通、周边环境和地块规划等限制，500 kV输电地下通道主要采用隧道敷设方式，隧道土建一般优先采用明挖，断面为矩形。采用矩形断面可以提高隧道内的空间利用率，同时减少投资，施工难度也小。因此，对于500 kV电缆和500 kV GIL两种敷设方案的地下通道，本文均按矩形明挖隧道断面考虑。500 kV电缆敷设通道选用3种断面尺寸，分别为2.6 m×2.6 m，2.8 m×2.6 m和3.2 m×2.4 m；500 kV GIL敷设通道选用3.5 m×3.5 m及4 m×4.5 m断面尺寸。明挖隧道基坑支护按照钢板桩方案考虑，隧道静态投资包括隧道土建、通风、照明、消防、辅控等内容，不同断面尺寸的单位造价水平如表2所示。

表2 500 kV GIL与500 kV电缆输电地下通道造价对比

由表2表明，500 kV GIL输电地下通道造价高于500 kV电缆输电地下通道，为电缆输电通道造价的1.5～2.2倍，主要原因是500 kV GIL输电所需通道截面较大，单位造价较高。

3.4 500 kV GIL与500 kV电缆的全寿命周期成本比较

结合全寿命周期理论和输电线路工程特点，以500 kV GIL与500 kV双拼电缆(2×2 500 mm2)为研究对象，按GIL运行50年，电缆运行30年考虑，进行两种输电技术的全寿命周期成本比较。考虑到目前GIL与电缆国内生产技术已成熟，国产产品已基本替代进口产品，只进行国产GIL与国产电缆的对比。

500 kV单回单公里GIL输电线路(简称方案1)与500 kV单回单公里双拼电缆(2×2 500 mm2)输电线路(简称方案2)的全寿命周期成本比较见表3。

表3 某市500 kV GIL技术与500 kV电缆的全寿命周期成本比较 万元

由表3表明，500 kV GIL输电技术与500 kV电缆输电相比，其初设投资虽然高，但全周期周期成本较低。

综合分析可知，与电力电缆输电相比，GIL输电方式虽然初设投资成本高，但具有安全性强、环保性好、设备损耗低、设备补偿费用少、运维更智能化、寿命长、全寿命周期成本低等综合优势，见表4。

表4 500 kV GIL输电与500 kV电缆输电综合对比

4 结语

GIL输电是一种新型输电技术，存在市场相对不成熟、竞争性不高、不具规模化等缺点，建设期造价投入较电缆要高。但GIL符合电力系统现场运行维护、安全综合预控方案和外观审美要求，具有送电能力强、与周边环境友好相处、安装及运行维护方便、故障率低、基本不检修等优点，在国外已经有超过40年的运行经验。从全寿命周期成本角度，GIL较传统电缆线路有优势。

由此可以预见，GIL输电技术在大中型城市中有着十分广阔的应用前景。GIL输电技术在未来，可以与市政综合管廊建设一同发展，对城市发展建设具有重大的实际意义。