城市高压架空线下地技术条件分析

0引言

高压架空线是城市电网的重要组成,承担电源输送和供应的重要功能,是城市供电的基础保障。在目前的技术条件下,高压架空线仍是电网不可或缺的部分,尤其是大容量的传输线路更是电缆线路难以匹配替代。为保证架空线运行安全,高压架空线两侧一定范围被划为高压架空线保护区,保护区内不得兴建建筑物、构筑物[1] 。随着城市发展,为了释放架空线下方建设用地,提供更优质的城市服务,部分高压架空线尤其是大型城市建设用地内的高压架空线面临下地[2]。但是,高压架空线下地必须以技术合理为前提,明确高压架空线下地的技术边界是开展高压架空线下地的前提。

1 技术分析

高压架空线主要指电压等级在110 kv及以上的线路,以深圳市为例,高压架空线主要分为110、220、400、500、800kv架空线[2]。同时,此类高压架空线可以分成城市电源线路和联络线路两部分,其中,城市电源线路指的是引入市外电能和连接市内220 kv及以上等级大型电厂的线路,这些线路是城市重要的电能供应线路,其停电会造成城市区域电能供应不足,供电质量下降,甚至存在其他电源线路解列的安全风险。因此,这部分线路(主要包括800 kv架空线、500 kv架空线、400 kv架空线、220 kv电厂的首端出线[3])应谨慎下地。高压架空线下地相关技术条件是判断高压架空线下地技术可行性的依据,具体方法是根据高压架空线本身的职能、下地管线的技术特点和与高压架空线的匹配性,根据下地技术条件的差异进行分类。

现阶段,110 kv及以上电能传输可以采用的导线主要类型分别为架空线、电缆和G,L线路。高压架空线下地,通常采用高压电缆作为替代,未来随着下地架空线电压等级不断提高,下地线路的输送容量不断增加,G,L线路也有可能作为下地高压架空线的替代品。现比较各类导线的优缺点,判断电缆线路和G,L线路与高压架空线的匹配性。

1.1 适用范围

三种导线在结构、成本上差异巨大,导致三种导线应用范围有着明显差异。架空线是应用最早的输电导线,高压架空线经过近百年的应用和改进,在不同电压等级,针对不同的传输方式(交流、直流)均可使用,是现阶段三种导线中应用范围最广的导线类型。

随着社会对电磁环境的日益关注,对城市景观要求的不断提高,对城市建设用地需求的不断增加,电缆作为一种高压输电导线已经得到普遍采用。但是,受限于绝缘和散热技术的瓶颈,尚未有500 kv以上电压等级的应用。

从20世纪七八十年代开始,美国、日本、加拿大、法国、俄罗斯、德国等国家都逐渐将G,L技术投入实用化。现阶段G,L线路从技术上来讲可以应用于交流中压以上任何电压等级,但是由于成本高、技术工艺复杂,国内G,L线路多用于500 kv以上电压等级,少量用于220 kv电压等级,多用于大型电厂内高压设备的连接和城市短距离500 kv输电,长距离500 kv输电领域基本没有应用。另外,由于直流气体绝缘设备的一些关键技术问题仍没有完全解决,GIL线路现阶段仅用于交流输电领域。

1.2 传输容量

由于导线技术和结构的差异,三种导线在传输容量上存在一定差异。

在500 kv电压等级,城市电网内部500 kv高压架空线一般采用4×400 mm²、4 ×630 mm²等截面导线,输送容量200万~350万kvA。500 kv电缆一般采用2500mm²截面电缆,输送容量约170万kvA。GIL线路的输送容量一般可达340万~430万kvA[4]。

在220 kv电压等级,城市电网220 kv高压架空线一般采用4×300 mm²、2×630 mm²截面导线,输送容量55万~100万kvA。220kv电缆同样采用2 500mm²截面大容量电缆,输送容量约为35万kvA。GIL线路在220 kv应用较少,但是输送容量理论上高于高压架空线和地下电缆。

在110 kv电压等级,城市电网高压架空线一般采用630、400、2×240 mm²截面导线,输送容量9万~15万kvA。110kv电缆通常采用800mm²截面电缆,输送容量约为13万kvA。

由以上分析可知,500 kv高压架空线输送容量远高于电缆,但是低于GIL管线,500 kv高压架空线下地宜采用GIL管线作为替代。220 kv高压架空线下地,若为2×630 mm2截面导线,宜采用双拼2 500 mm²截面大容量电缆作为替代;若为4×300 mm²截面,宜采用GIL线路作为替代。

1.3 停电时间

现阶段,三种导线技术都比较成熟,安全性、可靠性很高。但是,三种导线由于结构差异较大、敷设方式不同,事故类型和事故停电时间存在一定差异。

因为高压架空线导体裸露,所以高压架空线停电通常为瞬时停电,配合 自动重合闸,复电时间极短。高压架空线出现永久性故障的概率远低于电缆和GIL线路。

电缆本体故障率并不高,但附件发生故障的比重远高于电缆本体。有备品备件时,电缆抢修时间约为7天,一般情况下500kv电缆均留有相应备品备件,其他电压等级电缆较为通用,长度够的话可进行调用,若电缆需重新生产则停电时间将大幅延长。

GIL管线是气体绝缘系统,高压导体装在金属外壳内,运行不受大气和环境影响,内部以SF6或SF6-N2混合气体作为绝缘介质。高压导体不裸露,所以雷电过电压不会直接冲击GIL。GIL故障主要发生在盆式绝缘子、绝缘拉杆、绝缘支撑件等绝缘件上,或者带电体与壳体间气体间隙上。GIL发生故障时,按确定故障点、对气室抽真空、更换故障段、抽真空、充SF6气体、静置、试验的过程,需要7~9天。

由以上分析可知,现阶段各类管线技术均已比较成熟,可靠性高,永久性故障概率极低。三种导线发生永久故障恢复时间存在一定差异,架空线停电时间要短于电缆和GIL,而高压电缆和GIL的停电时间在备品备件充足的条件下约为7天,在缺乏备品备件的条件下,停电时间会大幅延长。

2 经济性分析

现选取500 kv线路建设案例,比较三种导体的一次投资成本。

1)架空线:结合国家电网造价文件,参照500 kv架空线通用设计方案,工程概算投资水平如表1所示。

常用的500kv4 ×630架空线单位造价约为250万元/km。

2)电缆:以某大城市500 kv电缆电气工程审定概算为例,探讨其造价水平。该线路全长16.4 km,双回并联三相,输送容量为1 500 MW,电缆选用500 kv 2500mm2进口交联电缆,电缆终端头(GIS电缆终端头6只,户外电缆终端头6只)及绝缘接头(174只)也均为进口,电缆全线在隧道内敷设。审定后的概算投资如表2所示。

双拼500 kv 2500mm²进 口电缆的单位造价可达8 480万元。

随着高压电缆国产化研制及产业升级, 目前,国产500 kv电缆已能满足超高压长距离输电线路的要求。依托上述500 kv电缆工程,结合国产电缆公司的报价,将上述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,如表3所示。

双拼500 kv 2500 mm²国产电缆的单位造价约为3 200万元。

GIL线路:以某大城市500 kvGIL电气工程概算为例,探讨其造价水平。该GIL线路路径全长6.25 km,双回,全线在管廊内敷设。概算投资如表4所示。

单回进口GIL管线的单位造价约为8 200万元。

由以上分析可知,同一电压等级、输送容量相仿的情况下,GIL管线的一次投入成本为国产电缆的2~3倍,电缆的成本为架空线的10~20倍。同时,500 kvGIL管线和电缆敷设均采用电缆隧道的形式,需要额外投资,进一步拉大了与架空线的差距。

3结论

现阶段,在高压远距离电能传输上,综合传输容量、一次性投资、事故恢复时间,架空线优势仍然十分明显。500 kv系统,架空线下地可采用GIL线路作为替代;220 kv系统,2×630 mm2架空线下地可采用2500mm²截面电缆作为替代,4×300 mm²高压架空线宜采用GIL线路;对于110 kv输电系统,高压架空线下地可采用800 mm²截面电缆作为替代。但是,现阶段GIL线路主要应用于大型电厂供电设备的衔接,高压远距离输电仍缺乏实践。

500 kv及以上直流高压电缆技术尚不完善,仍在试验阶段,GIL线路仅能用于交流输电系统,因此800 kv和500 kv直流线路技术上无法下地。

由于GIL管线现阶段仍缺乏高压长距离输电的实践经验,且存在一次投入成本高、故障停电时间长的劣势,综合各方面条件,500 kv和部分大容量220kv架空线(截面不低于4×300 mm²)暂不具备下地的技术可行性。其余220 kv架空线下地,应采用电缆隧道;110kv架空线下地,若同路由高压电缆数量过多,同样应配套电缆通道,若同路由高压电缆数量较少(不高于4回),可采用电缆管沟。高压架空线下地应充分考虑电缆通道的建设条件,尤其是配套电缆隧道的线路,应具备相应电缆隧道规划支撑。

[参考文献]

[1] 电力设施保护条例:国务院令第239号[A].

[2] 深圳市城市规划标准与准则:深府函〔2013〕243号[A].

[3]冯海月.上海市架空线入地工程研究浅析[J].科技风,2024(33):42—44.

[4]刘开俊.电网规划风险评估理论与实践[M].北京:中国电力出版社,2015.

《机电信息》2025年第23期第22篇