涨姿势!为什么高压线路有的“上天”有的“入地”?

我们的生活时时刻刻都离不开电,如果你留心观察会发现,输电的电力线路在郊外多是由高高的电塔架空走线的,但到了城市里却很少能见到裸露在空外的电线,这是为什么呢?

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 一安电流,电力行业从业者

  不知你是否注意过这样一个现象,那就是在城市内的居住区里,电线往往是通过地下线缆方式铺设,而走出城市后,高压电力的传输却是通过高塔架空走线的。那么为什么高压电有的上天有的入地呢?有什么依据吗?今天我们就来聊聊电力线路的话题。

  

  为什么输送电力要用导线,可不可以像手机信号一样空中发射?

  日常生活中,电线、电缆随处可见,我们已经熟知电力线路根据电压等级分为高压和低压。

  根据GB/T2900.50-2008,定义2.1中的601-01-27,低[电]压通常指用于配电的交流系统中1000V及以下的电压等级。对于中国,实际上配电中的低压一般只有380V和220V两种。

  总结来说,中国大多数地区电网的交流电压序列是1000/800/500/220/110/35/10/0.38(0.22)千伏;西北地区电网的电压为750/330(220)/110/35/10/0.38(0.22)千伏;此外,东北地区还有66千伏。

  我们生活中接触最多的配电低压是单相的220V。

  如果你仔细观察会发现,家里的电线一般只有火线、零线和地线,一组火线零线就是一相,而架空的输电线一般是三相,可能排列成三角形、水平或竖直。我们日常生活用一相即可满足,所以电压为220V,称之为相电压,而好多工业用户需要用更高电压的电动机械,如车床、商场空调,此时就需要三相电出马了,两两构成的电压刚好是380V,380V就是这样来的。

  

  (线电压380V与相电压220V的对应关系)

  输送电需要有导线,这个是大家一早就知道的,但是为什么电话可以从有绳进化到无绳,送电不能用无线传输呢?

  首先我们要明白送电送的是能量,微观的解释是通过将混乱的电荷(不带电)整理为有序的电荷(带电),使电荷承担了能量,一旦能量被消耗了(用电),电荷会重新陷入混乱状态。

  但是电荷不是随时随地随传随到的,我们生活的世界以中性粒子居多,所以要无线传电,首先要保证空气中有大量的电荷,而这只有打雷闪电的时候才会在局部发生,因此单从微观上来说,无线输电可以实现,但是必须是小的局部的,想如同手机一样千里传音从科学原理上不可行。

  从宏观上讲,传输的电能量是一种电磁波,由电磁场传播产生。根据高中物理知识,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,二者交替前进,总是以光速向四周传播。当电磁波频率低时(如送电),需要藉由有形的导电体才能传递;当频率变高后,电磁波就会外溢到导体之外,不需要介质也能向外传递能量,这就是辐射。例如手机接收的信号就是高频电磁波,只是辐射量并不大。

  

  (电磁波的磁场H、电场E及其行进方向v三者互相垂直)

  为什么有的电力线路“入地”有的又“上天”?

  确定了输电需要导线的必要性,下面我们就来说说电力线路“上天”“入地”都是怎么选的。

  其实,之所以城市内外,电力线路铺设方式不同,主要是出于技术和成本的考虑,高压电不光能“上天入地”,还有可能穿越大洋哩。

  我们都知道,空气是良好的天然绝缘介质,架空线路正是利用了这一点,把裸露的导线按照一定的空间距离架设在空中,以保证电能的安全传输。而如果是把电缆埋在地下,出于安全性和可靠性的考虑,就必须对电缆的外表进行复杂的绝缘和保护层包裹密封,然后埋在电缆沟、排管或隧道内。

  看到这里,相信你已经明白了,地下电缆比架空线路在结构上要复杂得多,技术上要求也要高,制造、施工也会更加困难。而且,电缆埋在地下后,一旦发生故障,也不易于检修维护。

  因为地下电缆的技术和维护难度高,所以从成本上讲,它的费用也要比架空线路高出好多倍,而我们在城市外见到的高压电往往是远距离传输的,而且传输过程中不可避免会遇到复杂的地形,所以从技术和成本上来说,架空走线都要比地下铺设好得多。

  再有就是,架空线因为是电缆直接暴露在空气中,大家都知道空气的散热肯定比地下要好,所以这也限制了地下线缆输电的等级。

  说到这里,也许有的朋友还记得,在我们的栏目中曾经介绍过长江上的一个输电工程,叫苏通GIL综合管廊工程,在这个工程里,特高压线路是被埋在地下的,管廊上层是两回1000千伏气体绝缘输电管线(每回3相,相当于6倍长度)总长近33公里,是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、技术水平最高的超长距离GIL创新工程。

  

  既然高压电架空有那么多好处,为什么这个GIL工程不建造很高的铁塔,把导线架在天上过江呢?这个GIL一定很贵吧,这工程花这么多钱到底值不值?

  其实,虽然我们上面说了那么多电缆架空走线的好处,但地下电缆依旧具有架空线路无法替代的优点。

  这次需要跨越的长江江面宽度是5468.5米,如果采用架空线路,铁塔高度可能接近500米,建成后将成为世界第一高输电塔,建造难度巨大。要知道目前世界第一大跨越输电塔——跨越西堠门河道2656米——高度也不过380米,而且这个塔可是结结实实的建在岛上的。

  其实,该工程早在施工前就已经就“跨江”还是“穿江”的问题论证了数年。如果建造铁塔将电跨越长江输送,需要在江中建设450米的双塔及27个篮球场面积相当的塔底,这不仅阻碍了航运发展,而且将对环境造成不可估量的破坏。此外,400多米的铁塔太高了,还会受到航空限高制约,可以说是阻力相当大。

  而且,经过这几年国内科技的飞速发展,无论是从技术还是成本上,综合管廊工程相比架空线路都有了“一战之力”。在中国工程院院士钱七虎为组长的专家组指导下,施工方与设计方联合研制了适应地质、承压和有害气体地层的盾构机,对盾构机、照明和排气系统等进行了防爆设计和改造。自2017年6月28日开始挖掘,至2018年8月21日隧道贯通,历时13个月就把这个线路打通了,而且成本也降下来了,总造价跟架空线路相当。

  有人可能觉得架空方式的铁塔、线路造价明显比电缆、GIL什么的低得多,总造价怎么可能差不多呢?

  首先,27个篮球场面积相当的塔底工程就是一笔不小的开销,另外架空方式运送450米的双塔需用直升机吊装,费用也很高昂,最后还有航线调整以及水文环境保护的投入也是巨大的。

  虽然对500千伏电压等级的输电线路而言,GIL方式的成本是架空线方式的6~8倍,但那是单纯考虑线路和铁塔的情况。现在建设的是综合管廊,这意味着不仅有输电线还有市政管线等。

  苏通管廊上层敷设两回1000千伏GIL,下层预留两回500千伏电缆以及通信、有线电视等市政通用管线,一次建设,一举多得,而且不影响“江容江貌”,也不会干扰飞机轮船、水鸟鱼虾。综合考虑下来,GIL管廊经济成本确实不比架空线路高,甚至可能更低。

  

  (苏通管廊的截面示意图)

  架空线、电缆、GIL三兄弟各自擅长什么,又有何不足?

  说了这么多,那究竟什么样的电力线路选择架空走线,什么样的又选择地下甚至GIL的方式呢?打个比方,如果说架空线是一位成天干苦力的粗糙大汉,那么电缆就是精致boy,GIL就是“上得厅堂下得厨房”的完美boy。

  架空线的优点是成本低廉、施工方便、易于维护。因为是全开放露天施工,无论是铁塔还是导线,施工架设过程都很方便,而且不用大范围挖土,对生态环境、地下水系影响也较小。

  但其缺点也是显而易见,首先是高压输电线周围电磁环境不佳,市民对高压线有恐惧感,对高压架空线施工有抵触情绪。再者,架空线有碍市容美观,中心城区几乎没有用架空线输电的情况,都是通过地下电缆。最后,近几年雨雪灾害频仍,架空线路的运行安全容易受到恶劣天气的影响。

  与架空线刚好相反,电缆的优点是不占用地上空间,城市更加美观,但缺点是造价高昂,相同输送容量的500千伏电缆造价是架空线的5~7倍。另外,修建电缆一般需要大面积挖沟取土,即使是直埋方式也需要在电缆线外壳之外加若干防护,更别提穿管等方式,需要的监测设备也密集,总结起来就是制造成本高,维护费用高。

  其实,电缆比架空线贵那么多主要就是贵在它的“绝缘”上。电缆有一层“厚铠甲”,里面由复杂的若干层构成,具有绝缘、防潮、防火等多重功能。众所周知,大地是带负电位,带电的导线直接埋到土里会短路,所以需要在导线外加一层绝缘体。另外,因为挖沟布线等工程,必然会破坏当地土壤以及地下水系,对生态环境有潜移默化的影响。

  而我们上面提到的苏通GIL工程用到的GIL(Gas Insulated transmission Line)气体绝缘输电线路,顾名思义,是用气体作为绝缘介质的输电线路。导体采用铝合金管材,外壳采用铝合金卷板封闭,并可靠接地,中间层是绝缘气体(一般是六氟化硫或六氟化硫与氮气的混合气体),此外还有一些辅助层。

  

  (GIL结构图及构成原理)

  GIL的载流量很高,能大容量传输电能,这是电缆无法比拟的,而且,GIL的电气特性与架空线路相似,但损耗更低、稳定性更好,通常不受恶劣气候和特殊地形的影响。同时,因为金属屏蔽效应,GIL对环境基本没有电磁影响,在如今寸土寸金的城市,GIL可最大化利用有限的空间资源,实现高压大容量电能直接进入城市的美好蓝图,预计在不久的将来可大范围推广。

  

  (三种方式随输送电流增大的电能损耗曲线)

  不过从目前来说,GIL仍然有造高昂,500kV以下高压线路使用这种方式不够经济的缺点。另外,常用绝缘气体六氟化硫由于具有极高的温室效应,已经逐步被限制使用,因此研究环保的绝缘气体成为关键。

  结语

  看来特高压的“上天”或“入地”都是有理可查、有据可寻的,都是结合技术、经济、环境等多方考虑的结果,随着科学技术的飞速发展,之前看似遥不可及的技术,在不久的将来也许就会以更友好的方式参与各项重大工程,就像四通八达的高速铁路网一样,未来也必将建成“海纳百川”的坚强智能电网。

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  【参考文献】

  1国际电缆业发展的新动向——访西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室曹晓珑教授,电力设备专家访谈栏目

  2专家解读!气体绝缘输电线路(GIL)的应用及发展,高电压技术,2017年3月

  3特高压“入地”穿越长江 输电通道首次采用GIL技术,http://shupeidian.bjx.com.cn/html/20180828/923904.shtml

  4输电系统大比拼!架空线、电缆和GIL的比较!GIL又是什么?,机械工业出版社E视界,https://www.sohu.com/a/126460422_488169

  5全球首条百万伏电力隧道穿过长江,创N个世界之最,https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_2367879

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  编辑| 史文慧

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