涨姿势！为什么高压线路有的“上天”有的“入地”？

　　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