GIS vs AIS：評估總擁有成本

簡介

每個達到開關設備選擇決策點的電網升級專案最終都會面對相同的問題：與空氣絕緣開關設備相比，氣體絕緣開關設備的資本成本較高，是否能提供足夠的生命週期價值來證明採購預算差異是合理的？這個問題在專案開發會議中一再被提出，卻一再以錯誤的分析架構來回答 - 資本成本比較將採購價格視為總成本，忽略了調試後 25-40 年的營運成本流，並產生一個 GIS 對 AIS 的決策，以大於三到五倍的生命週期預算為代價來優化採購預算。GIS 開關裝置與 AIS 開關裝置的總擁有成本分析並非資本成本比較 - 而是現值計算，將 25-40 年的資本支出、安裝成本、土木工程、維護人力與材料、SF6 氣體管理、強制停機成本以及壽命結束時的處置成本全部折算為共同現值基礎，並在特定場所條件、負荷臨界參數以及適用於評估專案的維護成本假設下比較兩者的現值。. GIS 開關裝置在特定的專案條件組合 - 高土地成本、污染或惡劣環境、高負荷關鍵性與重大停機成本，以及有限的維護能力 - 中，提供比 AIS 開關裝置更低的總擁有成本，而 AIS 開關裝置在互補條件組合 - 低土地成本、乾淨室內環境、中等負荷關鍵性，以及可用的維護能力 - 中，提供更低的總擁有成本，而導致開關裝置選擇錯誤的工程錯誤，是將其中一個條件組合的總擁有成本結論套用在屬於另一個條件組合的專案上。. 對於負責中電壓開關設備選擇決策的電網升級專案工程師、採購經理和資產經理而言，本指南提供完整的 GIS 與 AIS 總擁有成本架構 (從資本成本到使用壽命結束)，可針對具備特定條件的開關設備做出合理的選擇決策。.

目錄

• 決定 GIS 與 AIS 初始投資差異的資本成本與安裝成本要素為何？
• 在 30 年的生命週期中，維護成本、停機成本和 SF6 氣體管理如何決定 GIS 與 AIS 的營運成本流？
• 如何針對中電壓電網升級決策建立專案專用的 GIS vs AIS 總擁有成本模型？
• 哪些場地條件和專案參數決定 GIS 或 AIS 能提供較低的總擁有成本？

決定 GIS 與 AIS 初始投資差異的資本成本與安裝成本要素為何？

GIS 和 AIS 開關裝置之間的資本成本差異是 TCO 比較中最明顯的元素，也是最常被誤報的元素，因為設備採購價格差異 (通常為同等額定值下 GIS 對 AIS 的 2.5-4 倍) 是在未包含土木工程、安裝和場地準備成本的情況下報出的，而這些成本部分抵銷了設備價格差異。.

設備採購成本差異

在中等電壓等級 (12 kV 至 40.5 kV) 下，GIS 對 AIS 的採購價格比率反映了製造複雜度的差異 - GIS 對 AIS 的採購價格比率為 1.5 GIS 需要精密加工的鋁外殼、出廠前的 SF6 氣體處理，以及比 AIS 更高精度的密封系統組裝。¹:

額定電壓	AIS 面板價格指數	GIS 面板價格指數	GIS/AIS 價格比率
12 kV、630 A、20 kA	1.0×	2.5-3.0×	2.5-3.0
24 kV、1250 A、25 kA	1.0×	2.8-3.5×	2.8-3.5
40.5 kV、1600 A、31.5 kA	1.0×	3.2-4.0×	3.2-4.0

參考價格指數： 各等級的 AIS 面板 = 1.0×；等級的 GIS 面板以 AIS 價格的倍數表達。.

土木工程與佔地面積成本 - GIS 抵銷因素

在同等額定值下，GIS 開關裝置所需的佔地面積比 AIS 開關裝置少 30-60%² - 緊湊型氣體絕緣外殼消除了決定 AIS 面板尺寸的空氣間隙距離。在變電站土地成本較高的專案中，減少佔地面積可抵銷土木工程成本，部分或完全縮小設備價格差距：

12 組 24 kV 開關裝置的佔用空間比較：

• AIS 線路佔地面積：約 18 m × 5 m = 90 m²
• GIS 線路佔地面積：約 10 m × 3 m = 30 m²
• 減少佔地面積：60 m² - 67% 更小

土木工程成本抵銷計算：

$C_{civil_offset} = (A_{AIS} - A_{GIS}) （次 C_{land}+ (A_{AIS} - A_{GIS}) （次 C_{building}$

地點 $C_{land}$ 是每平方米的土地成本，以及 $C_{building}$ 為每 m² 的建築成本。對於土地成本為 15,000 ¥/m²、建築成本為 8,000 ¥/m²的城市變電站而言：

$C_{civil_offset} = 60乘以15,000 + 60乘以8,000 = ¥1,380,000$

對於 12 面板的陣容而言，138 萬日圓的土木工程抵銷額佔 GIS 設備價格溢價的 15-25% - 這種抵銷額相當可觀，但只是部分抵銷額，而且會隨土地成本的變化而大幅改變。.

安裝與調試成本比較

成本組成	AIS 安裝	GIS 安裝	差異
機械安裝人工	1.0×	0.7×	GIS 30% 更低 - 較少面板、組裝精巧
電線人工	1.0×	0.9×	GIS 稍低 - 二次接線較少
SF6 氣體充填與試運轉	不適用	+0.3×	GIS 額外費用
現場介電測試	1.0×	0.8×	GIS 下部 - 經過出廠測試的氣體隔間
總安裝成本指數	2.0×	1.7×	GIS 15% 安裝成本較低

淨初始投資差額 - 設備價格溢價減去土木工程抵銷額再減去安裝成本節省額 - 才是 TCO 模型中資本成本部分的正確基礎，而不是單獨的設備價格差異。.

客戶案例： 中國深圳一家電網開發公司的採購經理與 Bepto 聯繫，評估為新商業區服務的 10 kV 城市配電變電站的 GIS 與 AIS 之間的比較。最初的設備價格比較顯示GIS的價格是AIS的3.1倍--16個面板的價格高出240萬日元。當 Bepto 應用工程團隊完成完整的初始投資分析 - 包括以 ¥18,000/m² 地價減少 55 m² 佔地面積所抵銷的土地成本，以及減少的建築成本 - 淨初始投資差額降至 ¥820,000，或設備價格溢價的 34%。30 年的總擁用成本分析顯示，GIS 的現值成本降低了 110 萬日圓，主要原因是土地成本抵銷以及在城市商業環境中避免了維護成本，因為在城市商業環境中，計劃停機時間受到嚴重限制。.

在 30 年的生命週期中，維護成本、停機成本和 SF6 氣體管理如何決定 GIS 與 AIS 的營運成本流？

營運成本流 - 每年用於維護、瓦斯管理及停工後果的支出 - 是大部份專案比較 GIS 與 AIS TCO 的關鍵所在，因為 25-40 年的營運成本流折現為現值後，通常會超過初始投資的 2-4 倍。.

30 年的維護成本比較

GIS 和 AIS 開關裝置的維護情況根本不同 - GIS 需要的干預次數較少，但需要干預時的專業維護成本較高；AIS 需要的例行維護次數較多，但每次干預的成本較低：

維護活動	AIS 間隔	AIS 成本/活動	GIS 間隔	GIS 成本/活動
接觸電阻測量	3 年	2,000日圓/面板	6 年	3,500日圓/面板
絕緣體清潔與檢查	1-2 年	800日圓/面板	不需要	—
開關裝置接點檢查	5 年	4,500日圓/面板	10 年	8,000日圓/面板
SF6 密度檢查和補充	不適用	—	年度	600日圓/面板
母線接頭重新扭力檢查	5 年	1,500日圓/面板	不需要	—
大修	15 年	25,000日圓/面板	20-25 年	45,000日圓/面板

30 年維護成本現值 (每片面板、5% 折現率、12 片面板)：

$PV_{maintenance} = \sum_{t=1}^{30}\frac{C_{maintenance,t}}{(1+r)^t}$

• AIS 30 年維護每塊面板的 PV：約 ¥38,000-¥52,000
• GIS 30 年維護每塊面板的 PV：約 ¥28,000-¥38,000

GIS 提供 20-35% 較低的維護現值/面板 - 但在 AIS 絕緣體清洗頻率較低的乾淨室內環境中，此優勢會顯著收窄，而在 AIS 清洗頻率較高的污染工業環境中，此優勢則會擴大。.

SF6 氣體管理成本 - GIS 特定的營運成本

SF6 氣體管理是 GIS 特有的營運成本，與 AIS 無關 - 而且這項成本隨著 歐盟的 SF6 法規壓力增大³, 在美國、英國，並逐步在其他司法管轄區實施：

年度 SF6 氣體管理成本組成：

• 例行密度監測： 年度密度繼電器校準檢查 - ¥600/面板/年
• 年度瓦斯稽核： 根據 IEC 62271-303 進行 SF6 品質平衡審核⁴ - 1,200日圓/分站/年
• 洩漏維修： 平均洩漏事件成本（包括瓦斯回收、密封件更換及瓦斯補充） - 每次事件 ¥15,000-¥45,000；在維護良好的 GIS 中，頻率約為每 15 面板年 1 次事件
• 符合 SF6 法規： 洩漏偵測設備、操作員培訓和法規報告 - 在受監管的司法管轄區內，每年每座分站 8,000 至 15,000 日元

SF6 監管風險溢價： 在 SF6 受逐步減少法規管制的地區，GIS 開關設備未來可能面臨替代絕緣氣體 (g³、乾淨空氣或乾燥空氣) 的改裝成本 - 這種法規風險成本難以量化，但應列入使用年限超過 30 年的資產的 TCO 模型中。.

被迫停機成本 - 高關鍵性應用程式的主要 TCO 變數

對於服務於高關鍵性負載的電網升級專案 - 資料中心、醫院、連續製程工業、有監管中斷罰則的城市配電網路 - 在 GIS 與 AIS TCO 的比較中，被迫中斷成本往往是最大的單一變數：

$C_{outage_annual} = \lambda_{failure} \times t_{restoration}\t_{restoration} 的次數\次 C_{outage_rate}$

地點 $\(譯文)$ 是年故障率（故障/面板-年）、, $t_{restoration}$ 是平均還原時間 (小時)，以及 $C_{outage_rate}$ 是停機成本率 (¥/hour) 。.

比較強制停機參數：

參數	AIS 開關設備	GIS 開關設備
年故障率（乾淨環境）	0.005 故障/面板年	0.002 故障/面板年
年故障率（污染環境）	0.015–0.025 failures/panel-year	0.002–0.004 failures/panel-year
平均還原時間 (小故障)	4-8 小時	8-16 小時
恢復的平均時間（主要故障）	24-72 小時	48-120 小時
停機成本敏感度	高 - 停機頻繁，停機時間較短	高 - 不常停機，停機時間較長

停電成本交叉： 在乾淨的環境中，AIS 與 GIS 的停機成本相似 - AIS 的故障頻率較高，但恢復時間較短；GIS 的故障頻率較低，但恢復時間較長。在受污染的環境中，GIS 的故障率大幅降低，產生顯著的停機成本優勢，在 TCO 比較中佔優。.

第二個客戶案例： 中國雲南一家銅冶煉廠的可靠性經理與 Bepto 聯繫，評估在為該冶煉廠的主要驅動負載提供服務的 10 kV 開關設備更換項目中，GIS 與 AIS 之間的優劣。現有的 AIS 開關設備在過去 3 年中經歷了 4 次強制停機 - 全部歸因於氧化銅粉塵造成的絕緣體污染 - 每次停機的平均生產損失成本為 ¥680,000。總擁用成本分析顯示，與更換 AIS 相比，GIS 可在 30 年內節省 380 萬日圓的現值 - 這完全是由於 GIS 的密封外殼不受氧化銅污染環境的影響，因而避免了停機成本。160 萬日圓的 GIS 設備溢價可在 4.2 年內從避免的停機成本中收回。.

如何針對中電壓電網升級決策建立專案專用的 GIS vs AIS 總擁有成本模型？

步驟 1：定義 TCO 模型邊界和時間範圍

• 時間範圍： 與資產使用年限相符 - 計劃重新配置電網的專案使用年限為 25 年；永久變電所基礎設施使用年限為 35-40 年
• 貼現率： 使用專案的加權平均資本成本 (WACC) - 公用事業專案通常為 5-8%，工業專案通常為 8-12%
• 成本邊界： 包括變電站圍籬內的所有成本 - 不包括兩個選項相同的輸電與配電網路成本

步驟 2：填入七個 TCO 成本類別

TCO 類別	AIS 輸入參數	GIS 輸入參數
1.設備採購	供應商每塊面板的報價	供應商每塊面板的報價
2.土木工程和土地	佔地面積 × (土地成本 + 建築成本/m²)	佔地面積 × (土地成本 + 建築成本/m²)
3.安裝與試運轉	工時 × 工資 + 材料	工時 × 工資 + SF6 填充成本
4.例行維護	維護時間表×單位成本	維護時間表×單位成本
5.SF6 氣體管理	零	年度監測 + 審計 + 洩漏維修頻率
6.強制停機成本	故障率 × MTTR × 停機成本率	故障率 × MTTR × 停機成本率
7.報廢處理	廢料價值 - 處置成本	SF6 回收成本 + 報廢價值 - 處置成本

步驟 3：計算各成本類別的現值

$TCO_{total} = C_{procurement} + C_{ivil}+ C_{civil｝+ C_{installation}+ \sum_{t=1}^{T}\frac{C_{maintenance,t}+ C_{SF6,t}+ C_{outage,t}}{(1+r)^t}+\frac{C_{disposal}}{(1+r)^T}$

步驟 4：對三個關鍵變數進行敏感性分析

GIS 與 AIS 總擁用成本的比較中，有三項變數是主要變數，必須在其實際範圍內進行測試：

• 土地成本敏感性： 以 ¥5,000/m²、¥15,000/m² 和 ¥30,000/m²進行測試 - 確定土地成本臨界值，在此臨界值之上，GIS 的足跡優勢可縮小設備價格差距
• 停機成本敏感度： 以 ¥50,000/小時、¥200,000/小時、¥500,000/小時進行測試 - 確定停機成本臨界值，在此臨界值之上，GIS 的可靠性優勢支配 TCO
• 污染等級敏感度： 在 SPS A (乾淨)、SPS C (重工業) 及 SPS D (極端) 測試 - 決定 GIS 密封外殼優勢所需溢价的環境臨界值。

GIS vs AIS 總擁用成本決策矩陣

場地狀況	土地成本	停電成本敏感度	推薦選擇	TCO 優勢
城市、污染、高臨界度	高 (> ¥10,000/m²)	高 (> ¥200,000/hr)	GIS	20-40% 降低 TCO
城市、乾淨、高臨界度	高 (> ¥10,000/m²)	高 (> ¥200,000/hr)	GIS	10-20% 降低 TCO
城市、乾淨、中等臨界值	高 (> ¥10,000/m²)	中度	GIS 邊際	0-10% 更低的 TCO
農村、受污染、高臨界度	低 (< ¥3,000/m²)	高 (> ¥200,000/hr)	GIS	5-15% 更低的 TCO
鄉村、乾淨、中等臨界值	低 (< ¥3,000/m²)	中度	AIS	10-25% 降低 TCO
鄉村、乾淨、低臨界度	低 (< ¥3,000/m²)	低	AIS	20-35% 降低 TCO

哪些場地條件和專案參數決定 GIS 或 AIS 能提供較低的總擁有成本？

選擇 GIS 與 AIS 總擁用成本的五個決定性參數

參數 1 - 環境污染嚴重性：
在工業與海岸應用的 GIS 與 AIS 總擁用成本比較中，這是唯一最具影響力的參數。GIS 密封外殼對污染的免疫力消除了 AIS 絕緣體清洗維護成本，更重要的是，消除了 AIS 因污染導致絕緣體故障而被迫停機的成本：

• SPS A（清潔室內）：AIS 維護優勢 - GIS SF6 管理成本未被維護節省所抵銷
• SPS C/D（重工業、海岸）：GIS 可靠性優勢 - 密封外殼完全消除污染故障模式⁵

參數 2 - 土地與建築成本：
GIS 的足跡優勢 (30-60% 較 AIS 小) 可抵銷土木工程成本，並直接與土地價值成比例：

• 土地成本 < ¥3,000/m²：土木工程抵銷 < 10% 的 GIS 設備地價 - 不足以彌補差距
• 土地成本 > ¥15,000/m²：土木工程抵銷 25-40% 的 GIS 設備溢價 - 顯著的 TCO 貢獻
• 土地成本 > ¥30,000/m²（優質城市）：土木工程補償可能超過 GIS 設備地價 - GIS 初期投資較低

參數 3 - 負載關鍵性和停機成本：
停機成本率是最常決定 GIS 與 AIS 之間 TCO 交叉點的變數：

$C_{outage_crossover} = \frac{Delta C_{GIS-AIS_initial}}{(\lambda_{AIS} - \lambda_{GIS}) \times MTTR \times T \times \frac{1}{r}\left(1 - \frac{1}{(1+r)^T}\right)}$

對於典型的 12 面板、24 kV 電網升級專案 (初始淨投資差額為 150 萬日圓，生命週期為 30 年，貼現率為 6%)，停電成本交叉約為每停電小時 85,000 至 120,000 日圓 - 高於此臨界值時，GIS 的 TCO 較低；低於此臨界值時，AIS 的 TCO 較低。.

參數 4 - 維護能力與人力成本：
GIS 維護需要專業技能 - SF6 氣體處理認證、精密洩漏偵測設備，以及製造商特定的工具。在當地缺乏專業維護能力的地方，GIS 的維護成本會大幅增加：

• 具有當地 GIS 專家能力的地點：擁有 GIS 維護成本優勢
• 需要動員專家團隊的偏遠地點：GIS 維護成本溢價可能會消除維護成本優勢

參數 5 - SF6 法規環境：
在有積極的 SF6 逐步減少法規（歐盟 F-Gas 法規，相當於英國）的司法管轄區中，GIS 開關設備在 30 年的生命週期中會面臨法規成本風險，而 AIS 則不會：

• 受監管轄區：在 GIS TCO 中加入每個變電站 ¥50,000 至 ¥150,000 的 SF6 法規風險溢價
• 不受監管的管轄區：無監管風險溢價 - GIS SF6 管理成本僅限於例行監測和洩漏維修

電網升級專案的次應用情境

• 城市網格升級 - 密集的市中心： GIS 極受青睞 - 土地成本高、交通與施工造成污染、維修進入時窗受限、法規中斷標準造成高停工罰金
• 工業園區配電變電站： GIS 適用於受污染的製程環境 (SPS C/D)；AIS 適用於乾淨的輕製造環境 (SPS A/B)
• 鄉村配電變電站： AIS 獲得青睞 - 土地成本低、環境清潔、停機關鍵性較低、可用維護能力強
• 離岸平台或海岸變電站： GIS 深受青睞 - 鹽霧污染消除了 AIS 可靠性優勢；緊湊的佔地面積對離岸平台空間限制至關重要
• 資料中心或醫院的關鍵電源： GIS 受青睞 - 高停機成本率 (第 III/IV 層資料中心 > ¥500,000/小時) 使 GIS 的可靠性優勢無論土地成本如何都佔優勢

總結

GIS 與 AIS 總擁有成本的決策並非資本成本的比較，而是現值分析，將採購價格、土木工程、安裝、25-40 年的維護與瓦斯管理、強制停機的後果，以及生命週期結束後的處理，整合為單一生命週期成本數字，反映出每個選項在評估專案的特定條件下的實際財務表現。在土地成本高、停機成本大、維護受限的城市、污染、高關鍵度應用中，GIS 的 TCO 較低 - 在土地成本低、停機成本可控、維護能力可用的鄉村、清潔、中度關鍵度應用中，AIS 的 TCO 較低。. 為每個中壓電網升級決策建立七類 TCO 模型，在實際項目範圍內對土地成本、停電成本率和污染嚴重程度進行敏感性分析，找出發生 TCO 交叉的參數值、並根據專案的實際參數相對於交叉點的位置來選擇 GIS 或 AIS，因為能夠優化 30 年生命週期成本的開關裝置選擇，比起以三十年的營運成本流為代價來最小化採購預算的選擇，更能為資產所有者、電網營運商和最終用戶服務。.

有關 GIS 與 AIS 總擁有成本的常見問題

1. “「氣體絕緣開關設備 - GE Vernova」、, https://www.gevernova.com/grid-solutions/sites/default/files/resources/products/brochures/primaryequip/gis_72_800kv_xdge_en_web.pdf. .[氣體絕緣系統依靠密封的鋁外殼和精確的工廠級氣體處理來保持介電完整性]。證據作用：機制；資料來源類型：工業。支持：[GIS 與 AIS 之間的初始設備採購成本差異]。. ↩

2. “「氣體絕緣變電所簡介」、, https://www.cedengineering.com/userfiles/E03-043%20-%20An%20Introduction%20to%20Gas%20Insulated%20Electrical%20Substations%20-%20US.pdf. .[氣體絕緣開關設備使用 SF6 作為絕緣介質，與空氣絕緣技術相比，可大幅減少空間間隙]。證據作用：統計；資料來源類型：工業。支持：[GIS具有顯著的占地空間優勢，可抵銷土木工程成本]。. ↩

3. “「歐盟修訂的 F-gas 法規」、, https://eeb.org/wp-content/uploads/2024/11/EIA-2024-EU-F-Gas-Regulations-Climate-Briefing-SPREADS.pdf. [經修訂的歐盟含氟氣體法規規定逐步減少含氟氣體，包括到 2030 年禁止在中壓開關設備中使用 SF6。］證據作用: general_support;資料來源類型: 政府。支持：[將 SF6 法規風險溢價納入 GIS 的長期 TCO 計算中]。. ↩

4. “「IEEE 高壓 (1000 Vac 以上) 設備六氟化硫 (SF6) 氣體處理指南」、, https://ieeexplore.ieee.org/document/6127884. .[IEC 62271-303 和 IEEE 標準概述了追蹤、報告和處理 SF6 氣體的強制性程序，以盡量減少排放。］證據作用: general_support；來源類型: 標準。支持：[GIS 作業的年度稽核要求及相關的法規遵循成本]。. ↩

5. “「安全中電壓系統的氣體絕緣開關設備」、, https://metapowersolutions.com/gas-insulated-switchgear/. .[GIS 的全密封結構可將高壓元件與灰塵和濕氣等環境污染物隔離，大幅減少短路和故障傳播。］證據作用：機制；來源類型：工業。支持：[GIS 可在惡劣環境中提供卓越的可靠性並消除污染導致的被迫停機]。. ↩