全壽命理論在寧海電廠-蒼巖線路導(dǎo)線選型中的應(yīng)用

卞 榮

（1.浙江省電力公司，杭州 310007；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

全壽命理論在寧海電廠-蒼巖線路導(dǎo)線選型中的應(yīng)用

卞 榮1,2

（1.浙江省電力公司，杭州 310007；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

導(dǎo)線選型是輸電線路設(shè)計(jì)中一個(gè)重要內(nèi)容，本文對(duì)寧海電廠-蒼巖500 kV輸電線路的導(dǎo)線選型進(jìn)行了比較分析，并應(yīng)用全壽命設(shè)計(jì)理論建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)比較模型。通過(guò)對(duì)普通鋼芯鋁絞線和鋁包鋼芯鋁絞線路全壽命成本比較，得出了鋁包鋼芯鋁絞線的全壽命周期費(fèi)用及節(jié)能效益均具有明顯優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。

輸電線路；導(dǎo)線；全壽命；分析

超高壓輸電線路中的分裂導(dǎo)線投資占整個(gè)本體工程投資的30%左右，同時(shí)導(dǎo)線選型還會(huì)影響桿塔、基礎(chǔ)等其它方面的投資，因此合理選擇導(dǎo)線對(duì)輸電線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能具有重大影響。

寧海電廠-蒼巖500 kV輸電線路是國(guó)華寧海電廠二期送出工程。新建線路長(zhǎng)度為2×96 km。沿線絕大部分為山地和丘陵地形，途中還需翻越海拔700 m以上的天臺(tái)山脈。全線分二個(gè)風(fēng)速區(qū)，分別為37 m/s和33 m/s（基準(zhǔn)高度20 m），根據(jù)海拔高度不同設(shè)計(jì)冰厚值分別取為10 mm，15 mm，20 mm。線路大部分按同塔雙回路建設(shè)，高山段按二個(gè)單回路，局部路徑按同塔三回路建設(shè)。

根據(jù)規(guī)劃，寧海電廠三期將再建設(shè)2×1 000 MW機(jī)組，同時(shí)再建設(shè)一回線路，將全部6 400 MW機(jī)組通過(guò)三回線路送出。按廠用電6%、功率因數(shù)0.9考慮，每回線路正常情況下的輸送容量為2 223 MVA，同時(shí)應(yīng)滿足極限輸送3 340 MVA的要求，設(shè)計(jì)階段以此為依據(jù)選擇導(dǎo)線。

在導(dǎo)線選型中應(yīng)用全壽命設(shè)計(jì)理念對(duì)幾種成熟導(dǎo)線進(jìn)行了分析比較，得出了技術(shù)性能和全壽命周期效益最佳的選型結(jié)果。

1 全壽命周期成本理論及導(dǎo)線比較模型

1.1 全壽命周期成本理論

建設(shè)工程項(xiàng)目全壽命周期成本 （Life Cycle Cost，LCC）管理是現(xiàn)代管理理論——系統(tǒng)論、控制論和信息論與建設(shè)項(xiàng)目相結(jié)合的產(chǎn)物。其基本思想是，在滿足可靠性要求的基礎(chǔ)上，使項(xiàng)目的初期設(shè)想到項(xiàng)目拆除的整個(gè)全壽命周期內(nèi)擁有成本為最低的全過(guò)程管理。

上個(gè)世紀(jì)50年代美國(guó)國(guó)防部門(mén)首先提出了全壽命周期成本的概念，70年代全壽命周期成本分析（LCC）方法逐漸在歐洲、日本等工業(yè)國(guó)家得到應(yīng)用，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布了壽命周期的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也于同期開(kāi)展了壽命周期費(fèi)用的研究，并成立了壽命周期費(fèi)用委員會(huì)。在此后的時(shí)間里，世界各行業(yè)都逐步引入了全壽命周期成本分析的理念和方法，并將研究范圍拓展到全壽命周期各階段、方面和環(huán)節(jié)的管理當(dāng)中。

全壽命周期成本管理將一般工程建設(shè)成本的外延擴(kuò)大，要求人們從工程項(xiàng)目全壽命周期（包括建設(shè)前期、建設(shè)期、使用期、改造翻新期與拆除期等階段）出發(fā)去考慮成本問(wèn)題，它覆蓋工程項(xiàng)目的整個(gè)壽命周期。全壽命周期成本（LCC）包括社會(huì)成本（S）、建設(shè)成本（C）和使用成本（M），即：

式中：S指在項(xiàng)目全壽命過(guò)程中，對(duì)環(huán)境資源的占用及產(chǎn)生影響的程度，其中環(huán)境是一個(gè)廣義的環(huán)境，包括大氣環(huán)境、聲環(huán)境、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境以及人文環(huán)境等；C指從項(xiàng)目決策到項(xiàng)目竣工驗(yàn)收投入使用整個(gè)過(guò)程中所投入全部費(fèi)用的總和，也就是通常所說(shuō)的建設(shè)工程總造價(jià)；M指項(xiàng)目交付使用后，在使用壽命周期中，實(shí)現(xiàn)使用價(jià)值全過(guò)程所消耗的成本，主要包括維修成本、能耗成本、污染物排放成本及拆除成本等。

1.2 導(dǎo)線簡(jiǎn)化比較模型

在參與比選的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)較類(lèi)似的情況下，有些全壽命組成成本差別很小。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，可以建立一個(gè)簡(jiǎn)化的導(dǎo)線全壽命比較模型。在建立比較模型時(shí)主要考慮建設(shè)成本（C）、能耗成本（N）、維修成本（W）、資金成本等幾個(gè)因素。其它如社會(huì)成本、污染物排放成本及拆除成本基本一致，不作為導(dǎo)線比較因素。

比較的方法是輸電線其余部分相同的情況下，比較不同導(dǎo)線從開(kāi)始建設(shè)至壽命結(jié)束時(shí)間段內(nèi)的全壽命成本（L），以全壽命段費(fèi)用最小的導(dǎo)線為最優(yōu)。

式中：η為銀行利率；Ln為第n年年末的壽命成本；C為初始建設(shè)成本；N為年能耗成本；W為年維修成本。

根據(jù)近期有關(guān)輸電線路全壽命周期設(shè)計(jì)研究的初步結(jié)論，500 kV線路的使用年限按50年考慮，一般導(dǎo)線的使用壽命也可按50年考慮。

2 導(dǎo)線選擇

2.1 導(dǎo)線截面及分裂導(dǎo)線根數(shù)

500 kV線路采用的分裂導(dǎo)線根數(shù)有2根、3根、4根、6根及8根等幾種，通常是綜合權(quán)衡了制造、施工及運(yùn)行等方面的具體情況而定。

按滿足每回線路正常情況下輸送容量為2 223 MVA，極限輸送3 340 MVA的要求，滿足條件的有3×800 mm2，4 630 mm2，6×400 mm2等幾種型式可供選擇。

從設(shè)計(jì)及運(yùn)行來(lái)看，增加分裂導(dǎo)線根數(shù)（如6 ×400 mm2）對(duì)線路的電氣參數(shù)等方面有較多的改善；而減少分裂導(dǎo)線根數(shù)（如3×800 mm2）對(duì)導(dǎo)線的弧垂及鐵塔的外荷載等方面要求均有所減小，可取得一定的經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)以往大量的論證分析和工程實(shí)踐，我國(guó)絕大部分500 kV線路采用4分裂導(dǎo)線，僅在大跨越段有極個(gè)別情況采用3分裂或雙分裂等線。

因此工程中采用了4×630 mm2分裂導(dǎo)線，分裂間距500 mm，該類(lèi)導(dǎo)線已有成熟的施工和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2.2 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)型式確定

對(duì)于630 mm2規(guī)格的導(dǎo)線，常規(guī)型號(hào)有LGJ-630/45，LGJ-630/55等，目前國(guó)內(nèi)常用的是LGJ-630/45型導(dǎo)線，其鋁鋼截面比14.47。相關(guān)技術(shù)參數(shù)顯示，LGJ-630/55相比LGJ-630/45，單位重量、使用張力、水平荷載等參數(shù)要大一些，而直流電阻、弧垂等要小些，同時(shí)LGJ-630/ 55抗冰過(guò)載能力比LGJ-630/45要大。

經(jīng)綜合比較LGJ-630/55的全壽命周期成本上要略大于LGJ-630/45，但線路抗冰能力略高，因此可以考慮在中冰區(qū)線路中使用。

3 鋁包鋼芯鋁絞線與鋼芯鋁絞線技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

鋁包鋼芯鋁絞線在國(guó)外有較長(zhǎng)的使用歷史，我國(guó)近年來(lái)也具備了規(guī)模生產(chǎn)能力，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于華東、華北等地區(qū)的 110 kV，220 kV，500 kV線路和大跨越工程。若與相同結(jié)構(gòu)的普通鋼芯鋁絞線等長(zhǎng)等價(jià)的原則供貨，則抗腐性能好、能耗低的JL/LB20A-630/45會(huì)帶來(lái)不小的經(jīng)濟(jì)效益。以常用的LGJ-630/45鋼芯鋁絞線與JL/LB20A-630/45鋁包鋼芯鋁絞線為例，對(duì)二者進(jìn)行技術(shù)性能及全壽命周期經(jīng)濟(jì)比較。

3.1 二種導(dǎo)線的技術(shù)性能比較

普通鋼芯鋁絞線的內(nèi)層鋁單絲與鍍鋅鋼絲直接接觸，在外界水汽和污染物浸漬下二種具有不同電勢(shì)的金屬之間產(chǎn)生電位腐蝕，會(huì)加速鋼芯的老化。而鋁包鋼芯鋁絞線的鋼絲上被鋁層包裹而不與鋁股接觸，避免了電腐蝕，進(jìn)一步提高了抗腐能力，延長(zhǎng)導(dǎo)線使用壽命。

鋁包鋼芯比鍍鋅鋼芯、稀土鋅鋁合金鍍層鋼芯和鍍鋁鋅鋼芯的耐鹽霧腐蝕能力分別提高11倍、5.5倍和2.1倍，可見(jiàn)采用鋁包鋼芯對(duì)延長(zhǎng)導(dǎo)線使用壽命有顯著效果。但三層鋁絞線結(jié)構(gòu)的大截面導(dǎo)線，由于鋁絞線的溫升效應(yīng)對(duì)鋼芯起到明顯的保護(hù)作用，從而達(dá)到防腐的效果，二者相比差異并不明顯。

LGJ-630/45與JL/LB20A-630/45主要技術(shù)參數(shù)比較如表1所示。通過(guò)表1數(shù)據(jù)的對(duì)比可以得出以下結(jié)論：

（1）同條件下JL/LB20A-630/45的抗冰過(guò)載能力與LGJ-630/45相當(dāng)。

（2）二種導(dǎo)線的水平荷載相同。

（3）二種導(dǎo)線最大使用張力相差不大，JL/LB 20A-630/45約高1.9%。但由于單位自重約輕2.5%，弧垂性能（T/W）約高4.6%，弧垂也相應(yīng)減少4%。

表1 LGJ-630/45與JL/LB20A-630/45主要技術(shù)參數(shù)

（4）JL/LB20A-630/45的直流電阻要比LGJ-630/45小2.3%左右。

由于對(duì)能耗產(chǎn)生影響的主要是交流電阻，因此需要對(duì)二種導(dǎo)線的交流電阻進(jìn)行研究和計(jì)算。

二種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)基本相似，但由于鋁包鋼芯鋁絞線增加的鋁截面都處于導(dǎo)線芯部位置，因此考慮電流的集膚效應(yīng)及鋼芯損耗后，盡管 JL/ LB20A-630/45直流電阻比LGJ-630/45小2.3%左右，但交流電阻的減小幅度應(yīng)該與直流電阻有所不同。上海電纜研究所對(duì)上述二種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算后，得出了二種導(dǎo)線的不同工作溫度下的交流電阻及載流量，如表2所示。

表2 二種導(dǎo)線的交流電阻及載流量

表2中，工作溫度60℃時(shí)的載流量與線路每回2 223 MVA輸送容量相近，可以得出此時(shí)JL/ LB20A-630/45的交流電阻值（0.0543Ω）比LGJ-630/45交流電阻值（0.0554Ω）小2.03%，應(yīng)能產(chǎn)生2.03%的節(jié)能效果。

3.2 二種導(dǎo)線的全壽命周期經(jīng)濟(jì)比較

（1）由于JL/LB20A-630/45比LGJ-630/45弧垂相應(yīng)減少4%，因此部分塔高可以適當(dāng)降低。以典型航測(cè)斷面推斷，估計(jì)可節(jié)約塔材0.7%，按雙回路指標(biāo)可節(jié)約塔材1.12 t/km，考慮運(yùn)輸安裝后可節(jié)省約1.08萬(wàn)元/km。

（2）經(jīng)向有關(guān)廠家詢價(jià)，LGJ-630/45價(jià)格為2.2萬(wàn)元/t，JL/LB20A-630/45價(jià)格為2.27萬(wàn)元/ t，由于JL/LB20A-630/45比LGJ-630/45要輕，鋁包鋼芯鋁絞線較鋼芯鋁絞線按雙回路增加0.58萬(wàn)元/km，雙回路96 km線路增加56萬(wàn)元。

因此采用JL/LB20A-630/45鋁包鋼芯鋁絞線比LGJ-630/45鋼芯鋁絞線從基建投資上可節(jié)約0.5萬(wàn)元/km，全線96 km可節(jié)約48萬(wàn)元。

若按每回正常輸送容量2 223 MVA，年最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間5 000 h，對(duì)應(yīng)損耗小時(shí)數(shù)為3 200 h，上網(wǎng)電價(jià)0.35元/kWh電價(jià)推算，96 km線路導(dǎo)線采用JL/LB20A-630/45較LGJ-630/45，每年可以減少電阻損耗約343萬(wàn)kWh，減少電能損失119.3萬(wàn)元。折合1.24萬(wàn)元/（km·年）。

基于上述導(dǎo)線全壽命比較模型計(jì)算得出二種導(dǎo)線在各壽命的壽命成本如表3所示。

通過(guò)上述比較可見(jiàn)，采用JL/LB20A-630/45導(dǎo)線后，線路全壽命周期中總計(jì)可節(jié)約33 400萬(wàn)元，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。且施工運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)工藝均已成熟，同時(shí)線路全壽命周期中可節(jié)約電能1.37億kWh，在我國(guó)目前資源緊張，大力提倡節(jié)能減排的形勢(shì)下，具有相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益。

4 結(jié)論

（1）鋼芯鋁絞線型式中LGJ-630/55的全壽命周期成本上要略大于LGJ-630/45，但對(duì)線路抗冰能力提高有一定的好處。

（2）通過(guò)以LGJ-630/45，JL/LB20A-630/45為例的鋁包鋼芯鋁絞線與鋼芯鋁絞線全壽命成本對(duì)比，鋁包鋼芯鋁絞線優(yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)線路節(jié)能減排效益也相當(dāng)明顯。

（3）綜合考慮線路全壽命周期成本及適當(dāng)提高抗冰過(guò)載能力，線路在低山輕冰區(qū)段采用JL/ LB20A-630/45鋁包鋼芯鋁絞線，在中冰區(qū)采用JL/LB20A-630/55鋁包鋼芯鋁絞線。

表3 鋁包鋼芯鋁絞線與鋼芯鋁絞線全壽命成本對(duì)比表

[1]張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2]DL/T 5092-1999 110～500 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].1999.

[3]邵長(zhǎng)利，喬光林.±500 kV直流輸電線路絕緣設(shè)計(jì)方案全壽命費(fèi)用決策[J].吉林電力，2006（4）∶5-7.

[4]趙全江，謝幫華，徐維毅.750 kV同塔雙回線路導(dǎo)線選擇研究[J].電力建設(shè)，2007（2）∶11-15.

（本文編輯：楊 勇）

Application of Life Cycle Theory to Conductor Selection of Ninghai-Cangyan Transmission Line

BIAN Rong1，2
（1.Zhejiang Electric Power Corporation,Hangzhou 310007，China；2.Schoolof Electricaland Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Conductor selection is important in transimission line design.This paper mainly performs the comparison and analysis of conductor selection of Ning Hai-Cang Yan 500 kV transmission line，builds a simplified cost comparison model of conductor based on life cycle theory.The result of the life cycle cost comparison between normal ACSR and aluminum-clad ACSR reveals that the latter is superior in life cycle cost and energy conservation.

transmission line；conductor；life cycle；analysis

TM751

B

1007-1881（2010）09-0011-04

2010-04-21

卞 榮（1970-），男，浙江諸暨人，高級(jí)工程師，從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。