淺議全壽命管理在變電站設(shè)計過程中的應(yīng)用

穆弘 劉群

摘 要：電力工程的全壽命周期成本管理是一種在可靠性及壽命管理的基礎(chǔ)上，其經(jīng)濟(jì)效益最終歸納為財務(wù)成本及產(chǎn)出的管理方法，即工程從可研論證、采購、安裝、運行、檢修直至報廢停止使用這個長過程中的總費用。它包括設(shè)備可研論證成本、采購成本、安裝成本、運行成本、檢修成本、回收報廢成本等全壽命周期成本的總和。本文主要分析了全壽命管理在變電站設(shè)計過程中的應(yīng)用，并對設(shè)備在經(jīng)濟(jì)全壽命周期內(nèi)的管理現(xiàn)狀進(jìn)行評價，以確定其管理決策是否合理有效。

關(guān)鍵詞：全壽命周期；變電站；設(shè)計

1 設(shè)備因素對變電站全壽命周期的影響

設(shè)備因素對變電站全壽命周期的影響十分巨大，其在變電站投資的比例可由下表進(jìn)行分析。

國網(wǎng)公司瓷柱式斷路器典設(shè)基本組合方案參考造價

建筑工程費 設(shè)備購置費 安裝工程費 其他費用 合計

15% 55% 9% 21% 100%

可以看出設(shè)備費用約占變電站工程總投資的50%以上。在500kV安慶變電設(shè)備購置費中，變壓器系統(tǒng)約占47%；斷路器的設(shè)備購置費約占11%。因此對變電站主變進(jìn)行全壽命周期費用分析尤為重要。

2 變電站主要設(shè)備全壽命周期費用（LCC）分析

2.1 電力變壓器的全壽命周期費用（LCC）分析

LCC是指變壓器設(shè)備在全壽命周期內(nèi)的總費用。

其計算模型如下：LCC=CI+CO+CE+CM+CR+CF+CD（CI是指設(shè)備初次投入費用；CO是指設(shè)備正常運行費用；CM是指設(shè)備正常檢修維護(hù)費用；CR是指設(shè)備非正常檢修費用；CF是指故障費用；CE是指設(shè)備環(huán)保費；CD是指設(shè)備退役處置費用）

設(shè)定利率為i，LCC的計算年數(shù)為n（對大型變壓器n=30），年份變量為a年，a在0～30間變化?，F(xiàn)值指第0年度末的當(dāng)年值，終值指計算年份終結(jié)的當(dāng)年值。

（1）變壓器初始投入費用CI

CI=設(shè)備的購置費+安裝費+調(diào)試費+其他費用 （1）

其中：購置費=設(shè)備費+專用工具及初次備品備件費+現(xiàn)場服務(wù)費+供貨商運輸費

利用公式（1），將各項費用相加，得出購置設(shè)備年（即第0年度）的當(dāng)年值，也就是CI現(xiàn)值。

得到現(xiàn)值后，求終值。終值=現(xiàn)值×（1+i）n

（2）變壓器運行費用CO

a為計算年份，在0～30間變化。

β為變壓器年負(fù)載率，在0～100%間變化。通常：安裝二臺（組）變壓器的變電站50%×70%=35%；安裝三臺（組）變壓器的變電站67%×70%=47%；安裝四臺（組）變壓器的變電站75%×70%=52.5%。

第a年CO=第a年變壓器設(shè)備能耗費用+第a年巡檢費用

3相總第a年變壓器能耗費用=第a年變壓器空載損耗費用+第a年有載損耗費用。

第a年變壓器空載（負(fù)載）損耗費用=空載（負(fù)載）損耗值×年運行小時×輸電成本電價×（1+電價增長率）a

第a年的巡檢費用=第a年的巡視人工、設(shè)備、工具費用=巡檢人工年費用初值*（1+工資增長率）a

巡檢人工年費用初值=年工資/（8*365）×次數(shù)×巡檢小時數(shù)。

將第a年的CO（當(dāng)年值），以第a年的CO×（1+i）-a折算到第0年度末的現(xiàn)值。

得到現(xiàn)值后，求終值：現(xiàn)值×（1+i）n=終值

分別加上各年度的CO的現(xiàn)值和終值，累加得LCC計算期內(nèi)的CO的現(xiàn)值和終值。

（3）環(huán)保費用CE

第a年CE=第a年治理費用+第a年環(huán)保懲罰費用

第a年的環(huán)保費用依據(jù)設(shè)備特性來確定。具體的，若當(dāng)噪音超標(biāo)，則需增加治理費用，還可能有環(huán)保懲罰費用，如計入當(dāng)年環(huán)保費用；若沒發(fā)生則該項為0。

（4）正常檢修維護(hù)費用CM

第a年的變壓器正常檢修維護(hù)費用CM=第a年周期性維護(hù)費用+第a年需停電維護(hù)時風(fēng)險費+第a年另一臺變壓器所承擔(dān)的額外能耗費用

其中：第a年的周期性維護(hù)費用=第a年的維護(hù)人工、設(shè)備、工具費用=維護(hù)費用初值×（1+工資增長率）a

第a年需停電維護(hù)時風(fēng)險費，如有。

第a年另一臺變壓器所承擔(dān)的額外能耗費用=3×負(fù)載損耗值×停運小時數(shù)×負(fù)荷率2×輸電成本電價×（1+電價增長率）a

（5）非正常檢修費用CR

第a年的變壓器非正常檢修費用CR=第a年的障礙率×（現(xiàn)場檢修費用+需停電檢修時風(fēng)險費和另一臺變壓器所承擔(dān)的額外能耗費用障損失費+其他費用）

其中：第a年的障礙率為年平均障礙概率。

第a年需停電檢修時風(fēng)險費，如有。

第a年另一臺變壓器所承擔(dān)的額外能耗費用=3×負(fù)載損耗值×停運小時數(shù)×負(fù)荷率2×輸電成本電價×（1+電價增長率）a

將當(dāng)年度的CF以（1+i）-n折算到第0年度末的現(xiàn)值。累加各年CR，得到LCC計算期內(nèi)的CR值（現(xiàn)值）。

得到現(xiàn)值后，求終值：終值=現(xiàn)值×（1+i）n

（6）變壓器故障費用CF

第a年發(fā)生的故障費用CF=第a年的故障率×（故障現(xiàn)場檢修費用+故障損失費+其他費用）

其中：第a年的故障率為由輸入的年平均故障概率。

故障現(xiàn)場檢修費用=拆遷故障設(shè)備費用+運輸一臺變壓器費用×2+安裝新設(shè)備費用

故障損失費用=停電損失費用+新設(shè)備購置費

停電損失費用=停電損失負(fù)荷×停電時間×供電電價×（1+電價增長率）a

將當(dāng)年度的CF以（1+i）-n折算到第0年度末的現(xiàn)值。累加各年CF，得到LCC計算期內(nèi)的CF值（現(xiàn)值）。

得到現(xiàn)值后，求終值：終值=現(xiàn)值×（1+i）n

（7）變壓器退役處置費用CD（設(shè)備退役時的殘值是按賣廢品處理。設(shè)備退役時的殘值=變壓器總重量*平均回收價）

退役處置費用CD=設(shè)備退役處理費-變壓器設(shè)備退役時的殘值（或者是設(shè)備折舊后余值）+其他費用 （2）

①設(shè)備退役處理費

設(shè)備退役處理費=拆遷系數(shù)（缺省是46.8%，說明）×安裝直接工程費

②設(shè)備退役時的殘值

設(shè)備退役時的殘值=變壓器總重量*平均回收價

再以公式2計算，得出設(shè)備在計算終結(jié)當(dāng)年的退役處置費用CD（當(dāng)年值），并以公式：現(xiàn)值=退役處置費用CD（當(dāng)年值）×（1+i）-n

折算到第0年度末的現(xiàn)值。

得到現(xiàn)值后，求終值：終值=現(xiàn)值×（1+i）n

將前述所有的CI+CO+CE+CM+CR+CF+CD的現(xiàn)值相加，得到該設(shè)備的全壽命成本。

下表為采用狀態(tài)檢修時，500kV某變電站的主變壓器的LCC數(shù)值：（其中電價取0.3元/度，年運行小時取5000小時，損耗取382×3kW，壽命取30年，停電時的負(fù)荷考慮由系統(tǒng)轉(zhuǎn)移不計費用）

（現(xiàn)值）（萬元）

由上表可以看出，對變壓器而言變壓器設(shè)備能耗費用較設(shè)備初始投入費用要高，降低其耗費對降低工程全壽命費用意義重大；其次，若停電時的負(fù)荷能由系統(tǒng)轉(zhuǎn)移則僅需考慮系統(tǒng)損失的可靠性投資，若停電時的負(fù)荷無法由系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，或者部分轉(zhuǎn)移，由于停電時間較長其電價損失將極其巨大。

2.2 變壓器事故統(tǒng)計及其事故分析

1999～2004年國家電網(wǎng)（力）公司500kV變壓器按事故部位統(tǒng)計

變壓器事故主要由產(chǎn)品設(shè)計方面和產(chǎn)品制造質(zhì)量方面的原因產(chǎn)生，因此我們可以在設(shè)備招標(biāo)時有的放矢，科學(xué)設(shè)計技術(shù)評分表格，用全壽命成本的觀點來評判設(shè)備的優(yōu)劣，選擇出理想的產(chǎn)品。

2.3 其他事故統(tǒng)計及其事故分析

1999～2004年國家電網(wǎng)（力）公司隔離開關(guān)故障分類統(tǒng)計

由以上統(tǒng)計和國網(wǎng)公司的事故分析可以看出，隔離開關(guān)的故障時有發(fā)生，未經(jīng)完善化改造的隔離開關(guān)故障較多。

1999～2004國家電網(wǎng)（力）公司電流互感器故障分類統(tǒng)計

根據(jù)以上統(tǒng)計資料我們可以用全壽命成本的觀點對生產(chǎn)廠家提出改進(jìn)的要求，并在訂貨合同中體現(xiàn)。

3 運行費用對變電站全壽命周期的影響

變電站每年運行維護(hù)費用約在450萬元左右，以變電站30年的壽命來計算，其費用十分巨大。因此我們一方面可以采用狀態(tài)檢修等模式適當(dāng)減少維護(hù)檢修的工作量；另一方面可以選擇出少維護(hù)、免維護(hù)的產(chǎn)品，如設(shè)備絕緣采用在線監(jiān)測裝置、變壓器采用油色譜分析裝置，斷路器采用彈簧機(jī)構(gòu)、蓄電池采用免維護(hù)型等。

4 結(jié)束語

要做到全壽命周期總費用最小，需要積累大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立龐大的仿真系統(tǒng)，就目前的情況來看，還做不到這一點，尤其是對于事故這樣的隨機(jī)事件，必須要有大量的數(shù)據(jù)作為支持，通過概率分析和全壽命周期費用管理，確定合理的事故率，需要電力管理、運行、事故、設(shè)計共同努力才能全面地、準(zhǔn)確地得到完整的全壽命周期費用。當(dāng)前變電工程的全壽命周期費用管理分析還不完全準(zhǔn)確。

在設(shè)計階段，影響變電站造價因素是非常多的，如出線走廊規(guī)劃、主控樓位置、主接線方案、配電裝置選擇、主設(shè)備選型、導(dǎo)體選擇、絕緣配合、防雷和接地、場地情況、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)保等，這些因素相互牽制，有些因素互為因果不能獨立考慮。在設(shè)計階段進(jìn)行全壽命周期考慮，就是要將這些因素放在全壽命周期這一平臺上進(jìn)行綜合考慮，作出最優(yōu)的組合方案，保證工程建設(shè)的功能、安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)。

設(shè)計過程通過設(shè)計方案的優(yōu)化可以達(dá)到降低工程造價的目的，在優(yōu)化工程方案，降低工程造價的同時，還需要保證變電站的安全運行，減少運行過程中的消缺、事故及大修等費用和停電時間，并應(yīng)對可能的系統(tǒng)情況變化造成的變電站輸送容量的限制。

參考文獻(xiàn)

[1]姜益民，馬駿.變壓器的全壽命周期成本分析[J].變壓器，2004，43（3）：30-35.

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