考慮降損潛力及經(jīng)濟(jì)性的海纜選型研究

許雯旸，王 震，唐俏俏，楊 梅，薛福霞，陳 韜

（1.國(guó)網(wǎng)（北京）綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 西城 100052；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

近年來(lái)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動(dòng)下，電網(wǎng)發(fā)展迅速，配電設(shè)備的分布范圍不斷擴(kuò)大，高線損問(wèn)題逐漸嚴(yán)重。配電網(wǎng)損耗在電網(wǎng)損耗中的占比很大，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，節(jié)能降損受到企業(yè)和政府的高度重視。隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)推進(jìn)，風(fēng)電、光伏等分布式能源接入配電網(wǎng)的規(guī)模不斷增長(zhǎng)，海島區(qū)域?qū){借其豐富資源成為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，海纜敷設(shè)的規(guī)模將會(huì)大幅增加，海島區(qū)域配電網(wǎng)降損隨之受到更多重視。通過(guò)選擇合適的海纜型號(hào)來(lái)降低損耗是有效地措施，但是海纜的壽命一般長(zhǎng)達(dá)25 年至30 年，期間海纜的運(yùn)行、維護(hù)等工作必不可少。因此，構(gòu)建海纜的全壽命周期成本模型，對(duì)于海纜選型有著重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前，從海纜的角度出發(fā)以降低電網(wǎng)損耗的研究已有不少，許多學(xué)者從無(wú)功優(yōu)化方面開(kāi)展相關(guān)研究。海纜的接入會(huì)使得電網(wǎng)的充電功率大大增加，從而增加電網(wǎng)的損耗，針對(duì)該類問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]針對(duì)海纜電容問(wèn)題，通過(guò)算例驗(yàn)證了相對(duì)電容系數(shù)和無(wú)功補(bǔ)償容量之間的關(guān)系，比較了不同無(wú)功補(bǔ)償方式的補(bǔ)償效果。文獻(xiàn)[2]針對(duì)海纜存在的無(wú)功問(wèn)題，結(jié)合補(bǔ)償裝置接入下不同節(jié)點(diǎn)處的電壓波動(dòng)情況來(lái)確定最佳補(bǔ)償方案。文獻(xiàn)[3]提出利用小容量電容器和電抗器結(jié)合的方法來(lái)控制系統(tǒng)的無(wú)功功率以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[4-6]針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的海纜長(zhǎng)度增加時(shí)容性無(wú)功也會(huì)相應(yīng)增加的問(wèn)題，通過(guò)并聯(lián)電抗器進(jìn)行補(bǔ)償。此外，針對(duì)海纜自身的損耗問(wèn)題，也有大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[7-8]驗(yàn)證了鎧裝會(huì)影響電纜損耗并通過(guò)鉛包鎧裝回路串聯(lián)電阻以降低海纜損耗。文獻(xiàn)[9]建立了金屬護(hù)套接地的等效模型并進(jìn)行了3 種接地方式的仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬護(hù)套接地方式對(duì)海纜損耗影響不大。

綜上所述，目前基于海纜的海島區(qū)域降損措施研究多是從無(wú)功優(yōu)化的角度出發(fā)的，很少涉及到海纜的選型。因此，本文將從海底電纜的選型出發(fā)，以降低網(wǎng)損為目標(biāo)，并在海纜選型時(shí)充分考慮其經(jīng)濟(jì)性，為解決海島區(qū)域的配電網(wǎng)損耗問(wèn)題提供合適的方案，為日后海纜工程的海纜選型奠定基礎(chǔ)。

1 海纜全壽命周期成本模型

海纜的選型決定了海纜的損耗，海纜的損耗不僅和周圍的海域環(huán)境有關(guān)，還和自身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。降損潛力最好的海纜，其安裝成本不一定最優(yōu)。雖然本文主要針對(duì)的是降低損耗，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，海纜存在著運(yùn)行、維護(hù)等工作，因此僅考慮電纜所減少的損耗及其帶來(lái)的效益并不全面，應(yīng)同時(shí)考慮海纜的全壽命周期成本以達(dá)到海纜選型經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

全壽命周期成本（life cycle cost,LCC），也被稱為全壽命周期費(fèi)用，是指從產(chǎn)品的問(wèn)世到其退役期間，所有與產(chǎn)品相關(guān)的成本，包括產(chǎn)品論證成本、設(shè)計(jì)成本、生產(chǎn)成本、購(gòu)買(mǎi)成本、運(yùn)行成本、維修保養(yǎng)成本、退役后處理該產(chǎn)品的成本等。基于海纜敷設(shè)環(huán)境的特殊性且具有較大的損耗的特點(diǎn)，海纜的全壽命周期成本模型與傳統(tǒng)的電氣設(shè)備的模型不同，海纜的全壽命周期成本模型如式（1）所示：

式中：LHL為海纜全壽命周期成本；CGM為海纜購(gòu)置成本；CFS為海纜敷設(shè)成本；CSH為海纜損耗成本；CWH為海纜運(yùn)行維護(hù)成本；CHS為海纜回收凈投資成本。上述所提成本均為對(duì)應(yīng)的折算后的現(xiàn)值，即基準(zhǔn)年末的當(dāng)年值。

海纜LCC等額年值如式（2）所示：

式中：i為海纜運(yùn)行的年限；θ為貼現(xiàn)率。

海纜全壽命周期成本由5 部分構(gòu)成，下面將對(duì)各部分成本逐一介紹。

1.1 海纜購(gòu)置成本

海纜的購(gòu)置費(fèi)用包括電纜本體及附件的購(gòu)置費(fèi)、安裝調(diào)試費(fèi)等。由于海纜生產(chǎn)工藝復(fù)雜，CGM的取值很大，占據(jù)海纜LCC的絕大部分，與導(dǎo)體、絕緣系統(tǒng)、阻水護(hù)套、鎧裝、外被層等息息相關(guān)。一般情況下，初期投資的計(jì)算方式如下：

式中：N為海纜的敷設(shè)總數(shù)；SJL為海纜的敷設(shè)長(zhǎng)度；PGM為包含保險(xiǎn)費(fèi)、稅費(fèi)等多種費(fèi)用在內(nèi)折合后的單根單位長(zhǎng)度海纜的投資費(fèi)用。

1.2 海纜敷設(shè)成本

海纜的敷設(shè)成本包括海纜的實(shí)際敷設(shè)費(fèi)用、目標(biāo)敷設(shè)地域地質(zhì)檢測(cè)費(fèi)用、海纜試驗(yàn)費(fèi)用等。

式中：PFS為基于各種敷設(shè)方法、敷設(shè)難度而定的敷設(shè)費(fèi)用折合后的敷設(shè)單位長(zhǎng)度海纜所需的費(fèi)用。

1.3 海纜損耗成本

海纜的復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境給海纜損耗成本帶來(lái)了難度，海纜損耗值可根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，總的海纜損耗成本如下所示：

式中：PSH為單位長(zhǎng)度海纜的損耗費(fèi)用；ΔP為海纜損耗；PDJ為當(dāng)前電價(jià)。

1.4 海纜維護(hù)成本

為了確保海纜傳輸電能的穩(wěn)定性，如是否存在局部放電的現(xiàn)象，往往須要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，但鑒于其購(gòu)置成本高昂，維護(hù)成本就顯得很小，具體成本可用式（6）進(jìn)行估算：

式中：PWH為每年投入的維護(hù)成本。

1.5 海纜回收成本

海纜回收包括人工設(shè)備投入費(fèi)用、后續(xù)環(huán)境處理費(fèi)用等，海纜回收時(shí)能回收一些海纜的殘值作為補(bǔ)償。海纜的回收工作較為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)的研究也較少，因此對(duì)任意海纜運(yùn)行壽命末回收凈投資成本取購(gòu)置成本的-5%進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：PSH為海纜運(yùn)行壽命末回收成本。

2 算例分析

以浙江某地海島區(qū)域?yàn)槔?，該區(qū)域電網(wǎng)的電壓等級(jí)為110 kV，采用的海纜型號(hào)為HYJQ41-64/110-1×630，即銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣鉛套防水層粗鋼絲鎧裝聚丙烯纖維外被層海底電力電纜，鎧裝材料為粗鋼絲，是目前應(yīng)用范圍最廣的鎧裝材料，海纜的橫截面積為630 mm2。為了比較不同海底電纜的損耗及其相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)假定這4 種鎧裝方式的電纜均為單芯海纜，其工作海域、環(huán)境相同，敷設(shè)方式相同且間隔40 mm，電壓等級(jí)均為110 kV且運(yùn)行在額定電壓下，其護(hù)套和鎧裝均互聯(lián)接地。

2.1 海纜損耗對(duì)比分析

鎧裝材料有銅、鋼、不銹鋼，這3 種材料對(duì)應(yīng)的電阻率大不相同。其中，銅的電阻率1.75×10-8，鋼的電阻率為9.78×10-8，不銹鋼的電阻率7×10-7。銅、鋼、不銹鋼等鎧裝材料的電阻率逐漸增大且不銹鋼電阻率是銅電阻率的近40 倍。3 種鎧裝方式構(gòu)成的4種海纜的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 110 kV海纜結(jié)構(gòu)尺寸 mm

不同海纜的損耗如圖1 所示，負(fù)荷電流相同的情況下，損耗由低到高的海纜型式為型式一、型式三、型式二、型式四，即銅絲鎧裝損耗最低，不銹鋼絲鎧裝損耗最高。

圖1 不同鎧裝方式下的損耗

從某地海纜的現(xiàn)實(shí)分布出發(fā)，該地110 kV的海纜總長(zhǎng)600 km，海纜的鎧裝均為鋼絲鎧裝。在達(dá)到海纜壽命周期的情況下，若將其換成銅絲鎧裝的海纜，改變鎧裝方式所降低的損耗達(dá)到18.9 W/m，則該地區(qū)可降低的總損耗約為11340 kW，若將所有電壓等級(jí)的鋼絲鎧裝海纜線路換成銅絲鎧裝，降低的損耗量將非?？捎^。

2.2 海纜經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

根據(jù)海纜全壽命周期成本（LCC）模型，選取4 種海纜型式進(jìn)行計(jì)算，海纜壽命一般為30 年，貼現(xiàn)率按5%考慮。根據(jù)上述某地區(qū)海島區(qū)域的現(xiàn)狀，假定2500 h為線路最大負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)，該地110 kV的海纜總長(zhǎng)600 km，選取某段線路為例進(jìn)行計(jì)算，該段線路長(zhǎng)為48.1 km。海島區(qū)域的電價(jià)一般較內(nèi)陸地區(qū)昂貴，本文取0.83元/kWh。參考該地電網(wǎng)、該地權(quán)威機(jī)構(gòu)以及查閱相關(guān)資料得到的海纜參數(shù)如表2所示。

表2 不同鎧裝類型海纜成本參數(shù)

4 類不同鎧裝方式下的海纜全壽命周期成本計(jì)算結(jié)果如表3 所示。銅絲鎧裝材料價(jià)格比鋼絲鎧裝和不銹鋼鎧裝昂貴，因此制造成本較高，購(gòu)置成本也隨之增大；假設(shè)目標(biāo)敷設(shè)海域相同且海纜均為單芯單回路海纜，因此其敷設(shè)成本相同；依據(jù)海島區(qū)域的現(xiàn)有電價(jià)，與海纜損耗進(jìn)行折算，損耗成本相差并不?。绘z裝層的存在能夠讓海纜適當(dāng)承受住各種機(jī)械碰撞和損傷，對(duì)于海纜維護(hù)成本來(lái)說(shuō)，在其他外部條件相同的情況下，不同鎧裝層能承受的機(jī)械碰撞能力不同，銅絲的機(jī)械強(qiáng)度低于鋼絲，因此，銅絲鎧裝海纜的維護(hù)成本更高。

表3 4種海纜LCC計(jì)算結(jié)果 萬(wàn)元

為了更直觀地看出各種海纜型式的損耗及經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)將2個(gè)因素放入一張圖內(nèi)，如圖2所示。

從圖2 可以看出，銅絲鎧裝海纜的單位長(zhǎng)度電纜損耗雖然最小，有較強(qiáng)的降損潛力能夠滿足降損的需求，但是從工程應(yīng)用方面來(lái)看，該型式海纜并不具備經(jīng)濟(jì)性。型式二和型式三這兩種海纜的全壽命周期等額年值的差值雖然看起來(lái)微乎其微，但是型式三海纜的等額年值略低且其降損潛力高于型式二海纜。型式四海纜既不具備降損潛力又不具備經(jīng)濟(jì)性。因此，綜合海纜的降損潛力和經(jīng)濟(jì)性，單層鋼絲加回流銅絲鎧裝電纜最適合在實(shí)際工程中應(yīng)用。在某地海島區(qū)域的海纜不處于壽命使用周期，須要更換時(shí)，可參考本文的計(jì)算結(jié)果。

圖2 不同型式海纜的全壽命周期等額年值

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從設(shè)備選型角度出發(fā)，基于海纜敷設(shè)范圍廣，損耗量大這一事實(shí)，以海纜的降損潛力為主，海纜的經(jīng)濟(jì)性為輔，綜合考慮了海纜工程中的最佳海纜選型。在研究了海纜的損耗構(gòu)成的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了海纜的全壽命周期成本模型，從鎧裝損耗出發(fā)，以某地海島區(qū)域的部分海纜為例，對(duì)比分析不同的鎧裝方式帶來(lái)的損耗，并研究相應(yīng)的全壽命周期等額年值，選取兼顧低損耗與經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)海纜鎧裝型式，為日后的海纜選型提供參考。