基于全壽命周期的電鐵牽引站接入系統(tǒng)導(dǎo)線截面選擇方法

張倩茅，張明文，任志剛

（1.國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021）

導(dǎo)線截面的選擇既要保證電網(wǎng)的安全可靠供電，又要充分利用導(dǎo)線的利用效率。電網(wǎng)中常規(guī)主網(wǎng)架線、聯(lián)絡(luò)線、負(fù)荷饋線等架空送電線路負(fù)荷具有持續(xù)性，導(dǎo)線截面一般按經(jīng)濟(jì)電流密度來選擇，并根據(jù)電暈、機(jī)械強(qiáng)度以及事故情況下的發(fā)熱條件進(jìn)行校驗(yàn)，必要時(shí)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定［1］。

電鐵牽引負(fù)荷具有沖擊性、不平衡性、負(fù)載率低［2］等特點(diǎn)，按照現(xiàn)有的導(dǎo)線截面選型方法，往往以初始投資最低作為方案經(jīng)濟(jì)性評價(jià)的依據(jù)。初始投資是項(xiàng)目決策的主導(dǎo)因素，但對導(dǎo)線在壽命期內(nèi)的各項(xiàng)損耗、運(yùn)行檢修及故障、報(bào)廢等成本考慮不夠。實(shí)踐證明，某些導(dǎo)線截面選型方案初始投資節(jié)省，但從后評價(jià)的角度看，這種選擇方法既影響電網(wǎng)的可靠性和適應(yīng)性，又增加了運(yùn)行成本，浪費(fèi)資源。以下基于資產(chǎn)全壽命周期成本和電鐵牽引站的負(fù)荷特性，介紹其接入系統(tǒng)導(dǎo)線截面選擇方法，可供電鐵牽引站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇作參考。

1 導(dǎo)線的全壽命周期成本

全壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）是指資產(chǎn)設(shè)備在預(yù)期的壽命周期內(nèi)，為其規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、購置、使用與保障以及退役處理所支付的所有費(fèi)用之和。依據(jù)全壽命周期管理理論，對輸變電設(shè)備等固定資產(chǎn)從購置到報(bào)廢的整個(gè)生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)是相互關(guān)聯(lián)的，對于每個(gè)環(huán)節(jié)的成本費(fèi)用支出不能僅從該環(huán)節(jié)自身考慮，應(yīng)該運(yùn)用全壽命周期成本（LCC）最小化的準(zhǔn)則進(jìn)行決策和控制。

導(dǎo)線的全壽命周期費(fèi)用（成本）現(xiàn)值可寫成如下形式

式中：CI為線路初始投資；COt為線路投入運(yùn)行后第t年運(yùn)行維護(hù)成本；CDt為線路投入運(yùn)行后第t年廢棄成本；CIt為線路投入運(yùn)行后第t年運(yùn)行損耗成本；CFt為線路投入運(yùn)行后第t年缺供電量損失成本，考慮由于規(guī)劃設(shè)計(jì)方案不同，供電能力不同所造成供電企業(yè)收入減少的損失，按缺供電量損失成本計(jì)入CF＝EENS×ΔP，其中EENS為缺供電量，ΔP為購售電價(jià)差；i為折現(xiàn)率；n為輸電網(wǎng)工程經(jīng)濟(jì)壽命；（P／F，i，t）為現(xiàn)值系數(shù)。

對導(dǎo)線截面選擇的各初始方案，計(jì)算其各年成本支出后折算為現(xiàn)值，再將成本支出現(xiàn)值折算為等年值進(jìn)行比較，公式如下：

根據(jù)各初始方案的現(xiàn)值和等年值計(jì)算結(jié)果，選取固定期限內(nèi)的全壽命成本最小的方案作為推薦方案。

2 電鐵牽引站接入系統(tǒng)的導(dǎo)線截面選擇

某電鐵牽引站主變壓器選用V／X 牽引變壓器，容量2×（31.5＋31.5）MVA。每臺牽引變壓器為2個(gè)單相變壓器，其中有一相為公共相；2個(gè)單相變壓器中的電流夾角為60°，這兩相電流疊加為公共相電流。該牽引站2個(gè)供電分區(qū)所公共相電流分別為522A、537A。該電鐵牽引站擬接入110kV 電壓等級，線路長度約20km。

2.1 根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)線截面

公共相電流為最大運(yùn)行電流，以此為基礎(chǔ)初步選擇接入系統(tǒng)導(dǎo)線型號。調(diào)研某省級電網(wǎng)客運(yùn)、客貨混運(yùn)、貨運(yùn)、高鐵等4 種類型鐵路線上各牽引站負(fù)荷、電量情況，高鐵牽引站最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)較低，處于600～1 200h；其他貨運(yùn)、客運(yùn)以及客貨混運(yùn)牽引站最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)相對稍高，處于1 500～2 500h。根據(jù)該電鐵牽引站接入系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案，各牽引站最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)均低于3 000h，可按照j＝1.65A／mm2選擇接入系統(tǒng)導(dǎo)線截面。從經(jīng)濟(jì)電流密度角度選擇［1］，該牽引站接入系統(tǒng)導(dǎo)線型號選用LGJ－400。

2.2 根據(jù)導(dǎo)線長期容許電流選擇

按容許發(fā)熱條件的持續(xù)極限輸送容量計(jì)算公式為

式中：Wmax為極限輸送容量，MVA；Ue為線路額定電壓，kV；Imax為導(dǎo)線持續(xù)容許電流，kA。

在考慮環(huán)境溫度為25 ℃、導(dǎo)線溫度70 ℃情況下，該牽引站接入系統(tǒng)導(dǎo)線型號選用LGJ－240即可。

2.3 基于資產(chǎn)全壽命的導(dǎo)線截面校驗(yàn)

根據(jù)《電氣化鐵路牽引站接入電網(wǎng)導(dǎo)則（試行）》中規(guī)定，電力牽引負(fù)荷為一級負(fù)荷，應(yīng)由兩路電源供電，當(dāng)任一路故障時(shí)，另一路仍正常供電。因此計(jì)算不考慮由于供電能力不足引起的缺供電量成本，僅考慮初始投資、運(yùn)維成本、損耗成本、報(bào)廢成本，計(jì)算時(shí)使用的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)見表1。其中，方案1為按照常規(guī)架空線路的經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)線截面LGJ－400；方案2 為根據(jù)導(dǎo)線長期容許電流選擇導(dǎo)線截面LGJ－240。

表1 導(dǎo)線的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)

按照全壽命周期成本計(jì)算方法，得到根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度和導(dǎo)線長期容許電流2種方案的全壽命周期成本。方案1 全壽命周期成本現(xiàn)值為1 576.04萬 元，方 案2 全 壽 命 周 期 成 本 現(xiàn) 值 為1 051.17萬元，方案1 比方案2 少524.87萬元。從全壽命周期成本角度選擇，方案1優(yōu)于方案2，因此，電鐵牽引站接入系統(tǒng)導(dǎo)線選用LGJ－240。

2.4 電鐵擴(kuò)能適應(yīng)性分析

LGJ－240導(dǎo)線在環(huán)境溫度25 ℃、導(dǎo)線溫度70℃情況下，長期容許電流為610A，持續(xù)極限輸送容量為116 MVA。電鐵牽引站主變壓器為一主一備運(yùn)行方式，在不考慮其他線路T 接的情況下，LGJ－240導(dǎo)線可支撐2×（50＋50）MVA 規(guī)模的110kV 電鐵牽引站的供電。因此在以上案例中，基于資產(chǎn)全壽命周期成本最小的導(dǎo)線選擇方案可滿足一定時(shí)期內(nèi)電鐵負(fù)荷增長和牽引變電站擴(kuò)建的需求。

3 結(jié)論

合理選擇導(dǎo)線截面不僅關(guān)系到線路的安全可靠運(yùn)行，而且導(dǎo)線截面的大小將影響絕緣子、金具強(qiáng)度的選擇，桿塔、基礎(chǔ)的荷重，直接影響線路運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。鑒于目前按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇的電鐵牽引導(dǎo)線截面偏大的現(xiàn)象，以上設(shè)計(jì)了一種基于資產(chǎn)全壽命周期成本導(dǎo)線選型優(yōu)化方法，為電鐵牽引站接入系統(tǒng)導(dǎo)線截面的選擇提供了新思路。在對導(dǎo)線選型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)時(shí)，要以電鐵發(fā)展規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)網(wǎng)架為指導(dǎo)，按照全壽命周期管理理念構(gòu)建經(jīng)濟(jì)性評價(jià)理論、模型與方法，在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行和可靠性要求的前提下，通過有效的成本管理，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)全壽命周期內(nèi)成本最低。該方法對于選擇導(dǎo)體線截面進(jìn)而節(jié)省能源，提高電力安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要意義。

［1］電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［2］黎 亮.電氣化鐵路供電電源電壓等級的研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2004.