炭纖維復合芯導線的全壽命周期成本評估系統

張紹輝，李宏偉，趙 明，高 峰

(國網河南省電力公司鄭州供電公司，河南 鄭州 621000)

炭纖維復合芯導線的全壽命周期成本評估系統

張紹輝，李宏偉，趙 明，高 峰

(國網河南省電力公司鄭州供電公司，河南 鄭州 621000)

采用新型的炭纖維復合芯導線，能提高輸電線路的電能傳輸容量，同時也可能提高了工程的成本。本文為了評估采用炭纖維復合芯導線的輸電線路的經濟性，給出了其全壽命周期成本的計算評估模型，融合成一個成本評估系統，并以工程實例計算了30年壽命的常規鋼芯鋁絞線導線和兩種炭纖維復合芯導線輸電工程的全壽命周期成本，通過對比分析，得到三種導線工程的全壽命周期成本情況，說明了采用炭纖維復合芯導線的經濟性，可以為工程設計提供依據。

炭纖維復合芯導線；全壽命周期成本；輸電線路；經濟性

0 引言

碳纖維復合芯導線是以碳纖維復合芯為承載線芯，外層由軟鋁型線絞制而成。具有強度高、線膨脹系數小、弧垂小、重量輕、導電率高、載流量大、運行溫度高、耐腐蝕性能好以及減小占地面積等一系列優點[1-3]，但是目前針對碳纖維復合芯導線的全壽命周期成本模型（LCC,Life Cycle Cost）的研究還不夠充分[4]。對炭纖維復合芯導線進行全壽命周期設計理念和方法開展工程評估，有利于節約環保，有利于新技術推廣應用，有利于提高工程整體水平，有利于電網安全可靠運行，有利于提高電網建設的投資效益，達到全壽命周期內投資效益最大化。

本文根據全壽命周期成本計算理論[5-7]，給出了炭纖維復合芯導線在各個階段的成本評估公式，最后通過實例給出了兩種不同炭纖維復合芯導線的輸電工程的全壽命周期成本。

1 全壽命周期成本評估模型

針對輸變電工程的特點，將全壽命周期成本中涉及到的模塊重新劃分，即一次投資成本、運行損耗成本、設備維護成本以及設備退役成本。運行損耗成本通常應該列入運行維護成本中。考慮到輸變電工程有這樣的特性：部分設備的運行電能損耗占到其運行維護費用的絕大部分，且這部分電能損耗的計算需要比較復雜的理論，比較專業的知識，如導線損耗中的電暈損耗計算；而部分設備的運行損耗幾乎為零，如基礎。基本的成本組成如圖1所示：

圖1 全壽命周期成本評估模塊Fig.1 Life cycle cost assessment module

一次投資成本IC：一次投資成本包含技術方案的采購成本及施工成本，主要指設備的購買與安裝費用。

運行損耗成本OC：主要包括設備運行的電能損耗成本，運行損耗針對不同的設備有所不同，對于導線而言包括電阻損耗以及電暈損耗，而對于基礎，則不存在損耗問題。

運行維護成本MC：主要包括設備的日常維護檢修成本。

故障損失成本FC：包括因停電造成的自身損失和社會損失

設備退役成本DC：包含設備退役施工成本以及殘值回收價值。

即全壽命周期成本LCC評估如公式（1）所示：

1.1 一次投資成本

考慮到實際項目工程復雜，很難對項目的詳細概算提出參考，本文提供了最簡單的估算方式供用戶進行預估，一次投資成本組成如圖2所示。

圖2 一次投資成本組成Fig.2 Investment cost component

1.2 運行損耗成本

輸電線路運行損耗成本是指運行期間的能耗費，其中能耗費主要包括導線的電阻損耗以及電暈損耗、地線的感應損耗和金具的磁滯損耗以及渦流損耗，而地線的感應損耗以及金具損耗在輸電線路損耗中占的比例很小，在此不做詳細分析。因此，導線運行損耗目標函數可以表示為：

式中：

n′ ……為線路回路數；

ξ ……為輸電電價，一般取0.3元/kWh；

P ……為線路傳輸容量，單位MW；

R ……為導線直流電阻，單位Ω/km；

n ……為導線分裂數；

U ……為輸電電壓，單位kV；

cosφ……為功率因素；

Pk……為導線電暈損耗，單位kW；

T ……為年最大利用小時數；

電暈損耗可以根據線路的電壓等級進行估算，對于220 kV線路，約為0.8 kW/km，500 kV線路為2.5 kW/km,750kV線路為6 kW/km，1000kV線路為25 kW/km。

1.3 運行維護成本

運行維護成本分為日常維護成本和計劃檢修成本，日常維護成本包括一些設備的折舊費和日常維護的人工費。而運行維護主要還是計劃檢修費用，計劃檢修具有自己的特點，它分為大修、中修和小修，是根據周期性的對設備進行修理，具有一定的時間規律性，修理的時間間隔根據設備制造商不同而有所不同。這種模式有其自己的優勢，可以將線路潛在的故障消滅在萌芽狀態，但是也有自己的缺點，即沒有充分考慮維修的經濟性，容易出現維修不足或者是維修過度的狀況。

輸電線路要想正常運行，必須考慮設備的可用度，而加強設備的可用度必須保證設備的可靠性和可維修性等要求，為了保障可維修性，必須有各種維護用設備和專業的技術人員以及一些維修設備的儲備，這些又構成了使用與維修資源投資費。

為了簡化計算，同時根據投國家相關財務規定[8]，將線路的年運行維護成本用投資費用的百分比形式來表示，設比例系數因子為μ，計算公式如下：

1.4 故障損失費用

在充分考慮設計對象的特征基礎上，采用平均電價折算倍數法[9]對線路故障引起的停電直接費用進行計算，社會影響費用可采用與線路等級和重要程度相關的系數來進行附加，故障修復費用可直接采用統計數據，計算公式如下：

式中，EENS為期望缺供電量，單位kW·h；b為單位停電電量的電價與平均電價的比值，取25; d為平均電價，單位為元/kW·h；λ為設備年平均故障數；RC為線路故障平均修復成本；MTTR為設備平均修復時間。β為社會影響因數，其參數同線路的電壓等級和在系統內的重要程度相關。

1.5 退役成本

退役成本(DC)指線路生命周期結束后，清理、回收、銷毀線路中各種設備所需支付的費用。不同類型、用途的設備退役成本是不同的，有的可以產生一定數量的殘值收入，用以支付其他有關的費用，這種退役成本應為負值；而有的不僅沒有任何殘值收入，而且需要花費大量的成本將其報廢和清理，這種退役成本為正值。在產品退役的過程中，既有可能產生一定的收入，又需要消耗一定的人力、物力、財力，所以應該認真進行核算。根據電力工業企業固定資產年折舊率表[10]，架空輸電線路折舊年限為30年，退役成本按照一次投資的30%計算，并利用宏觀經濟參數修正將其折算成等年值。

其中，AR為現值系數，也稱為貼現系數；IR為每年的通貨膨脹率。

2 算例

考慮到輸電線路長度越短，則某個特定因素對成本的影響就越大，誤差就越大，因此，本節以電壓等級5000 kV的某雙回高壓輸電線路工程（115 km）為例進行推演，給出了常規鋼芯鋁絞線導線JL/G1A-630/45和兩種不同炭纖維復合芯導線JRLX/T-630/70和JRLX/T-710/70的全壽命周期成本計算，這樣可以更有效的驗證算法。

（1）一次投資成本

兩種炭纖維復合芯導線的輸電線路的一次投資成本如表1所示[4]。

（2）運行損耗成本

假設年利用小時數為4000 h(損耗小時數2400 h)，電價為0.3元/kWh，則運行損耗費用如表2所示。

表1 導線一次投資成本Tab.1 Investment cost of line

表2 導線運行損耗成本Tab.2 Line operating loss cost

（3）運行維護成本

比例系數因子為=1.4%μ[11]，則運行維護成本如表3所示，含維護人工、材料、工具及備件幾個方面。

（4）故障損失成本

計算故障損失時，假設各種導線年故障時間相同，故障后維修費用相同。

表3 導線運行維護成本Tab.3 Operation and maintenance cost

采用平均電價折算倍數法對線路故障引起的停電直接費用進行計算，500 kV線路的輸送功率為1150 MW，平均電價選為0.3元/kWh,線路發生的年故障數根據相關的資料進行估算。

綜合考慮，500 kV輸電線路跳閘事故率確定為0.6/100 km*a，計算得到全線的年λ＝0.69次。

采用如下公式計算單位期望缺供電量：

社會影響因數對于500kV線路，固定取100萬元/每次，線路平均修復時間取0.5小時，平均修復成本取50萬元，這樣，根據前面的討論,故障損失的計算的結果如下：

按照此故障模型，計算得到500kV年故障損失費用為116萬元。

（5）退役成本

線路退役時，其施工投入也非常巨大，考慮到可以回收電纜、塔材等設備，因此，將其固定為全壽命周期成本的2%。

假設線路工程壽命為30年，由于通貨膨脹率和年利率對各導線的成本費用由相同的影響，故不考慮其影響。則可以得到三種導線的工程全壽命周期成本，如表4所示(單位：萬元/千米)。

表4 全壽命周期成本匯總表Tab.4 Life cycle cost summary

可以看出不同類型的導線，工藝性能越好的導線，一次投資成本越高，但是損耗越小，并且隨著時間的累積，主要的成本差異體現在運行損耗上。

4 結論

在輸變電工程的全壽命周期成本設計中，從設計階段不但要考慮線路各組成部分的一次投資成本，而且要充分考慮工程特點及降低運行損耗、維護費用的要求，新材料、新工藝以及新方法的出現，計算機模擬仿真技術的普遍應用，為實現設計創新提供了可能，而新材料、新工藝的應用是相輔相成的，只有集成應用才能充分發揮效益，而全壽命周期成本可以成為這些新方法的量化指標。

為了更加充分的分析炭纖維復合芯導線這類新材料、新工藝的綜合效益，本文給出了以其為輸電導線的全壽命周期成本評估模型，可以看出不同類型的導線，工藝性能越好的導線，一次投資成本越高，但是損耗越小，并且隨著時間的累積，主要的成本差異體現在運行損耗上，為碳纖維復合芯導線的大規模應用提供理論支撐。

[1] 尤傳永. 增容導線在架空輸電線路上的應用研究[J]. 電力設備, 2006, 7(10): 1-7.

[2] 鞠彥忠, 李秋晨, 孟亞男. 碳纖維復合芯導線與傳統導線的比較研究[J]. 華東電力, 2011, 39(7): 1191-1194.

[3] 姜文東, 張勇. 碳纖維復合芯導線在線路增容工程中的應用[J]. 華東電力, 2009, 37(3): 418-421.

[4] 楊長龍, 田超凱, 王志偉, 等. 碳纖維復合芯導線全壽命周期年費用法的選型研究[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2015(11): 59-63.

[5] 郎斌. 輸變電設備全壽命周期成本優化研究[D]. 華北電力大學(北京), 2008.

[6] 孫寶峰. 輸變電設備全壽命周期成本優化[J]. 硅谷, 2009(5).

[7] 宋宛凈. 變電工程全壽命周期成本優化方法研究[D]. 湖南大學, 2013.

[8] 劉振亞.《國家電網公司輸變電工程典型設計: 2005年版: 330 kV輸電線路分冊》[M]. 中國電力出版社, 2005年

[9] 陳曉, 王建興, 臧寶鋒. 城市電網用戶停電損失及其估算方法的研究[J]. 昆明理工大學學報(理工版), 2003, 28(1): 53-56.

[10] 劉振亞.《國家電網公司輸變電工程典型設計:2005年版:330kV輸電線路分冊》[M]. 中國電力出版社, 2005年.

[11] 劉漢生, 劉劍, 李俊娥, 等. 基于全壽命周期成本評估的特高壓直流輸電線路導線選型[J]. 高電壓技術, 2012 (2012年02): 310-315.

The Whole life Cycle Cost Evaluation System of Carbon Fiber Core Conductors

ZHANG Shao-hui, LI Hong-wei, ZHAO Ming, GAO Feng
(Zhenzhou Power Supply Bureau of Henan Power Supply Company, Henan 621000, China)

A new type of carbon fiber core conductors can improve the transmission capacity of transmission lines, but may increase the cost of the project. In order to evaluate the economy of the transmission line using carbon fiber core conductors, this paper gives the calculation of the whole life cycle cost evaluation model, and an example calculation the whole life cycle cost of the conventional steel core aluminum stranded wire and two kinds of carbon fiber core wire transmission projects of 30 years life. Through the comparative analysis, the whole life cycle cost of three kinds of wire projects are obtained, illustrates the economy of using carbon fiber core conductors, which can provide the basis for engineering design.

Carbon fiber core conductors; Whole life cycle cost; Transmission line; Economy

TM7

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.05.026

張紹輝(1972年)，男河南郟縣人，工學學士，高級工程師，從事電力生產管理工作；李宏偉(1966年)，男，河南商丘人，學士學位，高級工程師，現從事電力設備運檢工作；趙明(1985年)，男，河南安陽人，工程師，工學學士，從事輸電線路運行與檢修工作；高峰(1985年)男，河南鄭州人，工程師，工學碩士，從事輸電線路運維工作。

張紹輝。

本文著錄格式：張紹輝，李宏偉，趙明，等. 炭纖維復合芯導線的全壽命周期成本評估系統[J]. 軟件，2017，38（5）：125-128