基于全壽命周期的電鐵牽引站接入系統導線截面選擇方法

張倩茅，張明文，任志剛

（1.國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊 050021；2.國網河北省電力公司，石家莊 050021）

導線截面的選擇既要保證電網的安全可靠供電，又要充分利用導線的利用效率。電網中常規主網架線、聯絡線、負荷饋線等架空送電線路負荷具有持續性，導線截面一般按經濟電流密度來選擇，并根據電暈、機械強度以及事故情況下的發熱條件進行校驗，必要時通過技術經濟比較確定［1］。

電鐵牽引負荷具有沖擊性、不平衡性、負載率低［2］等特點，按照現有的導線截面選型方法，往往以初始投資最低作為方案經濟性評價的依據。初始投資是項目決策的主導因素，但對導線在壽命期內的各項損耗、運行檢修及故障、報廢等成本考慮不夠。實踐證明，某些導線截面選型方案初始投資節省，但從后評價的角度看，這種選擇方法既影響電網的可靠性和適應性，又增加了運行成本，浪費資源。以下基于資產全壽命周期成本和電鐵牽引站的負荷特性，介紹其接入系統導線截面選擇方法，可供電鐵牽引站接入系統設計人員選擇作參考。

1 導線的全壽命周期成本

全壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）是指資產設備在預期的壽命周期內，為其規劃、設計、建設、購置、使用與保障以及退役處理所支付的所有費用之和。依據全壽命周期管理理論，對輸變電設備等固定資產從購置到報廢的整個生命周期的各個環節是相互關聯的，對于每個環節的成本費用支出不能僅從該環節自身考慮，應該運用全壽命周期成本（LCC）最小化的準則進行決策和控制。

導線的全壽命周期費用（成本）現值可寫成如下形式

式中：CI為線路初始投資；COt為線路投入運行后第t年運行維護成本；CDt為線路投入運行后第t年廢棄成本；CIt為線路投入運行后第t年運行損耗成本；CFt為線路投入運行后第t年缺供電量損失成本，考慮由于規劃設計方案不同，供電能力不同所造成供電企業收入減少的損失，按缺供電量損失成本計入CF＝EENS×ΔP，其中EENS為缺供電量，ΔP為購售電價差；i為折現率；n為輸電網工程經濟壽命；（P／F，i，t）為現值系數。

對導線截面選擇的各初始方案，計算其各年成本支出后折算為現值，再將成本支出現值折算為等年值進行比較，公式如下：

根據各初始方案的現值和等年值計算結果，選取固定期限內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的導線截面選擇

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個單相變壓器，其中有一相為公共相；2個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個供電分區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 根據經濟電流密度選擇導線截面

公共相電流為最大運行電流，以此為基礎初步選擇接入系統導線型號。調研某省級電網客運、客貨混運、貨運、高鐵等4 種類型鐵路線上各牽引站負荷、電量情況，高鐵牽引站最大負荷利用小時數較低，處于600～1 200h；其他貨運、客運以及客貨混運牽引站最大負荷利用小時數相對稍高，處于1 500～2 500h。根據該電鐵牽引站接入系統初步設計方案，各牽引站最大負荷利用小時數均低于3 000h，可按照j＝1.65A／mm2選擇接入系統導線截面。從經濟電流密度角度選擇［1］，該牽引站接入系統導線型號選用LGJ－400。

2.2 根據導線長期容許電流選擇

按容許發熱條件的持續極限輸送容量計算公式為

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

在考慮環境溫度為25 ℃、導線溫度70 ℃情況下，該牽引站接入系統導線型號選用LGJ－240即可。

2.3 基于資產全壽命的導線截面校驗

根據《電氣化鐵路牽引站接入電網導則（試行）》中規定，電力牽引負荷為一級負荷，應由兩路電源供電，當任一路故障時，另一路仍正常供電。因此計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、運維成本、損耗成本、報廢成本，計算時使用的主要技術經濟參數見表1。其中，方案1為按照常規架空線路的經濟電流密度選擇導線截面LGJ－400；方案2 為根據導線長期容許電流選擇導線截面LGJ－240。

表1 導線的主要技術經濟參數

按照全壽命周期成本計算方法，得到根據經濟電流密度和導線長期容許電流2種方案的全壽命周期成本。方案1 全壽命周期成本現值為1 576.04萬 元，方 案2 全 壽 命 周 期 成 本 現 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優于方案2，因此，電鐵牽引站接入系統導線選用LGJ－240。

2.4 電鐵擴能適應性分析

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

3 結論

合理選擇導線截面不僅關系到線路的安全可靠運行，而且導線截面的大小將影響絕緣子、金具強度的選擇，桿塔、基礎的荷重，直接影響線路運行的經濟效益。鑒于目前按經濟電流密度選擇的電鐵牽引導線截面偏大的現象，以上設計了一種基于資產全壽命周期成本導線選型優化方法，為電鐵牽引站接入系統導線截面的選擇提供了新思路。在對導線選型進行經濟性評價時，要以電鐵發展規劃和電網規劃目標網架為指導，按照全壽命周期管理理念構建經濟性評價理論、模型與方法，在保證電網安全運行和可靠性要求的前提下，通過有效的成本管理，實現資產全壽命周期內成本最低。該方法對于選擇導體線截面進而節省能源，提高電力安全、可靠、經濟運行有重要意義。

［1］電力工業部電力規劃設計總院.電力系統設計手冊［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，2004.