基于年費用法的輸電電纜選型研究

向 宇，羅楚軍，李 健，岳 浩，劉文勛，劉 鵬

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430071)

0 引 言

隨著國民經濟的快速發展和電力基礎設施建設的提速，在城市電網中，電力電纜的應用越來越廣泛[1]。

與架空導線相比，輸電電纜具有以下優點：1)節約地上空間，可以敷設在多種復雜地下環境中，便于縮短線路走廊長度；2)輸電安全性高，人身觸電的可能性較小；3)因外界擾動引起的相間短路和事故率較低；4)利于高電壓深入負荷中心，提高電壓質量，減少電能損耗；5)電抗值僅為架空裸導線的三分之一，有助于提高功率因素，增大輸送容量；6)維護工作量小，無需頻繁檢修。因此輸電電纜受到了人們的普遍青睞，逐漸成為替代城市架空線路的優選方案[2-3]。

輸電電纜在正常運行環境中的壽命為30年左右。然而，由于電力電纜敷設環境不盡相同，有電纜溝、排管以及隧道等型式，其使用狀態會對電纜壽命造成較大影響。電纜投入運行后，雖然正常運行狀態下溫度的影響不大，但在非正常的過熱狀態下，電纜絕緣老化的速度非常快[4-6]。由于實際輸配電負荷并不恒定，負荷會不斷地調整變化，一旦電纜發生過負荷非正常運行，將會導致導體溫度的急劇上升，加速其絕緣老化，甚至發生熱擊穿。輸電電纜一旦發生故障，故障定位十分困難，不僅會浪費大量的人力物力，還會引起較大的間接損失。如果故障得不到及時排除，將會造成嚴重的經濟和社會影響。研究表明，當電纜的運行溫度超過其允許值的8%時，其壽命將減半；如果超過15%，電纜壽命僅為設計壽命的25%[7]。

隨著電纜在輸配電領域中的廣泛應用，如何保證電纜隧道的可靠通風，提高輸電電纜的可靠性和運行壽命，同時降低電纜工程的綜合成本，已經成為輸電電纜研究的重點方向之一。因此，下面針對電力行業電纜運行期間通風散熱費用的研究不足，提出了考慮年均投資運行維護成本的輸電電纜選型方法，對降低電纜工程的綜合成本具有重要意義。

1 通風散熱對電纜載流量的影響

電纜隧道內的通風情況對電纜隧道溫度分布和電纜載流量有較大影響。為研究通風速度對電纜導體溫度的影響規律，選取典型矩形明挖隧道2.6 m(寬)×2.9 m(高)，隧道內敷設6回電纜，底層為500 kV電纜(截面2500 mm2)，中間層220 kV電纜(截面2000 mm2)，頂層110 kV電纜(截面1000 mm2)。電纜隧道長度為1000 m，進風口溫度為30 ℃。在隧道入口分別通入2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s和10 m/s的風速，得出不同風速下沿導體軸向的溫度分布曲線如圖1至圖3所示，電纜載流量隨風速的變化規律如圖4所示。

圖1 不同風速下110 kV導體縱向溫度分布

由圖1至圖3導體溫度分布結果可知，在電纜隧道通風情況下，離進風口越遠，導體的溫度越高。隨著風速的增加，導體的溫度逐漸下降，且開始下降速度較快，然后下降速度變緩。

圖2 不同風速下220 kV導體縱向溫度分布

圖3 不同風速下500 kV導體縱向溫度分布

圖4 不同風速下電纜載流量

由圖4電纜載流量仿真結果可知，隨著風速的增加，電纜載流量逐漸升高，但當風速超過一定值時，電纜載流量的變化趨于平穩。當風速為10 m/s時，相比靜止狀態下110 kV、220 kV、500 kV電纜載流量分別提升了467.05 A、549.18 A、573.4 A。由此可知，提高通風風速對電纜載流量有一定提高，但是風速越大，提升效果越不明顯。因此，控制風速在10 m/s范圍內較為合適，風速大于10 m/s后，對載流量的提升很微弱。

由上述結果分析可知，通風散熱對降低電纜導體溫度和提高電纜載流量具有重要意義。因此，在對電纜工程進行投資選擇時，必須充分考慮電纜運行期間通風散熱費用對整體項目經濟性的影響。

2 年均投資運行維護成本計算方法

年費用法作為一種常用的審計投資效益的方法，能反映工程投資的合理性和經濟性。在對項目方案進行審計時，主要是通過計算和分析投資項目的年均成本，實現對投資經濟效益的比較評價。收入一定的情況下，投資方案的年均成本越低，該方案的經濟效益就越好。電纜項目的年均成本主要包括年均投資成本、年運行維護成本、年電能損耗成本。年均成本的計算方法如下：

Fa=λ(Z+U)+CW

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Fa為年均費用(平均分布在從m+1到m+n期間的幾年內)；λ為數列求和系數；Z為工程總投資；U為運行總費用；CW為年電能損耗費用；Zt為折算到t年的工程投資；r0為電力工業投資回收率或稱電力工業投資利用率；m為施工年數；n為工程使用年限；ut為折算到t年的運行費用；t為從工程開工這一年起的年份；t′為工程部分投產的年份。

電纜工程運行期間的費用主要包括電能損耗費用和運行維護費用。電能損耗費用CW主要包括電纜總損耗(含導體損耗、護套損耗和絕緣介質損耗)費用和風機通風散熱運行費用。在計算允許范圍內，電纜工程的設備運行維護費用可以認為是一個定值。按照線路工程的一般評價方法，年運行維護費用λU可按照工程總投資Z乘以一定的運行維護費率進行計算。運行維護費率一般取1.4%～1.5%，若取1.4%，則年運行維護費用計算式為

λU=0.14×Z

(5)

3 典型截面電纜經濟性對比分析

3.1 一次性投資成本對比

選取典型圓形電纜隧道，隧道內徑3 m，隧道通風長度400 m；隧道內敷設220 kV電纜，三相電纜成品字形布置。選取4組不同的電纜截面+通風風速方案組合，進行經濟性比選。方案1電纜截面為2500 mm2，風速為2.0 m/s；方案2電纜截面為2000 mm2，風速為4.0 m/s；方案3電纜截面為1800 mm2，風速為5.5 m/s；方案4電纜截面為1600 mm2風速為10.0 m/s。比選方案相關參數如表1所示。

表1 比選方案相關參數

在隧道規模已經確定的情況下，對比不同方案的一次性投資情況，主要包括電纜本體和風機價格。將方案1(電纜截面為2500 mm2、隧道風速為2 m/s)作為基準，4組比選方案的一次性投資差額對比如表2所示。

由表2的對比結果可知，在載流量相近的情況下，電纜截面為2500 mm2方案的一次性投資最大，這主要是由電纜本體造價的差異引起的。而在4種方案中，電纜截面為2000 mm2方案的一次性投資最小。電纜截面為1800 mm2和1600 mm2方案雖然電纜本體造價相對較低，但為了滿足載流量要求，隧道的通風風速更大，所需的風機規格更高，因此一次性投資也就隨之增加。

3.2 比選方案年均成本對比

為對比不同方案的優劣，在多種電價和最大負荷利用小時情況下，計算比選方案的年均投資運行維護成本。以折現率8%為例，比選方案的年均投資運行維護成本對比結果如表3所示。

由表3不同方案對比結果可知：方案4，即電纜截面為1600 mm2和隧道風速為10 m/s的組合方案僅在最大負荷利用小時數τ為2500 h，且電價為0.3元/kWh時年費用最低；其他情況下經濟性最優的均為方案3，即電纜截面為1800 mm2和隧道風速為5.5 m/s的組合方案，隨著電價的提高和年最大負荷利用小時的增加，該優勢越來越明顯。

表3 比選方案的年均投資運行維護成本對比

4 結 語

上面針對電纜規劃時未考慮運行期間通風散熱費用研究的不足，提出了考慮年均投資運行維護成本的輸電電纜選型方法。在此基礎上，對4種電纜截面和通風風速組合方案進行了經濟性比選，得出如下結論：

1)由于不同截面電纜本體造價的不同以及風機價格的影響，電纜截面為2500 mm2方案的一次性投資最大，電纜截面為2000 mm2方案的一次性投資最小。

2)在最大負荷利用小時為2500 h、電價0.3元/kWh、電纜截面為1600 mm2和隧道風速為10 m/s組合方案的經濟性較好，其他情況均為電纜截面為1800 mm2和隧道風速為5.5 m/s組合方案經濟性最好。

3)對于220 kV電纜隧道工程，每回輸送容量為680 MVA(載流量約為1980 A)時，推薦采用經濟性更好的電纜截面為1800 mm2和隧道風速為5.5 m/s組合設計方案。