基于全寿命周期的电铁牵引站接入系统导线截面选择方法

张倩茅，张明文，任志刚

（1.国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄 050021；2.国网河北省电力公司，石家庄 050021）

导线截面的选择既要保证电网的安全可靠供电，又要充分利用导线的利用效率。电网中常规主网架线、联络线、负荷馈线等架空送电线路负荷具有持续性，导线截面一般按经济电流密度来选择，并根据电晕、机械强度以及事故情况下的发热条件进行校验，必要时通过技术经济比较确定［1］。

电铁牵引负荷具有冲击性、不平衡性、负载率低［2］等特点，按照现有的导线截面选型方法，往往以初始投资最低作为方案经济性评价的依据。初始投资是项目决策的主导因素，但对导线在寿命期内的各项损耗、运行检修及故障、报废等成本考虑不够。实践证明，某些导线截面选型方案初始投资节省，但从后评价的角度看，这种选择方法既影响电网的可靠性和适应性，又增加了运行成本，浪费资源。以下基于资产全寿命周期成本和电铁牵引站的负荷特性，介绍其接入系统导线截面选择方法，可供电铁牵引站接入系统设计人员选择作参考。

1 导线的全寿命周期成本

全寿命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）是指资产设备在预期的寿命周期内，为其规划、设计、建设、购置、使用与保障以及退役处理所支付的所有费用之和。依据全寿命周期管理理论，对输变电设备等固定资产从购置到报废的整个生命周期的各个环节是相互关联的，对于每个环节的成本费用支出不能仅从该环节自身考虑，应该运用全寿命周期成本（LCC）最小化的准则进行决策和控制。

导线的全寿命周期费用（成本）现值可写成如下形式

式中：CI为线路初始投资；COt为线路投入运行后第t年运行维护成本；CDt为线路投入运行后第t年废弃成本；CIt为线路投入运行后第t年运行损耗成本；CFt为线路投入运行后第t年缺供电量损失成本，考虑由于规划设计方案不同，供电能力不同所造成供电企业收入减少的损失，按缺供电量损失成本计入CF＝EENS×ΔP，其中EENS为缺供电量，ΔP为购售电价差；i为折现率；n为输电网工程经济寿命；（P／F，i，t）为现值系数。

对导线截面选择的各初始方案，计算其各年成本支出后折算为现值，再将成本支出现值折算为等年值进行比较，公式如下：

根据各初始方案的现值和等年值计算结果，选取固定期限内的全寿命成本最小的方案作为推荐方案。

2 电铁牵引站接入系统的导线截面选择

某电铁牵引站主变压器选用V／X 牵引变压器，容量2×（31.5＋31.5）MVA。每台牵引变压器为2个单相变压器，其中有一相为公共相；2个单相变压器中的电流夹角为60°，这两相电流叠加为公共相电流。该牵引站2个供电分区所公共相电流分别为522A、537A。该电铁牵引站拟接入110kV 电压等级，线路长度约20km。

2.1 根据经济电流密度选择导线截面

公共相电流为最大运行电流，以此为基础初步选择接入系统导线型号。调研某省级电网客运、客货混运、货运、高铁等4 种类型铁路线上各牵引站负荷、电量情况，高铁牵引站最大负荷利用小时数较低，处于600～1 200h；其他货运、客运以及客货混运牵引站最大负荷利用小时数相对稍高，处于1 500～2 500h。根据该电铁牵引站接入系统初步设计方案，各牵引站最大负荷利用小时数均低于3 000h，可按照j＝1.65A／mm2选择接入系统导线截面。从经济电流密度角度选择［1］，该牵引站接入系统导线型号选用LGJ－400。

2.2 根据导线长期容许电流选择

按容许发热条件的持续极限输送容量计算公式为

式中：Wmax为极限输送容量，MVA；Ue为线路额定电压，kV；Imax为导线持续容许电流，kA。

在考虑环境温度为25 ℃、导线温度70 ℃情况下，该牵引站接入系统导线型号选用LGJ－240即可。

2.3 基于资产全寿命的导线截面校验

根据《电气化铁路牵引站接入电网导则（试行）》中规定，电力牵引负荷为一级负荷，应由两路电源供电，当任一路故障时，另一路仍正常供电。因此计算不考虑由于供电能力不足引起的缺供电量成本，仅考虑初始投资、运维成本、损耗成本、报废成本，计算时使用的主要技术经济参数见表1。其中，方案1为按照常规架空线路的经济电流密度选择导线截面LGJ－400；方案2 为根据导线长期容许电流选择导线截面LGJ－240。

表1 导线的主要技术经济参数

按照全寿命周期成本计算方法，得到根据经济电流密度和导线长期容许电流2种方案的全寿命周期成本。方案1 全寿命周期成本现值为1 576.04万 元，方 案2 全 寿 命 周 期 成 本 现 值 为1 051.17万元，方案1 比方案2 少524.87万元。从全寿命周期成本角度选择，方案1优于方案2，因此，电铁牵引站接入系统导线选用LGJ－240。

2.4 电铁扩能适应性分析

LGJ－240导线在环境温度25 ℃、导线温度70℃情况下，长期容许电流为610A，持续极限输送容量为116 MVA。电铁牵引站主变压器为一主一备运行方式，在不考虑其他线路T 接的情况下，LGJ－240导线可支撑2×（50＋50）MVA 规模的110kV 电铁牵引站的供电。因此在以上案例中，基于资产全寿命周期成本最小的导线选择方案可满足一定时期内电铁负荷增长和牵引变电站扩建的需求。

3 结论

合理选择导线截面不仅关系到线路的安全可靠运行，而且导线截面的大小将影响绝缘子、金具强度的选择，杆塔、基础的荷重，直接影响线路运行的经济效益。鉴于目前按经济电流密度选择的电铁牵引导线截面偏大的现象，以上设计了一种基于资产全寿命周期成本导线选型优化方法，为电铁牵引站接入系统导线截面的选择提供了新思路。在对导线选型进行经济性评价时，要以电铁发展规划和电网规划目标网架为指导，按照全寿命周期管理理念构建经济性评价理论、模型与方法，在保证电网安全运行和可靠性要求的前提下，通过有效的成本管理，实现资产全寿命周期内成本最低。该方法对于选择导体线截面进而节省能源，提高电力安全、可靠、经济运行有重要意义。

［1］电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册［M］.北京：中国电力出版社，1998.

［2］黎 亮.电气化铁路供电电源电压等级的研究［D］.成都：西南交通大学，2004.