炭纤维复合芯导线的全寿命周期成本评估系统

张绍辉，李宏伟，赵 明，高 峰

(国网河南省电力公司郑州供电公司，河南 郑州 621000)

炭纤维复合芯导线的全寿命周期成本评估系统

张绍辉，李宏伟，赵 明，高 峰

(国网河南省电力公司郑州供电公司，河南 郑州 621000)

采用新型的炭纤维复合芯导线，能提高输电线路的电能传输容量，同时也可能提高了工程的成本。本文为了评估采用炭纤维复合芯导线的输电线路的经济性，给出了其全寿命周期成本的计算评估模型，融合成一个成本评估系统，并以工程实例计算了30年寿命的常规钢芯铝绞线导线和两种炭纤维复合芯导线输电工程的全寿命周期成本，通过对比分析，得到三种导线工程的全寿命周期成本情况，说明了采用炭纤维复合芯导线的经济性，可以为工程设计提供依据。

炭纤维复合芯导线；全寿命周期成本；输电线路；经济性

0 引言

碳纤维复合芯导线是以碳纤维复合芯为承载线芯，外层由软铝型线绞制而成。具有强度高、线膨胀系数小、弧垂小、重量轻、导电率高、载流量大、运行温度高、耐腐蚀性能好以及减小占地面积等一系列优点[1-3]，但是目前针对碳纤维复合芯导线的全寿命周期成本模型（LCC,Life Cycle Cost）的研究还不够充分[4]。对炭纤维复合芯导线进行全寿命周期设计理念和方法开展工程评估，有利于节约环保，有利于新技术推广应用，有利于提高工程整体水平，有利于电网安全可靠运行，有利于提高电网建设的投资效益，达到全寿命周期内投资效益最大化。

本文根据全寿命周期成本计算理论[5-7]，给出了炭纤维复合芯导线在各个阶段的成本评估公式，最后通过实例给出了两种不同炭纤维复合芯导线的输电工程的全寿命周期成本。

1 全寿命周期成本评估模型

针对输变电工程的特点，将全寿命周期成本中涉及到的模块重新划分，即一次投资成本、运行损耗成本、设备维护成本以及设备退役成本。运行损耗成本通常应该列入运行维护成本中。考虑到输变电工程有这样的特性：部分设备的运行电能损耗占到其运行维护费用的绝大部分，且这部分电能损耗的计算需要比较复杂的理论，比较专业的知识，如导线损耗中的电晕损耗计算；而部分设备的运行损耗几乎为零，如基础。基本的成本组成如图1所示：

图1 全寿命周期成本评估模块Fig.1 Life cycle cost assessment module

一次投资成本IC：一次投资成本包含技术方案的采购成本及施工成本，主要指设备的购买与安装费用。

运行损耗成本OC：主要包括设备运行的电能损耗成本，运行损耗针对不同的设备有所不同，对于导线而言包括电阻损耗以及电晕损耗，而对于基础，则不存在损耗问题。

运行维护成本MC：主要包括设备的日常维护检修成本。

故障损失成本FC：包括因停电造成的自身损失和社会损失

设备退役成本DC：包含设备退役施工成本以及残值回收价值。

即全寿命周期成本LCC评估如公式（1）所示：

1.1 一次投资成本

考虑到实际项目工程复杂，很难对项目的详细概算提出参考，本文提供了最简单的估算方式供用户进行预估，一次投资成本组成如图2所示。

图2 一次投资成本组成Fig.2 Investment cost component

1.2 运行损耗成本

输电线路运行损耗成本是指运行期间的能耗费，其中能耗费主要包括导线的电阻损耗以及电晕损耗、地线的感应损耗和金具的磁滞损耗以及涡流损耗，而地线的感应损耗以及金具损耗在输电线路损耗中占的比例很小，在此不做详细分析。因此，导线运行损耗目标函数可以表示为：

式中：

n′ ……为线路回路数；

ξ ……为输电电价，一般取0.3元/kWh；

P ……为线路传输容量，单位MW；

R ……为导线直流电阻，单位Ω/km；

n ……为导线分裂数；

U ……为输电电压，单位kV；

cosφ……为功率因素；

Pk……为导线电晕损耗，单位kW；

T ……为年最大利用小时数；

电晕损耗可以根据线路的电压等级进行估算，对于220 kV线路，约为0.8 kW/km，500 kV线路为2.5 kW/km,750kV线路为6 kW/km，1000kV线路为25 kW/km。

1.3 运行维护成本

运行维护成本分为日常维护成本和计划检修成本，日常维护成本包括一些设备的折旧费和日常维护的人工费。而运行维护主要还是计划检修费用，计划检修具有自己的特点，它分为大修、中修和小修，是根据周期性的对设备进行修理，具有一定的时间规律性，修理的时间间隔根据设备制造商不同而有所不同。这种模式有其自己的优势，可以将线路潜在的故障消灭在萌芽状态，但是也有自己的缺点，即没有充分考虑维修的经济性，容易出现维修不足或者是维修过度的状况。

输电线路要想正常运行，必须考虑设备的可用度，而加强设备的可用度必须保证设备的可靠性和可维修性等要求，为了保障可维修性，必须有各种维护用设备和专业的技术人员以及一些维修设备的储备，这些又构成了使用与维修资源投资费。

为了简化计算，同时根据投国家相关财务规定[8]，将线路的年运行维护成本用投资费用的百分比形式来表示，设比例系数因子为μ，计算公式如下：

1.4 故障损失费用

在充分考虑设计对象的特征基础上，采用平均电价折算倍数法[9]对线路故障引起的停电直接费用进行计算，社会影响费用可采用与线路等级和重要程度相关的系数来进行附加，故障修复费用可直接采用统计数据，计算公式如下：

式中，EENS为期望缺供电量，单位kW·h；b为单位停电电量的电价与平均电价的比值，取25; d为平均电价，单位为元/kW·h；λ为设备年平均故障数；RC为线路故障平均修复成本；MTTR为设备平均修复时间。β为社会影响因数，其参数同线路的电压等级和在系统内的重要程度相关。

1.5 退役成本

退役成本(DC)指线路生命周期结束后，清理、回收、销毁线路中各种设备所需支付的费用。不同类型、用途的设备退役成本是不同的，有的可以产生一定数量的残值收入，用以支付其他有关的费用，这种退役成本应为负值；而有的不仅没有任何残值收入，而且需要花费大量的成本将其报废和清理，这种退役成本为正值。在产品退役的过程中，既有可能产生一定的收入，又需要消耗一定的人力、物力、财力，所以应该认真进行核算。根据电力工业企业固定资产年折旧率表[10]，架空输电线路折旧年限为30年，退役成本按照一次投资的30%计算，并利用宏观经济参数修正将其折算成等年值。

其中，AR为现值系数，也称为贴现系数；IR为每年的通货膨胀率。

2 算例

考虑到输电线路长度越短，则某个特定因素对成本的影响就越大，误差就越大，因此，本节以电压等级5000 kV的某双回高压输电线路工程（115 km）为例进行推演，给出了常规钢芯铝绞线导线JL/G1A-630/45和两种不同炭纤维复合芯导线JRLX/T-630/70和JRLX/T-710/70的全寿命周期成本计算，这样可以更有效的验证算法。

（1）一次投资成本

两种炭纤维复合芯导线的输电线路的一次投资成本如表1所示[4]。

（2）运行损耗成本

假设年利用小时数为4000 h(损耗小时数2400 h)，电价为0.3元/kWh，则运行损耗费用如表2所示。

表1 导线一次投资成本Tab.1 Investment cost of line

表2 导线运行损耗成本Tab.2 Line operating loss cost

（3）运行维护成本

比例系数因子为=1.4%μ[11]，则运行维护成本如表3所示，含维护人工、材料、工具及备件几个方面。

（4）故障损失成本

计算故障损失时，假设各种导线年故障时间相同，故障后维修费用相同。

表3 导线运行维护成本Tab.3 Operation and maintenance cost

采用平均电价折算倍数法对线路故障引起的停电直接费用进行计算，500 kV线路的输送功率为1150 MW，平均电价选为0.3元/kWh,线路发生的年故障数根据相关的资料进行估算。

综合考虑，500 kV输电线路跳闸事故率确定为0.6/100 km*a，计算得到全线的年λ＝0.69次。

采用如下公式计算单位期望缺供电量：

社会影响因数对于500kV线路，固定取100万元/每次，线路平均修复时间取0.5小时，平均修复成本取50万元，这样，根据前面的讨论,故障损失的计算的结果如下：

按照此故障模型，计算得到500kV年故障损失费用为116万元。

（5）退役成本

线路退役时，其施工投入也非常巨大，考虑到可以回收电缆、塔材等设备，因此，将其固定为全寿命周期成本的2%。

假设线路工程寿命为30年，由于通货膨胀率和年利率对各导线的成本费用由相同的影响，故不考虑其影响。则可以得到三种导线的工程全寿命周期成本，如表4所示(单位：万元/千米)。

表4 全寿命周期成本汇总表Tab.4 Life cycle cost summary

可以看出不同类型的导线，工艺性能越好的导线，一次投资成本越高，但是损耗越小，并且随着时间的累积，主要的成本差异体现在运行损耗上。

4 结论

在输变电工程的全寿命周期成本设计中，从设计阶段不但要考虑线路各组成部分的一次投资成本，而且要充分考虑工程特点及降低运行损耗、维护费用的要求，新材料、新工艺以及新方法的出现，计算机模拟仿真技术的普遍应用，为实现设计创新提供了可能，而新材料、新工艺的应用是相辅相成的，只有集成应用才能充分发挥效益，而全寿命周期成本可以成为这些新方法的量化指标。

为了更加充分的分析炭纤维复合芯导线这类新材料、新工艺的综合效益，本文给出了以其为输电导线的全寿命周期成本评估模型，可以看出不同类型的导线，工艺性能越好的导线，一次投资成本越高，但是损耗越小，并且随着时间的累积，主要的成本差异体现在运行损耗上，为碳纤维复合芯导线的大规模应用提供理论支撑。

[1] 尤传永. 增容导线在架空输电线路上的应用研究[J]. 电力设备, 2006, 7(10): 1-7.

[2] 鞠彦忠, 李秋晨, 孟亚男. 碳纤维复合芯导线与传统导线的比较研究[J]. 华东电力, 2011, 39(7): 1191-1194.

[3] 姜文东, 张勇. 碳纤维复合芯导线在线路增容工程中的应用[J]. 华东电力, 2009, 37(3): 418-421.

[4] 杨长龙, 田超凯, 王志伟, 等. 碳纤维复合芯导线全寿命周期年费用法的选型研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2015(11): 59-63.

[5] 郎斌. 输变电设备全寿命周期成本优化研究[D]. 华北电力大学(北京), 2008.

[6] 孙宝峰. 输变电设备全寿命周期成本优化[J]. 硅谷, 2009(5).

[7] 宋宛净. 变电工程全寿命周期成本优化方法研究[D]. 湖南大学, 2013.

[8] 刘振亚.《国家电网公司输变电工程典型设计: 2005年版: 330 kV输电线路分册》[M]. 中国电力出版社, 2005年

[9] 陈晓, 王建兴, 臧宝锋. 城市电网用户停电损失及其估算方法的研究[J]. 昆明理工大学学报(理工版), 2003, 28(1): 53-56.

[10] 刘振亚.《国家电网公司输变电工程典型设计:2005年版:330kV输电线路分册》[M]. 中国电力出版社, 2005年.

[11] 刘汉生, 刘剑, 李俊娥, 等. 基于全寿命周期成本评估的特高压直流输电线路导线选型[J]. 高电压技术, 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

张绍辉(1972年)，男河南郏县人，工学学士，高级工程师，从事电力生产管理工作；李宏伟(1966年)，男，河南商丘人，学士学位，高级工程师，现从事电力设备运检工作；赵明(1985年)，男，河南安阳人，工程师，工学学士，从事输电线路运行与检修工作；高峰(1985年)男，河南郑州人，工程师，工学硕士，从事输电线路运维工作。

张绍辉。

本文著录格式：张绍辉，李宏伟，赵明，等. 炭纤维复合芯导线的全寿命周期成本评估系统[J]. 软件，2017，38（5）：125-128