輸電線路全壽命周期成本設計

郭峰，文凱，李廣福

（福建省電力勘測設計院，福州市，350003）

0 引言

全壽命周期成本（life cycle costs，LCC）管理，是指從設備、項目的長期經濟效益出發，全面考慮設備、項目或系統的規劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新，直至報廢的全過程，即從整個項目生命周期出發進行考慮，側重于從項目決策、設計、施工、運行維護等各階段全部造價的確定與控制，使LCC最小的一種管理理念和方法[1-2]。LCC管理核心內容是對設備、項目或系統的LCC進行分析，并進行決策[3]。

LCC最早起源于瑞典的鐵路系統（1904年）[4]，在1947年美國創立的價值分析法才將LCC的概念用于技術經濟分析[5]。1987年LCC技術傳入我國，并建立了LCC委員會。

隨著我國對LCC工作的不斷重視，LCC也漸漸地應用到了中國的電力系統當中。國家電網公司提出了“資源節約型、環境友好型”，以及“建設工程全壽命周期管理”的先進理念。上海市電力系統舉辦LCC學習培訓班，開展了泰和站GIS裝備LCC模型與計算[6]。采用LCC分析方法優化輸電線路的投資和運行維護費用，具有重大的經濟價值。這是對以前我國電力行業普遍采用的全過程工程造價管理流程（只把從工程項目開始到竣工決算完成為止的過程納入造價管理[7]）的重大改革，避免了工程項目的建設和運營與維護相割裂的局面，將形成一個閉環的成本控制過程。

1 輸電線路LCC的計算方法

1.1 費用現值比較法

費用現值（CP）比較法實際上是凈現值法的1個特例。凈現值是指把項目計算期內各年的凈現金流量，按照1個指定的折現率折算到建設初期（即項目計算期第1年年初）的現值之和。費用現值的含義是指利用此方法計算出的凈現值只包括費用（即支出）部分（各方案收益視為相同）。對各備選方案的CP進行對比，以CP較低的方案為最佳。其計算表達式為

式中：Cp為費用現值；F為終值，其含義是指初期投入或產出的資金轉換為計算期末的期終值，即期末本利和的價值；t為計息次數，即壽命期；P為現值，表示建設初期的投資額或折算到建設初期的金額；Ct為壽命期（包括建設期及運行期）內各年度的費用支出；ic為折現率[8]。

1.2 年費用比較法

年費用比較法是指通過資金時間價值的計算，將項目的凈現值換算為項目計算期內各備選方案各年的等額年費用Ca，并進行比較，以年費用較低的方案為最佳方案的一種方法。其表達式[8]為

2 輸電線路LCC的組成

（1）一次投資成本（investment costs，IC）。IC指在輸電線路正式投入運行以前，所付出的一次性成本，包括：導線、地線、絕緣子、桿塔、基礎、房屋拆遷、工廠、采石場、各種企業等補償成本、林木砍伐成本、人工費和運輸成本以及其他輔助設備成本等。

（2）運行成本（operation costs，OC）。OC指輸電線路運行期間所花費的一切費用的總和，包括：能耗費、人工費、環境費用、維護保養費以及其他費用。

（3）故障引起的中斷供電損失成本（failure costs，FC）。FC指在故障發生后中斷供電造成的損失。

（4）工期變化引起的時間成本（time costs，TC）。一般方案LCC分析中對TC作簡化處理，認為各比選方案的TC相同，即TC不影響最終的比選結果，故在LCC分析中將其省略，但在實際LCC成本中應該計及TC費用。

（5）報廢成本（discard costs，DC）。DC指工程壽命周期結束后，清理、銷毀該工程所需支付的費用。部分設備還具有殘值，可以沖銷有關的費用，這種報廢成本應為負值。

因此輸電線路壽命周期成本為：

由于成本發生在不同的年份，式（3）中的費用都需要用費用現值或年費用法折算后才能比較。

3 輸電線路LCC計算步驟

從輸電線路LCC組成看，LCC的計算方法需大量詳細、真實、可靠的數據支持，為此必須掌握有關設備、維護、檢修等費用的歷史數據。由于輸電線路LCC研究還處于起步、探討階段，相關數據的收集、整理有待生產、管理中總結、深化和完善。

在缺乏部分數據的現狀下，輸電線路LCC的計算可作以下的簡化處理：允許不考慮共同擁有的費用。盡管LCC是產品一生費用的總和，但LCC技術的目標并不是全面、完整、準確地計算費用，而是通過計算各方案間LCC的差別，為選擇最佳方案提供決策依據，即LCC技術更重要的作用是方案優選。借用LCC技術對“已支費用”的解釋，通過不考慮“各方案所共同擁有的費用”來簡化優選的過程。

輸電線路方案的全壽命周期評估的步驟如下：

（1）收資，確定待選的可行性方案。

（2）導、地線LCC估算比較，選擇導、地線型號。

（3）絕緣子LCC估算比較，選擇絕緣子及組裝型式方案。

（4）桿塔、基礎LCC估算比較，選擇桿塔、基礎方案型式。

（5）路徑方案LCC估算比較，選擇路徑方案。

……

（N）工程的總體評價。

4 工程設計方案的LCC計算分析

4.1 計算條件

以某500 kV交流輸電線路工程為例，具體進行輸電線路各設計方案的LCC計算分析。本工程為500 kV雙回交流輸電線路，線路長約115 km，基本風速Vmax=28.5m/s，覆冰厚度C=10mm。全線海拔高程150～600m，導線采用4×400mm2，分裂間距450mm。本工程在設計方案LCC計算分析時，參考了當地運行線路的相關經驗數據，輸電線路主要部件（鐵塔、基礎、絕緣子、導線、金具等）經濟壽命的經驗數值如表1所示。如無特殊說明，計算中線路主要部件均采用如上壽命期。本工程的壽命期按40年考慮。

表1 經濟壽命期Tab.1 Economic life period a

4.2 導線LCC計算分析

導線的選擇[9-10]是線路設計的重要環節。據統計，在高壓輸電線路中，由于采用分裂導線，使得導線的投資在整個線路建設中的本體中占有約30％的比例，因此，合理的導線選型可以減少工程造價。

4.2.1 導線LCC計算

經過電氣和機械性能的校驗，得到滿足本工程設計條件的導線型號有3種：LGJ-400/35鋼芯鋁絞線、JL/LB20A-400/35鋼芯鋁包鋼絞線、ACSS-400/50節能軟鋁導線，導線參數如表2所示。

導線運行參數[11-14]如表3所示，單位電暈損耗值按雙回路逆相序排列計算，單位電阻損耗的計算條件為：環溫20℃，功率因數0.95，線路最大負荷利用小時數6 500 h，對應損耗小時數為5 000 h。3種導線在不同輸送功率下的LCC以及各導線的LCC差值列于表4中（以ACSS-400/50為比較基準）。

表2 備選導線參數Tab.2 Alternative wire parameters

表3 備選導線運行參數Tab.3 Alternative wire operating parameters

表4 LCC年費用比較Tab.4 Comparison of annual LCC 萬元//（km·a）

以上計算中考慮各種導線的故障費用基本相同，對各種導線的LCC費用比較不起關鍵作用，故全部設為零值。各種導線的環境效益也未列入上述計算。

4.2.2 導線LCC分析

（1）隨著輸送容量的增加，各種導線的運行費用明顯增加，各種導線的LCC費用也明顯增加。

（2）導線的LCC成本中運行費用占很大比例，約為90％，而一次投資成本和回收成本所占的比例都很小，這說明在導線的選型中不能將一次投資成本作為主要選型依據，而應該將運行成本作為導線選型的關鍵。

（3）導線ACSS-400/50的LCC成本最低，以輸送功率2×1 150MW時為例，導線ACSS-400/50的LCC成本僅為66.32萬元/（km·a），而導線4×LGJ-400/35、4×JL/LB20A-400/35的LCC成本比導線ACSS-400/50分別高出3.44、2.27萬元/（km·a）。在導線經濟壽命期內，ACSS-400/50導線比LGJ-400/35導線的LCC成本節省1.180 8億元。

軟鋁導線在國內已有110～500 kV線路工程應用的實例，目前價格約為同規格普通鋼芯鋁絞線的1.4倍，隨著推廣應用，價格必將逐步降低，其LCC成本節省更加顯著。

4.3 絕緣子LCC計算分析

與絕緣子選型關系最密切的是污閃事故率及跳閘率。從瓷、玻璃及復合絕緣子的電氣性能及事故類型來看，當3種材質的絕緣子串長度相等（或基本相等）時，三者的雷害及鳥害事故并無明顯差異，但三者發生污閃事故和影響的程度卻有顯著不同。

4.3.1 絕緣子LCC計算

故障停電損失費：瓷或玻璃絕緣子故障率按GB/T 16434—1996《高壓架空線路和發電廠、變電所環境污區分級及外絕緣選擇標準》附錄B推薦的500 kV線路污閃事故率0.021 7次/（100 km·a）考慮，停電時間按10 h計，電力損失按1 100MW計，電價按0.5元/（kW·h）計。計劃內清掃、檢測不計停電損失費。

清掃、檢測費：瓷絕緣子清掃、檢測費按2萬元/（100 km·a）計，更換零值瓷絕緣子按2萬元/（100 km·a）計，玻璃絕緣子清掃費按2 000元/（100 km·a）計，更換自爆玻璃絕緣子按1.5萬元/（100 km·a）計，復合絕緣子在運行期內不需清掃、檢測，故無清掃、檢測費。

本工程的污區劃分如表5所示。

表5 污區劃分Tab.5 Pollution classifica ation

（1）II級污穢區懸垂絕緣子LCC比較。由表5可知本工程II級污穢區直線塔共171基，以下計算中玻璃絕緣子采用單聯31片160 kN級FC160P/155耐污型；瓷絕緣子采用單聯31片160 kN級XWP3-160雙傘型；復合絕緣子采用單聯210 kN級FXBW 1-500/ 210型復合絕緣子。II級污穢區懸垂絕緣子的LCC比較如表6所示。

（2）III級污穢區懸垂絕緣子LCC比較。由表5可知本工程III級污穢區直線塔共56基，以下計算中玻璃絕緣子采用單聯36片160 kN級FC160P/155耐污型；瓷絕緣子采用單聯30片160 kN級XSP2-160三傘型；復合絕緣子采用單聯210 kN級FXBW 4-500/ 210型復合絕緣子。III級污穢區懸垂絕緣子的LCC比較如表7。

（3）雙回路耐張塔的不同污區耐張絕緣子LCC費用比較如表8所示。由表5可知本工程II級污穢區耐張塔共12基，III級污穢區耐張塔共13基。

考慮耐張絕緣子張力偏大，可能加速復合絕緣子芯棒老化，同時結合目前國內500 kV耐張絕緣子的實際運行經驗，均采用玻璃絕緣子和瓷絕緣子，而不傾向于復合絕緣子，所以比選方案中沒有將復合絕緣子列入比選。II級污穢區玻璃絕緣子采用雙聯28片FC300/195普通型，瓷絕緣子采用雙聯28片XP-300普通型；III級污穢區玻璃絕緣子采用雙聯28片FC300P/195耐污型，瓷絕緣子采用雙聯30片XP-300普通型。

表6 Ⅱ級污穢區懸垂絕緣子的LCC比較Tab.6 LCC comparison of insulator string in II polluted area 萬元/a

表7 Ⅲ級污穢區懸垂絕緣子的LCC比較Tab.7 LCC comparison of insulator string in III polluted area萬元/a

表8 耐張絕緣子LCC比較Tab.8 LCC comparison of strain insulator 萬元/a

4.3.2 絕緣子LCC分析

（1）由表6可以看出，本工程II級污穢區懸垂絕緣子LCC中，瓷絕緣子僅為59.15萬元/a，而復合絕緣子和玻璃絕緣子的LCC分別比瓷絕緣子高出14.24、64.08萬元/a。在本工程壽命期內，II級污穢區懸垂絕緣子采用瓷絕緣子將比復合絕緣子和玻璃絕緣子分別節省569.6、2 563.2萬元。故本工程II級污穢區懸垂絕緣子推薦采用瓷絕緣子。

（2）由表7可以看出，本工程III級污穢區懸垂絕緣子LCC成本中，復合絕緣子僅為21.84萬元/a，而瓷絕緣子和玻璃絕緣子的LCC分別比復合絕緣子高出3.38、25.95萬元/a。在本工程壽命期內，III級污穢區懸垂絕緣子采用復合絕緣子將比采用瓷絕緣子和玻璃絕緣子分別節省135.2、1 038萬元。故本工程III級污穢區懸垂絕緣子推薦采用復合絕緣子。

（3）由表8可以看出，本工程II、III級污穢區耐張絕緣子LCC成本中，瓷絕緣子僅為22.27、26.21萬元/a，而玻璃絕緣子的LCC比瓷絕緣子分別高出19.77、22.48萬元/a。在本工程壽命期內，II、III級污穢區耐張絕緣子采用瓷絕緣子將比采用玻璃絕緣子分別節省790.8、899.2萬元。故本工程II、III級污穢區耐張絕緣子推薦采用瓷絕緣子。

4.4 直線塔LCC計算分析

在覆冰地區，目前國內雙回路直線塔大致有2種常見型式：I-I-I鼓型塔，V-V-V鼓型塔。根據本工程氣象條件和規程規定的覆冰條件下導地線布置特點，新設計了V-I-V鼓型塔和I-V-I腰型塔。不同桿塔型式導致了絕緣子串組裝型式的不同，而不同絕緣子串組裝型式不但在風偏搖擺、緣子串受壓、電壓分布、均壓屏蔽、故障概率、運行維護等方面存在一定的差異，還會直接在鐵塔塔頭布置、走廊寬度、線路拆遷、林木砍伐、土地占用、企業補償范圍等方面產生不同的影響，因而直接影響到工程本體造價。

4.4.1 直線塔LCC計算

4種雙回路直線塔相關計算指標如表9所示。表9中的參數中桿塔單基質量取各系列塔型中的II型塔參數（繪圖質量），走廊寬度按相應塔型強制拆遷范圍考慮，即邊線寬加上5m，塔材均采用Q345鍍鋅鋼作為主材。采用II級污穢區絕緣子相關配置，桿塔數量取2.2基/km，走廊補償成本按150元/m2計。4種雙回路直線塔的LCC計算結果如表10所示。絕緣子運行維護費用按表6中II級污穢區懸垂絕緣子中瓷絕緣子的費用總值折合成相應每公里費用值。由于絕緣子采用相同型號，其污閃事故率大致相同（即0.16）。上述直線桿塔型式的走廊補償成本均按表9的走廊寬度計算相應費用（折成年值）。

表9 塔型相關參數Tab.9 Tower type parameters

表10 桿塔型式的LCC比較Tab.10 LCC comparison of tower type萬元//（km·a）

4.4.2 直線塔LCC分析

（1）由表10可以看出，雙回路直線塔采用I-V-I腰型塔時LCC年費用僅為38.95萬元/（km·a），而I-I-I鼓形塔、V-V-V鼓形塔、V-I-V鼓形塔的LCC比I-V-I腰型塔的LCC年費用分別高出3.8、1.79、1.53萬元/（km·a）。在桿塔經濟壽命期內，采用I-V-I腰型塔比采用I-I-I鼓形塔、V-V-V鼓形塔、V-I-V鼓形塔分別節省2.173 9、1.024、0.875 3億元。故本工程雙回路直線塔推薦采用I-V-I腰型塔，相應的絕緣子串組合型式為I-V-I組裝型式。

（2）LCC年費用計算過程中，走廊補償成本充分結合相似線路的補償成本，同時詳細考慮了工程沿線的補償項目及標準，但由于涉及補償和青賠部分的不確定性，其LCC補償費用應該略有出入。

（3）對比4種塔型的LCC年費用組成可以看出，各種塔型的LCC費用中走廊補償成本都占較大比例，桿塔費用也占一定的比例。

4.5 基礎LCC計算分析

基礎作為輸電線路的重要組成部分，其設計的優劣直接影響整個線路工程的造價、工期和勞動消耗量。選擇合理的桿塔基礎型式，優化桿塔基礎設計，不僅可以降低工程投資，而且對環境保護和水土保持有很大好處，對今后的安全運行及維護也是至關重要的。基礎的一次投資成本包括混凝土、鋼材、土石方費用等本體造價以及基礎的環保措施費用。

4.5.1 基礎LCC計算

本工程非凍脹區約87.98 km，其可行基礎型式及每公里的指標參數如表11所示，基礎按2.2基/km計。上述各種基礎的LCC費用計算結果如表12所示。

表11 基礎指標表Tab.11 Foundation indicators

表12 基礎型式LCC比較Tab.12 LCC comparison of foundation type 萬元//（k k m m·a a）

4.5.2 基礎LCC分析

（1）從基礎型式LCC計算結果表12可知，采用斜掏挖基礎的LCC費用最低，僅為1.55萬元/（km·a），其次為全掏挖直柱基礎和人工挖孔樁基礎，分別為1.78、1.81萬元/（km·a），斜柱板式和直柱板式基礎的LCC費用較高，分別為2.13、2.93萬元/（km·a），在本工程壽命期內，基礎型式采用斜陶挖基礎比采用斜柱板式基礎節省2 551.42萬元。故本工程非凍脹區基礎型式推薦采用斜掏挖基礎，其次采用全掏挖直柱基礎和人工挖孔樁基礎。通過相同的方法比較，本工程凍脹區推薦采用梯形斜面基礎、灌注樁基礎。

（2）基礎的環保措施費用在一次投資成本中占有一定的比例。土石方開挖及棄土處理、基面排水及生態植被護坡體現了綠色設計和綠色施工，美化與改善環境的功能十分顯著。因此在LCC計算時，將該部分列為不可或缺的部分。

4.6 路徑方案LCC計算分析

4.6.1 路徑方案LCC計算

本工程利用海拉瓦技術，進行局部路徑調整，其優化原則是：在滿足地形地貌、走廊寬度基本要求或建筑物動遷不大的前提下，進一步對線路跨越河流、鐵路、高速公路等重要交叉跨越的跨越方案及塔位分布進行優化，以便于運行維護，并降低工程造價。經過現場踏勘及海拉瓦選線結果，對原路徑方案中的局部路徑進行了調整。路徑的相關對比參數如表13所示。

表13 路徑優化參數Tab.13 Optimized parameters of path

表14 路徑方案LCC比較Tab.14 LCC comparison of path 萬元/a

本工程原路徑和優化路徑的LCC比較如表14所示。其中中斷供電損失成本包括故障檢修費用及強迫、非計劃停電損失費用，暫未考慮；人文社會環境未量化考慮；報廢成本僅考慮導線和塔材；系統輸送容量2×1 150MW，損耗小時數5 000 h，電價取0.5元/（kW·h），正常運行維修費用按1.8萬元/（km·a）。

表14中，一次投資成本包括各種設備的購買及安裝費用，由于原路徑比優化路徑長了約0.584 km，且多采用8基鐵塔（其中2基轉角塔），直接導致了可研路徑方案建設成本高于優化路徑方案。

其次，一次投資成本中還包括向沿線各級政府、居民及企事業單位等購買所需的土地和支付相應的拆遷、補償及森林砍伐成本。

再者，由于優化路徑方案長度變短了0.584 km，使得線路的運行成本得到了較大的降低，這是導致原路徑和優化路徑LCC費用差異的主要原因。

4.6.2 路徑方案LCC分析結論

由路徑方案LCC計算結果可見，優化路徑方案不僅僅在初期的一次投資成本上要小于招標方案，而且包含運行費用及報廢費用在內的全壽命周期費用也更小。采用優化路徑通道建設本工程，其全壽命周期費用將比可研路徑減少了292.6萬元/a。在壽命期內，采用優化路徑將比可研路徑節省1.170 4億元。同時路徑優化后線路長度變短，線路曲折系數降低，交通條件基本不變，鐵塔采用數量減少，檔距分布合理，塔位地形、地質條件得到改善，且交叉跨越、民房拆遷減少。所以，本工程推薦采用優化路徑方案。

5 結語

本文輸電線路LCC計算分析中只是對輸電線路主要部件進行了分析計算，其他的部件（如地線、金具、跳線串、塔材、防雷保護角等）也應以相似的方法進行LCC比選，從而從可行的方案中選出既安全可靠又經濟合理的指標。輸電線路貫徹全壽命周期理念是一種趨勢，雖然在設計中考慮了各個因素對輸電線路全壽命周期的影響，提出很多有效的措施，但這還遠遠不夠，還需在建設、運行全過程、全面、全方位貫徹全壽命理念。

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