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(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢 430071)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的提速，在城市電網(wǎng)中，電力電纜的應(yīng)用越來越廣泛[1]。

與架空導(dǎo)線相比，輸電電纜具有以下優(yōu)點：1)節(jié)約地上空間，可以敷設(shè)在多種復(fù)雜地下環(huán)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(fù)荷中心，提高電壓質(zhì)量，減少電能損耗；5)電抗值僅為架空裸導(dǎo)線的三分之一，有助于提高功率因素，增大輸送容量；6)維護(hù)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(yōu)選方案[2-3]。

輸電電纜在正常運行環(huán)境中的壽命為30年左右。然而，由于電力電纜敷設(shè)環(huán)境不盡相同，有電纜溝、排管以及隧道等型式，其使用狀態(tài)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(tài)下溫度的影響不大，但在非正常的過熱狀態(tài)下，電纜絕緣老化的速度非常快[4-6]。由于實際輸配電負(fù)荷并不恒定，負(fù)荷會不斷地調(diào)整變化，一旦電纜發(fā)生過負(fù)荷非正常運行，將會導(dǎo)致導(dǎo)體溫度的急劇上升，加速其絕緣老化，甚至發(fā)生熱擊穿。輸電電纜一旦發(fā)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(yán)重的經(jīng)濟和社會影響。研究表明，當(dāng)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(shè)計壽命的25%[7]。

隨著電纜在輸配電領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，如何保證電纜隧道的可靠通風(fēng)，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(jīng)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(yè)電纜運行期間通風(fēng)散熱費用的研究不足，提出了考慮年均投資運行維護(hù)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(fēng)散熱對電纜載流量的影響

電纜隧道內(nèi)的通風(fēng)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(fēng)速度對電纜導(dǎo)體溫度的影響規(guī)律，選取典型矩形明挖隧道2.6 m(寬)×2.9 m(高)，隧道內(nèi)敷設(shè)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(jìn)風(fēng)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(fēng)速，得出不同風(fēng)速下沿導(dǎo)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(fēng)速的變化規(guī)律如圖4所示。

圖1 不同風(fēng)速下110 kV導(dǎo)體縱向溫度分布

由圖1至圖3導(dǎo)體溫度分布結(jié)果可知，在電纜隧道通風(fēng)情況下，離進(jìn)風(fēng)口越遠(yuǎn)，導(dǎo)體的溫度越高。隨著風(fēng)速的增加，導(dǎo)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(fēng)速下220 kV導(dǎo)體縱向溫度分布

圖3 不同風(fēng)速下500 kV導(dǎo)體縱向溫度分布

圖4 不同風(fēng)速下電纜載流量

由圖4電纜載流量仿真結(jié)果可知，隨著風(fēng)速的增加，電纜載流量逐漸升高，但當(dāng)風(fēng)速超過一定值時，電纜載流量的變化趨于平穩(wěn)。當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時，相比靜止?fàn)顟B(tài)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(fēng)風(fēng)速對電纜載流量有一定提高，但是風(fēng)速越大，提升效果越不明顯。因此，控制風(fēng)速在10 m/s范圍內(nèi)較為合適，風(fēng)速大于10 m/s后，對載流量的提升很微弱。

由上述結(jié)果分析可知，通風(fēng)散熱對降低電纜導(dǎo)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(jìn)行投資選擇時，必須充分考慮電纜運行期間通風(fēng)散熱費用對整體項目經(jīng)濟性的影響。

2 年均投資運行維護(hù)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(jīng)濟性。在對項目方案進(jìn)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(xiàn)對投資經(jīng)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(jīng)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(hù)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(nèi))；λ為數(shù)列求和系數(shù)；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(yè)投資回收率或稱電力工業(yè)投資利用率；m為施工年數(shù)；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(chǎn)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(hù)費用。電能損耗費用CW主要包括電纜總損耗(含導(dǎo)體損耗、護(hù)套損耗和絕緣介質(zhì)損耗)費用和風(fēng)機通風(fēng)散熱運行費用。在計算允許范圍內(nèi)，電纜工程的設(shè)備運行維護(hù)費用可以認(rèn)為是一個定值。按照線路工程的一般評價方法，年運行維護(hù)費用λU可按照工程總投資Z乘以一定的運行維護(hù)費率進(jìn)行計算。運行維護(hù)費率一般取1.4%～1.5%，若取1.4%，則年運行維護(hù)費用計算式為

λU=0.14×Z

(5)

3 典型截面電纜經(jīng)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(nèi)徑3 m，隧道通風(fēng)長度400 m；隧道內(nèi)敷設(shè)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(fēng)風(fēng)速方案組合，進(jìn)行經(jīng)濟性比選。方案1電纜截面為2500 mm2，風(fēng)速為2.0 m/s；方案2電纜截面為2000 mm2，風(fēng)速為4.0 m/s；方案3電纜截面為1800 mm2，風(fēng)速為5.5 m/s；方案4電纜截面為1600 mm2風(fēng)速為10.0 m/s。比選方案相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 比選方案相關(guān)參數(shù)

在隧道規(guī)模已經(jīng)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(fēng)機價格。將方案1(電纜截面為2500 mm2、隧道風(fēng)速為2 m/s)作為基準(zhǔn)，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(jié)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(fēng)風(fēng)速更大，所需的風(fēng)機規(guī)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(yōu)劣，在多種電價和最大負(fù)荷利用小時情況下，計算比選方案的年均投資運行維護(hù)成本。以折現(xiàn)率8%為例，比選方案的年均投資運行維護(hù)成本對比結(jié)果如表3所示。

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

表3 比選方案的年均投資運行維護(hù)成本對比

4 結(jié) 語

上面針對電纜規(guī)劃時未考慮運行期間通風(fēng)散熱費用研究的不足，提出了考慮年均投資運行維護(hù)成本的輸電電纜選型方法。在此基礎(chǔ)上，對4種電纜截面和通風(fēng)風(fēng)速組合方案進(jìn)行了經(jīng)濟性比選，得出如下結(jié)論：

1)由于不同截面電纜本體造價的不同以及風(fēng)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(fù)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(fēng)速為10 m/s組合方案的經(jīng)濟性較好，其他情況均為電纜截面為1800 mm2和隧道風(fēng)速為5.5 m/s組合方案經(jīng)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(jīng)濟性更好的電纜截面為1800 mm2和隧道風(fēng)速為5.5 m/s組合設(shè)計方案。