考慮降損潛力及經濟性的海纜選型研究

許雯旸，王 震，唐俏俏，楊 梅，薛福霞，陳 韜

（1.國網（北京）綜合能源規劃設計研究院有限公司，北京 西城 100052；2.國網浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

近年來，在我國經濟快速發展的推動下，電網發展迅速，配電設備的分布范圍不斷擴大，高線損問題逐漸嚴重。配電網損耗在電網損耗中的占比很大，造成了較大的經濟損失。因此，節能降損受到企業和政府的高度重視。隨著以新能源為主體的新型電力系統的建設推進，風電、光伏等分布式能源接入配電網的規模不斷增長，海島區域將憑借其豐富資源成為重點發展區域，海纜敷設的規模將會大幅增加，海島區域配電網降損隨之受到更多重視。通過選擇合適的海纜型號來降低損耗是有效地措施，但是海纜的壽命一般長達25 年至30 年，期間海纜的運行、維護等工作必不可少。因此，構建海纜的全壽命周期成本模型，對于海纜選型有著重要的經濟價值。

目前，從海纜的角度出發以降低電網損耗的研究已有不少，許多學者從無功優化方面開展相關研究。海纜的接入會使得電網的充電功率大大增加，從而增加電網的損耗，針對該類問題，文獻[1]針對海纜電容問題，通過算例驗證了相對電容系數和無功補償容量之間的關系，比較了不同無功補償方式的補償效果。文獻[2]針對海纜存在的無功問題，結合補償裝置接入下不同節點處的電壓波動情況來確定最佳補償方案。文獻[3]提出利用小容量電容器和電抗器結合的方法來控制系統的無功功率以保證系統的安全穩定運行。文獻[4-6]針對海上風電場的海纜長度增加時容性無功也會相應增加的問題，通過并聯電抗器進行補償。此外，針對海纜自身的損耗問題，也有大量學者對其進行了研究，文獻[7-8]驗證了鎧裝會影響電纜損耗并通過鉛包鎧裝回路串聯電阻以降低海纜損耗。文獻[9]建立了金屬護套接地的等效模型并進行了3 種接地方式的仿真實驗，發現金屬護套接地方式對海纜損耗影響不大。

綜上所述，目前基于海纜的海島區域降損措施研究多是從無功優化的角度出發的，很少涉及到海纜的選型。因此，本文將從海底電纜的選型出發，以降低網損為目標，并在海纜選型時充分考慮其經濟性，為解決海島區域的配電網損耗問題提供合適的方案，為日后海纜工程的海纜選型奠定基礎。

1 海纜全壽命周期成本模型

海纜的選型決定了海纜的損耗，海纜的損耗不僅和周圍的海域環境有關，還和自身的結構特征有關。降損潛力最好的海纜，其安裝成本不一定最優。雖然本文主要針對的是降低損耗，但在實際的工程應用中，海纜存在著運行、維護等工作，因此僅考慮電纜所減少的損耗及其帶來的效益并不全面，應同時考慮海纜的全壽命周期成本以達到海纜選型經濟性最優。

全壽命周期成本（life cycle cost,LCC），也被稱為全壽命周期費用，是指從產品的問世到其退役期間，所有與產品相關的成本，包括產品論證成本、設計成本、生產成本、購買成本、運行成本、維修保養成本、退役后處理該產品的成本等。基于海纜敷設環境的特殊性且具有較大的損耗的特點，海纜的全壽命周期成本模型與傳統的電氣設備的模型不同，海纜的全壽命周期成本模型如式（1）所示：

式中：LHL為海纜全壽命周期成本；CGM為海纜購置成本；CFS為海纜敷設成本；CSH為海纜損耗成本；CWH為海纜運行維護成本；CHS為海纜回收凈投資成本。上述所提成本均為對應的折算后的現值，即基準年末的當年值。

海纜LCC等額年值如式（2）所示：

式中：i為海纜運行的年限；θ為貼現率。

海纜全壽命周期成本由5 部分構成，下面將對各部分成本逐一介紹。

1.1 海纜購置成本

海纜的購置費用包括電纜本體及附件的購置費、安裝調試費等。由于海纜生產工藝復雜，CGM的取值很大，占據海纜LCC的絕大部分，與導體、絕緣系統、阻水護套、鎧裝、外被層等息息相關。一般情況下，初期投資的計算方式如下：

式中：N為海纜的敷設總數；SJL為海纜的敷設長度；PGM為包含保險費、稅費等多種費用在內折合后的單根單位長度海纜的投資費用。

1.2 海纜敷設成本

海纜的敷設成本包括海纜的實際敷設費用、目標敷設地域地質檢測費用、海纜試驗費用等。

式中：PFS為基于各種敷設方法、敷設難度而定的敷設費用折合后的敷設單位長度海纜所需的費用。

1.3 海纜損耗成本

海纜的復雜的運行環境給海纜損耗成本帶來了難度，海纜損耗值可根據相關的計算公式進行計算，總的海纜損耗成本如下所示：

式中：PSH為單位長度海纜的損耗費用；ΔP為海纜損耗；PDJ為當前電價。

1.4 海纜維護成本

為了確保海纜傳輸電能的穩定性，如是否存在局部放電的現象，往往須要對其進行運行維護，但鑒于其購置成本高昂，維護成本就顯得很小，具體成本可用式（6）進行估算：

式中：PWH為每年投入的維護成本。

1.5 海纜回收成本

海纜回收包括人工設備投入費用、后續環境處理費用等，海纜回收時能回收一些海纜的殘值作為補償。海纜的回收工作較為復雜，國內的研究也較少，因此對任意海纜運行壽命末回收凈投資成本取購置成本的-5%進行計算，計算公式如下：

式中：PSH為海纜運行壽命末回收成本。

2 算例分析

以浙江某地海島區域為例，該區域電網的電壓等級為110 kV，采用的海纜型號為HYJQ41-64/110-1×630，即銅芯交聯聚乙烯絕緣鉛套防水層粗鋼絲鎧裝聚丙烯纖維外被層海底電力電纜，鎧裝材料為粗鋼絲，是目前應用范圍最廣的鎧裝材料，海纜的橫截面積為630 mm2。為了比較不同海底電纜的損耗及其相應的經濟性，現假定這4 種鎧裝方式的電纜均為單芯海纜，其工作海域、環境相同，敷設方式相同且間隔40 mm，電壓等級均為110 kV且運行在額定電壓下，其護套和鎧裝均互聯接地。

2.1 海纜損耗對比分析

鎧裝材料有銅、鋼、不銹鋼，這3 種材料對應的電阻率大不相同。其中，銅的電阻率1.75×10-8，鋼的電阻率為9.78×10-8，不銹鋼的電阻率7×10-7。銅、鋼、不銹鋼等鎧裝材料的電阻率逐漸增大且不銹鋼電阻率是銅電阻率的近40 倍。3 種鎧裝方式構成的4種海纜的結構尺寸如表1所示。

表1 110 kV海纜結構尺寸 mm

不同海纜的損耗如圖1 所示，負荷電流相同的情況下，損耗由低到高的海纜型式為型式一、型式三、型式二、型式四，即銅絲鎧裝損耗最低，不銹鋼絲鎧裝損耗最高。

圖1 不同鎧裝方式下的損耗

從某地海纜的現實分布出發，該地110 kV的海纜總長600 km，海纜的鎧裝均為鋼絲鎧裝。在達到海纜壽命周期的情況下，若將其換成銅絲鎧裝的海纜，改變鎧裝方式所降低的損耗達到18.9 W/m，則該地區可降低的總損耗約為11340 kW，若將所有電壓等級的鋼絲鎧裝海纜線路換成銅絲鎧裝，降低的損耗量將非常可觀。

2.2 海纜經濟性對比分析

根據海纜全壽命周期成本（LCC）模型，選取4 種海纜型式進行計算，海纜壽命一般為30 年，貼現率按5%考慮。根據上述某地區海島區域的現狀，假定2500 h為線路最大負荷運行小時數，該地110 kV的海纜總長600 km，選取某段線路為例進行計算，該段線路長為48.1 km。海島區域的電價一般較內陸地區昂貴，本文取0.83元/kWh。參考該地電網、該地權威機構以及查閱相關資料得到的海纜參數如表2所示。

表2 不同鎧裝類型海纜成本參數

4 類不同鎧裝方式下的海纜全壽命周期成本計算結果如表3 所示。銅絲鎧裝材料價格比鋼絲鎧裝和不銹鋼鎧裝昂貴，因此制造成本較高，購置成本也隨之增大；假設目標敷設海域相同且海纜均為單芯單回路海纜，因此其敷設成本相同；依據海島區域的現有電價，與海纜損耗進行折算，損耗成本相差并不小；鎧裝層的存在能夠讓海纜適當承受住各種機械碰撞和損傷，對于海纜維護成本來說，在其他外部條件相同的情況下，不同鎧裝層能承受的機械碰撞能力不同，銅絲的機械強度低于鋼絲，因此，銅絲鎧裝海纜的維護成本更高。

表3 4種海纜LCC計算結果 萬元

為了更直觀地看出各種海纜型式的損耗及經濟性，現將2個因素放入一張圖內，如圖2所示。

從圖2 可以看出，銅絲鎧裝海纜的單位長度電纜損耗雖然最小，有較強的降損潛力能夠滿足降損的需求，但是從工程應用方面來看，該型式海纜并不具備經濟性。型式二和型式三這兩種海纜的全壽命周期等額年值的差值雖然看起來微乎其微，但是型式三海纜的等額年值略低且其降損潛力高于型式二海纜。型式四海纜既不具備降損潛力又不具備經濟性。因此，綜合海纜的降損潛力和經濟性，單層鋼絲加回流銅絲鎧裝電纜最適合在實際工程中應用。在某地海島區域的海纜不處于壽命使用周期，須要更換時，可參考本文的計算結果。

圖2 不同型式海纜的全壽命周期等額年值

3 結束語

本文從設備選型角度出發，基于海纜敷設范圍廣，損耗量大這一事實，以海纜的降損潛力為主，海纜的經濟性為輔，綜合考慮了海纜工程中的最佳海纜選型。在研究了海纜的損耗構成的基礎上，構建了海纜的全壽命周期成本模型，從鎧裝損耗出發，以某地海島區域的部分海纜為例，對比分析不同的鎧裝方式帶來的損耗，并研究相應的全壽命周期等額年值，選取兼顧低損耗與經濟性的最優海纜鎧裝型式，為日后的海纜選型提供參考。