基于全寿命周期的配电装置选型研究

南京电力设计研究院有限公司 吕梦婕 张 彪

变电站全寿命周期成本管理（Life Cycle Cost，LCC），是指在满足可靠性的前提下全面考虑其寿命周期（包括从项目前期、工程建设直至退运在内的全部程）综合利益的一种管理理念。从工程项目的整体性出发，反映项目全寿命周期的要求，不仅包括建设期的目标，更注重项目的运行阶段，突出项目管理的整体效率和效益，有助于提高工程建设质量和效率。全寿命周期管理通过统筹规划、建设、生产、运行、退役等各环节，在确保工程规划合理、工程优质、生产安全、运行可靠的前提下，将整体成本最优作为管控目标。变电站配电装置型式多种多样，目前经济发达地区城市中心区域的110kV和220kV变电站已多采用全户内布置形式，而城市郊区或土地供应充足地区的变电站仍采用户外布置形式，可选配电装置型式较多。

1 配电装置选型方案

某220kV变电站终期规模为2×120MVA主变，220/66/10kV电压等级。220kV出线规模：终期8回出线，本期3回出线，采用双母线接线形式，架空出线；66kV出线规模：终期20回出线，本期12回出线，终期及本期均采用单母线分段接线，架空出线；10kV用于布置无功补偿装置及站用变。

该220kV变电站位于西北某严寒地区，除10kV开关柜采用户内布置方案外，其余配电装置均采用户外布置形式。站址地形平坦四周空旷，变电站总平面布置可不受地形限制。综合考虑各方面因素，提出了三种设备选型方案：220kV和66kV配电装置采用户外敞开式设备（AIS），220kV和66kV母线采用架空管母线；220kV和66kV配电装置采用户外HGIS设备，220kV和66kV母线采用架空管母线；220kV和66kV配电装置采用户外敞开式设备（AIS），220kV和66kV母线采用气体绝缘封闭母线（GIB）。

方案一设备造价低但占地面积大，受环境条件影响严重，故障率高；方案二设备造价高但占地面积小，安装维护方便，抗震能力强；方案三设备造价居中，占地面积与方案二相近，主要优点是扩建过程中相对于敞开式母线停电时间短，但没有克服AIS设备故障率高的缺点[1]。

2 全寿命周期成本管理LCC

2.1 应用LCC成本最优法进行比选的原则

该220kV变电站三个方案的本期投资差异可通过常规技术经济计算得出，但在安装施工周期、设备适用性、可维护性、可扩展性、易操作性等方面的差异则需要应用LCC的方法加以论证，最终将各项成本与残值相加综合，给出各方案的全寿命周期成本。所有方案均按照最终规模进行LCC成本分析，考虑到三个方案的10kV配电装置规模一致、在全寿命周期成本分析中不再考虑，仅考虑220kV、66kV配电装置的全寿命周期成本。

2.2 LCC成本最优法介绍

变电站全寿命周期成本LCC计算模型为：LCC=CI+CO+CM+CF+CD，式中LCC为全寿命周期成本；CI为初始投资成本，包括设计成本、设备采购成本、施工安装成本；CO为运行成本，包括设备损耗、运行人员培训成本等；CM为检修维护成本；CF为故障成本，包括停电损失、社会影响损失等；CD为废弃成本[2]。

初始投资成本。变电站的初始投资指的是从工程设备采购开始到工程竣工验收为止工程建设的所有费用[3]：CI=Cbuy+Cinstall+Ctrans，式中Cbuy为购置费用，Cinstall为安装费用，Ctrans为运输费用，根据国网电力建设工程概算定额，取购置费用的7%。

运行成本。运行维护费用主要包括变电站投运后设备的能耗费用：，式中Co&m（t）为年维护费用，根据年国网电力建设工程概算定额，对于HGIS取购置费用的1.5%，对于AIS取购置费用的4.2%，对于AIS+GIB方案，参考AIS方案取购置费的2.5%较为合理。寿命期限（T）HGIS取40年，AIS取30年。根据国家发改委规定，折现率λ取9%。

检修维护成本。检修维护可分为周期性检修和状态检修，其中状态检修主要是通过对电气设备的测试、分析和判断、诊断发现设备运行异常及缺陷[4]，在故障成本中将会考虑到。检修维护成本主要计算周期性的检修费用：CM=Cdm+Cgenm+Cinspm，式中Cdm为解体检修费用，Cgenm为定期预防性检修费用，Cinspm为日常巡视检查费用。

故障成本。又可称为中断供电损失成本，分可修复故障和不可修复故障两类，对于不可修复故障本期暂不做考虑。对于可修复故障，设备每次故障维修后一般都不能完全恢复状态，寿命分布参数可能发生改变。故障成本可表示为CF=∂WT+λ×CR×MTTR，式中∂WT为断电成本，λ×CR×MTTR为修复成本，其中λ为设备平均故障率，CR为设备平均修复成本，MTTR为设备平均修复时间。

报废成本。也即设备的退役处置成本，这里只考虑设备的残值，其计算可表示为，式中Cdisp为设备退役残值，取购置费的5%。

3 全寿命周期成本比较

3.1 各方案设备材料统计

通过主接线优化，取消了220kV、66kV出线侧和主变侧隔离开关，保留接地开关。当采用罐式断路器时，间隔内电流互感器采用套管CT。分别对AIS方案、HGIS方案、AIS+GIB方案所需的主要设备材料进行统计，结果如下。

AIS方案。220kV设备所需材料：11台SF6罐式断路器(附安装支架)、2组隔离开关（双柱水平旋转式，双接地、附安装支架）、12组隔离开关（单臂垂直伸缩式，单接地、附安装支架）、10组隔离开关（单臂垂直伸缩式，不接地、附安装支架）、8台单相电容式电压互感器（线路型）、6台单相电容式电压互感器（母线型）、6台单相金属氧化物避雷器、10台带电显示器、10台接地开关、3.7吨铝镁硅管母线及固定金具；66kV设备所需材料：23台SF6罐式断路器(附安装支架)、2组隔离开关（双柱水平旋转式，双接地、附安装支架）、24组隔离开关（单臂垂直伸缩式，单接地、附安装支架）、6台单相电容式电压互感器（母线型）、6台单相金属氧化物避雷器、22台带电显示器、22台接地开关、1.9吨铝镁硅管母线及固定金具。

HGIS方案。220kV设备所需材料：8套架空出线间隔、2套母线设备间隔（无断路器）、2套主变进线间隔、1套母联间隔、3.7吨铝镁硅管母线及固定金具；66kV设备所需材料：20套架空出线间隔、2套母线设备间隔（无断路器）、2套主变进线间隔、1套母联间隔、1.9吨铝镁硅管母线及固定金具。

AIS+GIB方案。220kV设备所需材料：11套SF6罐式断路器（附安装支架）、2组母线PT间隔（采用GIS）、10组接地开关、8台电容式电压互感器（单相、出线）、10台带电显示器、6个间隔的气体封闭母线单元；66kV设备所需的材料：23套SF6罐式断路器（附安装支架）、2组母线PT间隔（采用GIS）、22组接地开关、22台带电显示器、13个间隔的气体封闭母线单元。

3.2 全寿命周期成本LCC计算参数

220kV HGIS、220k管 母、66kV HGIS和66k管母的使用寿命均为40年、运行费率均为0.015；220kV AIS和66kV AIS的使用寿命均为30年、运行费率均为0.042，220kV AIS+GIB和66kV AIS+GIB的使用寿命均为30年、运行费率均为0.025。各方案设备价格参考如下，设备残值取CI的5%。

220kV各设备CI（万元）、安装费（万元）分别为：HGIS1114/20.8、管母1.47/0.01，66kV分别为846.2/23.75、1.47/0.01；220kV AIS各 设 备CI（万元）、安装费（万元）分别为：罐式断路器530.2/7.92、隔离开关14.4/0.62、隔离开关68.4/3.72、隔离开关49/3.1、线路电压互感器13.6/0.84、母线电压互感器10.2/3.36、金属氧化物避雷器4.2/1.44、带电显示器6/0.5、接地开关36/3.1、铝镁硅管母线及固定金具1.47/0.01，66kV AIS分别为506/10.12、64.8/3.84、6.6/0.32、28.6/3.52、9.6/0.462、1.86/0.78、13.2/1.1、0.76/0.01；220kV AIS+GIB各 设备CI（万元）、安装费（万元）分别为：罐式断路器530.2/7.92、220kV母线PT92/3.2、接地开关50/3.1、电容式PT13.6/1.12、带电显示器6/0.5、气体绝缘封闭母线420/9.6，66kV AIS+GIB分别为391/10.12、68/1.9、13.2/1.1、66/3.52、299/ 12.35。

3.3 全寿命周期成本计算

3.3.1 初始投资CI计算

HGIS方案CI=（1115.47+20.81+1115.47×7%）+（847.67+23.76+847.67×7%）=2145.13（万元），AIS方案CI=（733.47+24.61+733.47×7%）+（631.42 +20.152+631.42×7%）=1505.19（万元），AIS+GIB方案CI=（1111.8+25.44+1111.8×7%）+（837.2+28.99+837.2×7%）=2139.86（万元）。由计算结果可知，HGIS设备购置费用高于两外两种方案。考虑到近年来国网公司设备集中采购，严控设备招标管理及设备价格普遍下降等综合因素，目前HGIS设备和AIS设备的购置费用差距已明显减小。以本工程而言，HGIS在设备购置费上高出AIS设备27.8%，但占地面积较AIS方案明显减小，辅助生产工程等费用相应减小。

3.3.2 运行费用CO

3.3.3 检修维护成本CM

根据资料搜集，同类变电设备的检修周期在一个合理的时间区间内。各设备检修费用如下。

220kV设备的解体检修费用：HGIS为4万元/间隔，AIS断路器为2万元/台，AIS隔离开关为0.8万元/台，AIS电压互感器和电流互感器均为1.2万元/台，GIB气体绝缘封闭母线和封闭母线PT均为4万元/间隔；66kV设备的解体检修费用：HGIS为2.2万元/间隔，AIS断路器为1万元/台，AIS隔离开关为0.5万元/台，AIS电压互感器和电流互感器均为1万元/台，GIB气体绝缘封闭母线和封闭母线PT均为2.2万元/间隔。

220kV设备的定期体检修费用：HGIS为0.6万元/间隔，铝镁硅管母为0.05万元，AIS断路器为0.6万元/台，AIS隔离开关为0.3万元/台，AIS电压互感器和电流互感器均为0.2万元/台，GIB气体绝缘封闭母线和封闭母线PT均为0.6万元/间隔；66kV设备的定期体检修费用：HGIS为0.4万元/间隔，铝镁硅管母为0.05万元，AIS断路器为0.4万元/台，AIS隔离开关、电压互感器和电流互感器均为0.2万元/台，GIB气体绝缘封闭母线和封闭母线PT均为0.4万元/间隔。

经计算，各方案检修维护成本如表1。可知HGIS设备检修维护成本最低，AIS设备最高，AIS+GIB方案由于采用GIB母线，减少了主母线的停电时间，也减少了停电带来的检修维护成本。

表1 检修维护成本（折算至全寿命周期）

3.3.4 故障成本CF

据搜集到的统计数据，HGIS设备故障率只有AIS设备的10～40%，但HGIS设备故障后的平均检修时间较长。不同种类设备5年平均设备可靠性数据分别为：三种方案的平均修复成本均为2万元/小时；HGIS设备的LCC为40年，平均故障率为1.8（220kV）和1（66kV）次/百间隔年，平均修复时间为6.5（220kV）和5（66kV）小时；AIS设备的LCC为30年，平均故障率为6.6（220kV）和5（66kV）次/百间隔年，平均修复时间为14（220kV）和8（66kV）小时；AIS+GIB设备的LCC为30年，平均故障率为2.34（220kV）和1.3（66kV）次/百间隔年，平均修复时间为8（220kV）和6（66kV）小时。将上述数据代入公式，得到HGIS年平均故障检修费用为5.54万元，AIS年平均故障检修费用40.02万元，AIS+GIB年平均故障检修费用为8.77万元。将费用折算成现值，则分别为59.61万元、411.01万元和90.07万元。

针对断电成本∂WT，综合间隔故障率和平均修复时间数据，三种方案的年平均中断供电负荷W取1500MVA，电费平均收益∂取9.0元/kWh（为全国平均每度电创造GDP），年平均断电小时数T分别取0.001h和0.005h（由于GIB母线故障率低，因此仅考虑AIS设备故障停电，AIS方案和AIS+GIB方案近似相等），则HGIS方案断电成本为1.35万元，AIS和AIS+GIB方案断电成本为6.75万元。折算至现值则分别为14.53万元和69.32万元。综上所述，三种方案的故障成本分别为74.14万元、480.33万元和159.39万元。

3.3.5 报废成本

HGIS方 案CD=-2145.13×0.05/1.0940=-3.41（万 元），AIS方 案CD=-1505.19×0.05/1.0930=-5.67（万元），AIS+GIB方案CD=-2139.86×0.05/1.0930=-8.06（万元）。

3.3.6 其他成本

除上述计算的各项成本外，变电站全寿命周期成本内还应该包括土地成本、土建费用等。配电装置占地面积：HGIS方案为3254㎡，AIS方案为6120㎡，AIS+GIB方案为3069㎡；构支架购置费及其基础费用：HGIS方案为152.5万元，AIS方案为288.9万元，AIS+GIB方案为103.2万元；设备支架及其基础费用：HGIS方案为26万元，AIS方案为122万元，AIS+GIB方案为81万元；场地费用：HGIS方案为181万元，AIS方案为340万元，AIS+GIB方案为99万元。

3.3.7 全寿命周期成本

综上所述，三种方案的全寿命周期初始投资成本、运行成本、检修维护成本、故障成本、报废成本、土建成本、LCC分别为：HGIS2145.13/346.22/127.2/74.14/-3.41/359.5/3048.78；AIS1505.19/649.25/392.8/480.33/-5.67/750.9/3772.8；AIS+GIB2139.86/549.61/225.59/ 159.39/-8.06/283.2/3349.59。可知HGIS方案40年全寿命周期成本为3048.78万元，AIS方案30年全寿命周期成本为3772.8万元，AIS+GIB方案30年全寿命周期成本为3349.59万元，即HGIS方案使用寿命比其他两种方案多10年，全寿命周期成本最低，比其他两种方案的全寿命周期成本分别少724.02万元和300.81万元，分别占HGIS全寿命周期成本的23.7%和9.9%。

从各分项看，HGIS与AIS+GIB方案初始投资基本相同，比AIS方案高出639.94万元，设备购置费较高。但HGIS运行成本、检修维护成本均较低，特别是故障成本只有AIS方案15.4%和AIS+GIB方案46.5%，这是由于AIS设备受风吹雨淋等恶劣环境影响很大，故障率和检修成本均很高。在土建费用方面，HGIS方案占地面积小、设备支架少、基础制作简单，费用也相对AIS方案低。

综上，变电站配电装置型式的选择应综合考虑地理环境条件、施工安装、运行和检修的需求等因素，通过经济技术比较合理选择。HGIS方案全寿命周期成本最低，适用于土地成本和人力成本较高、供电可靠性要求高、自然环境恶劣地区；AIS方案全寿命周期成本最高但初始投资低，适用于投资资金相对较少、土地成本和人力成本较低、自然环境相对较好的地区，若受站址条件所限或有其他特殊要求，经经济技术综合比较后也可采用AIS+GIB方案。