在当前经营环境日趋复杂和环境压力不断增加的背景下，输配电网络的全寿命周期运行成为重要的研究内容。输配电网络设施包括输配电线、电缆、变压器、输配电站和其他电力设施与设备。这些电力设施与设备不仅具有运行时间长的特点，同时还具有分布广泛，维护复杂的特点。特别是在城市，区域用电负荷大，人口密度高，功能结构复杂，对输配电网络运行的安全性、可靠性有着更高的要求。
作者：赵德应 武汉电力原副总工程师
陈一民 北京建筑大学副教授
以往，在评价电网运行时，其指标标准主要围绕着满足用电负荷、电网安全、供电质量和可靠性，以及低运行损耗等内容。对电网建设、运行维护、以及后期升级或报废处理等因素考虑不多。在对运行进行环境评估方面也往往只考虑到了电磁辐射或特殊电力设备材质(如六氟化硫SF6)等对网络区域内部及周边的人员健康可能造成的损害，对于一些常见材质的使用对环境影响评估不足。因此，对电网设施进行全寿命周期评估成为当前一个重点课题。
资产全寿命周期管理(Life Cycle Asset Management, LCAM)来源于全成本周期管理(Life Cycle Cost, LCC)是LCC管理理念的发展和丰富。全寿命周期管理是指对项目全寿命周期内各个阶段各项活动进行全面，全过程的管理。全寿命周期管理是通过一定的组织形式，采取相应的措施与方法，对项目所有工作和系统的运行过程进行计划、协调、监督、控制和总结评价，以满足项目功能和使用要求，符合可持续发展、提高投资效益的目的[1]。
全球众多输配电企业先后引入全寿命周期管理的理念去实现经济、安全和稳定的电网资产运行，并满足多方利益相关者要求，促成企业的可持续健康发展。如英国国家电网(NG)公司、法国EDF Energy公司、新加坡电力公司等多家国际知名电力公司再次领域均开展了大量研究工作。
电力输配电网络中的线缆、变压器和其他电力设备需要用到大量的金属和非金属材料。其全寿命周期过程通常包括原材料的获取、提炼、供应、加工制造、建设、运行、废料的循环与处理等多个环节。如图1所示。
在电力输配电网络中，铜材质和铝材质是电力线和电缆使用的重要材质。数据显示：2012年我国电线电缆行业用铜总量为510万吨，占国内当年用铜总量的68%，当年行业用铜量为2000年的2.83倍。国内电线电缆工业的用铜总量由2000年的180万吨增长至2012年的510万吨，平均每年增长15.3%。与此同时，国内电线电缆工业的用铝量由2000年的约60万吨发展至2012年的约230万吨，平均每年约增长23.6%。铜材质和铝材质在电气与机械性能上均有明显区别。表1给出了它们相关性能的比较。
表1. 铝与铜的性能比较(20℃)
用作导体的铝合金是在上世纪60到70年代时，由于铜价的高速攀升而开始进行广泛研究的线缆替代性导体材料。用作导体的铝合金主要有AA1000系列即纯铝，AA6000和AA8000系列导体。AA1000系列导体主要用在高压架空线;AA6000 Al-Mg-Si(铝镁硅合金)系列导体主要用在高压架空线和铝母排;这两类导体都是以硬态导体存在，接头的连接以焊接为主。AA8000 Al-Mg-Cu-Fe(铝镁铜铁合金)系列是真正用在配电线路上的软质铝合金[3]。
铝合金导线在电导率和电阻率方面与纯铝相近，因此只有采用加大截面到铜电缆的1.6倍的方法才能达到铜电缆的电气性能。铝合金这一特点导致其在北美仅仅在低压配电网络中应用，而在欧洲则没有被大范围使用。由于环境问题的压力，在欧洲发达国家，比较注重电网所使用材料的全寿命周期下的碳排放的详细的计算分析，以此评估线缆使用材料在全寿命周期下对环境产生的影响[4]。
例如，英国巴斯大学的G.P. Hammond和C.I. Jones[5]对电网中使用的不同的原材料在生产和使用过程中所包含的能耗和所包含的二氧化碳排放进行了深入的比较研究，如表2所示。可以看出，金属铝在生产和使用过程中的能耗约为铜的3倍，其所包含的二氧化碳排放是铜的2倍。
表2. 主要材料和其包含的能源和CO2排放(引自文献[5])
由此可见，对在电力电网中大量采用的电缆，选用铜作为主要电缆材料还是选用铝作为主要材料还需要详细的研究和评估。其选择标准将不仅仅需要考虑材料的初始成本、电气性能和机械性能等传统要素，还应该包括贯穿于原材料的生产、使用、维护、后期处理与循环和最终处置等各个要素，特别是要分析产品全寿命周期中的环境因素和潜在的环境影响，包括资源的利用效率，对人员的健康影响和可能带来的生态后果。由此综合评判出合适的使用电力电缆使用材料。
从配电系统维护的角度看，对铝合金电缆在城市配电网中大规模推广也应进行评估。有关专家承认，铝合金电缆在10千伏以上高压系统应用还很不成熟，主要还是在低压配电系统推广。而低压配电系统就像人体的毛细血管，延伸到城市的千家万户，与居民的生活息息相关。一个千万人口的大城市，低压线路在万公里以上，甚至达到数万公里。从主干线到分支线再到接户线，直至电表箱，网络之复杂，导线型号之多，难以想象。每年城市电网故障，80%出在低压，夏季更甚。如果要大规模推广铝合金电缆，又增加一批不同类型的导线型号，加大了故障发生的概率。供电维修部门不仅要准备各种型号铜电缆的备料和工具，还要准备各种型号铝合金电缆的备料和工具。这对供电维护抢修带来巨大的压力，给安全运行造成极大的风险。
近几年来，电网公司加大了对城乡配电网的投入，解决配电网供电能力不足、线路卡口、故障频发、终端电压低等关乎民生的重大问题。城市配网升级改造对电力电缆的需求量和投资都相当大，设备选型必须慎重。按国网公司要求，配网升级改造“要充分利用现有的存量设备，新建设备(新增或更换)要有较强的适应性。为避免造成配电网建设的重复投资，负荷快速增长区域，设备宜按最终规模进行选型和设计”。我们在线路设备选型时，要从电网全寿命周期考虑，全面比较铜铝电缆的优劣。
参考文献：
[1]杨秀峰. 全寿命周期管理在电网建设项目中的应用研究. 硕士论文. 华北电力大学。 2010
[2]Gareth P.Harrison et al., Life cycle assessment of the transmission network in Great Britain. Energy Policy. 2012(38).
[3]尤振平，熊慧. 中国铝电缆消费调查及以铝节铜的建议. 资源再生. 2014(3).
[4] Raquel S. Jorge. Environmental evaluation of power transmission in Norway. Applied Energy.2013 (101).
[5] G. P. Hammond et al., Embodied energy and carbon in construction materials. Energy, 161 (2).
