淺析遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)在高速公路上的應(yīng)用

王陶陶

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速提升，國內(nèi)高速公路的建設(shè)規(guī)模也變的越來越大，建設(shè)總里程每年都在大幅提升。與此同時機(jī)電工程的建設(shè)速度也不斷加快。由于高速公路上的機(jī)電設(shè)備一般距各類管養(yǎng)設(shè)施比較遠(yuǎn)，如果使用傳統(tǒng)的供電方式，不僅會大幅提高施工成本，還會造成大量電能浪費(fèi)，同時也會給后期維護(hù)帶來很大麻煩。因此對高速公路而言，選擇一種可靠、節(jié)能的供電方案就成為其當(dāng)務(wù)之急，同時也能夠?yàn)楦鞣N道路設(shè)施的有效使用提供保障，有助于高速公路將其自身的的服務(wù)功能發(fā)揮出來。遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)作為一種新型的外場設(shè)備供電方案，擁有著安全可靠、節(jié)約能源等突出特點(diǎn)，目前已經(jīng)被很多條高速公路所應(yīng)用，并取得很好的應(yīng)用成效。

1 現(xiàn)階段高速公路供電方案分析

隨著我國高速公路數(shù)量的不斷增多，其機(jī)電工程也得到了很大的發(fā)展，道路設(shè)施也不斷完善，因此如何更加安全節(jié)能地解決這些設(shè)施的用電問題，特別是監(jiān)控、通訊等設(shè)備，就成為高速公路亟需解決的問題。和廠礦企業(yè)、住宅建筑相比，高速公路機(jī)電設(shè)備的供電模式有很大不同，因?yàn)檫@些機(jī)電設(shè)備功率小，采用帶狀分散布局模式，配電線路非常廠。通常情況下，高速公路主要在服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、管理站等區(qū)域設(shè)立變電站，每個變電站的距離普遍保持在10～30 km 之間。現(xiàn)階段，我國絕大多數(shù)高速公路都在使用如下3 種供電模式：第一種是低壓380 V/220 V直接供電；第二種是10 kV 高壓供電；第三種是三相660 V 供電。除此之外，還有部分高速公路使用太陽能和風(fēng)能供電，由于這種供電方式擁有很大的局限性，使用成本過高，使用數(shù)量比較少。最近一段時間以來，隨著遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的出現(xiàn)，這種安全穩(wěn)定、電纜成本低、能源消耗低的新型供電模式，成為了很多新建高速公里的選擇目標(biāo)，并獲得了很好的使用效果，因此得到社會的廣泛關(guān)注[1]。

在現(xiàn)階段，我國絕大多數(shù)高速公路的機(jī)電設(shè)置主要采用以下4 種供電方式。

1.1 低壓380 V 直接供電方式

低壓380 V 供電系統(tǒng)，實(shí)際上就是在高速公路設(shè)置變電站，然后由變電站直接向監(jiān)控、通訊、警示等道路設(shè)備供電。一般情況下，變電站向外傳輸?shù)碾娏?，主要?80 V/50 Hz 線電壓，220 V/50 Hz 相電壓。因?yàn)楦鞣N道路設(shè)備大多數(shù)都是呈帶狀分散布局，要想確保電流的安全穩(wěn)定，必須加大輸電線路的截面積，這樣才能夠有效降低導(dǎo)線阻抗，確保電壓穩(wěn)定，可是這種方法會大幅提升施工成本。

1.2 高壓10 kV 間接供電方案

通常情況下，如果電流的壓力越大，其輸電設(shè)備的耐壓能力越強(qiáng)，相應(yīng)的成本也會越高。在高速公路上，攝像機(jī)、可變情報板等設(shè)備是主要的用電設(shè)備。這些設(shè)備體積小、功率低，并且呈帶狀分散布局。采用高壓10 kV 間接供電方案的高速，必須在這些設(shè)備密集區(qū)域設(shè)立一個變壓器，再由變壓器向這些設(shè)備輸電。通常情況下，變壓器的供電范圍主要保持在4 km 內(nèi)。盡管這種供電方式能夠給很大區(qū)域的道路設(shè)施供電，可是其用敷設(shè)的成本非常高。

1.3 660 V 升降壓供電方案

這種供電方式是高速公路在最近幾年里開始廣泛應(yīng)用，通常情況下，高速公路的變電站在向外輸電，會將原來的380 V 電壓提高到660 V，機(jī)電設(shè)備在獲取到輸出電流時，會再將其電壓降低到原來的380 V。和低壓380 V 直接供電方式相比，這種供電方式的電壓輸送等級會相應(yīng)提高1.73 倍，而電壓降則比過去降低將近3 倍，因此其供電距離也將會提升到原來的3 倍，大約保持在4～10 km 之間?？墒且坏└咚俚臋C(jī)電設(shè)備距離變電站的間距超過了10 km，那么其輸出電流的電壓將會變得極為不穩(wěn)定，同時在部分區(qū)域還存在電纜反復(fù)敷設(shè)的情況，這將會大幅提升工程造價[2]。

1.4 風(fēng)光互補(bǔ)供電方案

在我國西部地區(qū)，有部分高速公司使用的是風(fēng)光互補(bǔ)供電方式，主要依托于太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電。這種供電方式具有零污染、使用時間長、維修快捷等優(yōu)勢，可是其也存在很大的局限性。

a）發(fā)電量有限。和水電、火電相比，太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的發(fā)電效率是非常低的。現(xiàn)階段，我國的太陽能和風(fēng)能發(fā)電主要向監(jiān)控設(shè)備等功效小、體積小的設(shè)備輸電。機(jī)電設(shè)備越大，所需的太陽能和風(fēng)能發(fā)電設(shè)備的規(guī)模就越大。

b）制造和維修成本高?，F(xiàn)在一臺100 W 的風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備的市場價格就超過了萬元。由于該設(shè)施使用電池儲電，電池使用壽命非常短，通常只有3～5年，這為維修和養(yǎng)護(hù)工作帶來很大不便。

綜上所述，以上4 種供電方式，都需要通過電纜向機(jī)電設(shè)備輸電，隨著電纜價格不斷上漲，其工程成本就會變得越來越高。第二，由于高速公路所在區(qū)域都比較空曠，電纜遭受雷擊、出現(xiàn)過電壓故障的幾率非常高。第三，由于高速公路的機(jī)電設(shè)備都不具備無功補(bǔ)償功能，容易造成線路損耗大幅度提升，從而讓大量電能白白浪費(fèi)。

2 高速公路遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在高速公路長距離供電系統(tǒng)中，其內(nèi)部構(gòu)造主要包括3 部分：第一是電源發(fā)生器；第二是隔離變換器；第三是供電電纜。如圖1 所示。

圖1 高速公路遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造

通常情景下，遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的電源發(fā)生器主要從外接入AC380V 三相電，在向外輸出電流時，能夠按照負(fù)載電流的變動，從而對其電壓進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，其電壓調(diào)節(jié)數(shù)值一般保持在0.2～1 kV，在關(guān)鍵時刻可臨時提高到2 kV，可是輸電電纜需要重新制作，這將會大幅提升制造成本。隔離變換器的主要功能就是將確保輸出電流的電壓穩(wěn)定，能夠?yàn)闄C(jī)電設(shè)備提供合理的電壓。

2.2 供電原理

通常情況下，遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)在高速公路上，主要用來向容量小于30 kVA 的用電設(shè)備進(jìn)行供電。這些用電設(shè)備之間間隔距離比較長，主要呈帶狀分散布局，距離電源的間距保持在1～20 km 之間。因?yàn)檫h(yuǎn)距離供電系統(tǒng)主要應(yīng)用了“浮動電壓”供電技術(shù)，輸出電流時能夠按照負(fù)載電流的變動情況適當(dāng)調(diào)整電壓，對線路壓降進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而讓輸出電壓浮動數(shù)值保持在5%以下，不用受到市電波動的影響，在延長供電距離的同時，為供電系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供有效保障[3]。

2.3 優(yōu)勢特征

a）擁有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。由于遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)電壓等級只有0.6 ～1 kV，因此其可以采用6 mm2導(dǎo)線。這種導(dǎo)線的價格較為便宜，制造成本只相當(dāng)于低壓380 V 供電系統(tǒng)的60%左右。同時這種供電系統(tǒng)使用時間長，不用維護(hù)，有著比風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)更為優(yōu)越的市場前景。

b）遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)不需要像以前的供電方案進(jìn)行二次電壓轉(zhuǎn)換。

c）輸電距離長。由于遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)電壓等級只有0.6～1 kV，線路壓降相比其他供電方案要低，輸電電纜線徑也非常小，因此系統(tǒng)擁有很大的傳輸負(fù)荷容量，供電上擁有很大穩(wěn)定性，能夠?qū)Ωh(yuǎn)距離的用電設(shè)備供電。

d）中心電源與下端電源可進(jìn)行通信與智能控制。前端可選用電池組，提供不間斷智能供電，能夠讓關(guān)鍵設(shè)備在出現(xiàn)市電供電故障狀況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這為系統(tǒng)的及時維修爭取了時間。

3 用電設(shè)備介紹

3.1 電源發(fā)生器

電源發(fā)生器主要是由四大構(gòu)建組成的：第一是變壓器固定繞組；第二是控制調(diào)節(jié)繞組；第三是輸出繞組；第四是電流采樣可調(diào)節(jié)控制回路。電源發(fā)生器可提前設(shè)置一個電壓值，當(dāng)負(fù)載電流出現(xiàn)變動的時候，結(jié)合輸出電流反饋而來的信息，電源發(fā)生器能夠?qū)ι龎鹤儔浩鬏敵鲭妷哼M(jìn)行合理調(diào)節(jié)，從而讓對負(fù)載需求進(jìn)行有效滿足。倘若負(fù)載電流數(shù)值不斷提高，那就表示線路壓降也在不斷提升，如此一來就必須合理提升出口電壓；倘若負(fù)載電流數(shù)值不斷降低，同時也會帶動線路壓降不斷下降，如此一來就必須合理降低出口電壓。

電源發(fā)生器主要擁有如下幾種特征：

a）擁有過流、過壓保護(hù)等性能。

b）軟硬件都應(yīng)用了抗干擾設(shè)計，有效提升了對外來干擾的預(yù)防能力。

c）能夠智能診斷用電設(shè)備的故障，為設(shè)備及時維修贏取時間。

d）內(nèi)嵌管理單元，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況以及參數(shù)變化。

e）能夠?qū)﹄娏骱碗妷簲?shù)值進(jìn)行數(shù)字顯示。

f）所有線路都采用了防潮技術(shù)，可在潮濕地區(qū)廣泛應(yīng)用。

3.2 隔離變換器

隔離變換器主要承接來自電壓器或者是變電站的輸出電流，如果線路負(fù)荷不斷提升，那么其線路電流量也會隨之提升，從而讓線路電壓也跟著不斷提升。在這個時候，隔離變換器需要對接受的電流電壓進(jìn)行提高，如此一來才能夠讓后級穩(wěn)壓電源的輸入電壓和相關(guān)要求保持一致。如果線路負(fù)荷不斷降低，其線路壓降也會隨之不斷降低，這樣一來，隔離變換器通過提高輸入電壓數(shù)值，才能夠讓后級穩(wěn)壓電源的輸入電壓和相關(guān)要求保持一致。

隔離變換器主要擁有如下幾項(xiàng)優(yōu)勢特征：

a）擁有很高的輸出精度、波形極少出現(xiàn)失真情況、響應(yīng)時間短以及負(fù)載短路自動保護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

b）能夠有效降低電壓的沖擊力。

c）主要使用模塊化設(shè)計，元件出現(xiàn)故障以后，不影響其他元件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為故障維修提供了很大便利。

d）設(shè)有通訊接口，能夠?qū)崿F(xiàn)和計算機(jī)系統(tǒng)的相連。

3.3 供電電纜

遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)所應(yīng)用的導(dǎo)線，主要采用了2×6 mm2或2×10 mm2兩種規(guī)格，額定電壓為800 V；最高耐壓為1 kV；最高耐溫為90 ℃，最低耐溫為-20 ℃，敷設(shè)方式主要以管道敷設(shè)為主。

4 總結(jié)

綜上所述，遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)作為一種新型的供電方式，輸電距離遠(yuǎn)、電流穩(wěn)定強(qiáng)、電纜敷設(shè)成本低、性價比高，在高速公路中擁有非常好的發(fā)展前景，是我國高速公路在今后改造所廣泛應(yīng)用的一種供電方案，因此我們必須對其優(yōu)化方案進(jìn)行合理設(shè)計，這樣才可以在滿足高速公路供電特征的前提下，有效降低工程施工難度和成本，從而推動我國高速公路在交通智能化上取得良好的發(fā)展。