高速公路UPS+直流高壓傳輸遠程供電系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

郭亞喆

(山西欣奧特自動化工程有限公司，山西 太原 030012)

2017-08-25

郭亞喆(1983- )，男，山西平遙人，助理工程師，大學本科。

1674- 4578(2017)05- 0028- 03

高速公路UPS+直流高壓傳輸遠程供電系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

郭亞喆

(山西欣奧特自動化工程有限公司，山西 太原 030012)

隨著高速公路建設的迅猛發(fā)展，高速公路全程監(jiān)控手段已經(jīng)越來越多地被高速公路管理者運用到實際路段中，而設備供電問題也隨之困擾著廣大管理者，一邊是不斷提高的運用管理服務水平，一邊是有限的投資經(jīng)費。UPS+直流高壓傳輸遠程供電作為一種新型、穩(wěn)定的供電方式，在通信和大型企業(yè)中已有較為成熟的應用。本文通過與高速公路傳統(tǒng)供電方式的對比，提出了UPS+直流高壓傳輸遠程供電方式的可行性。

全程監(jiān)控；UPS；直流高壓傳輸遠程供電系統(tǒng)

近年來，我國高速公路建設飛速增加。據(jù)統(tǒng)計，1999年我國高速公路總里程突破1萬km，2003年年底超過2萬km，2014年年底超過11萬km，2016年總里程突破了13萬km，居世界第一。隨著高速公路通車里程的快速增長，人們對公路交通服務水平的要求也越來越高，尤其是對安全因素越來越重視。然而近些年高速公路交通事故頻繁發(fā)生，且呈較大上升幅度。為了減少交通事故的發(fā)生，保證道路暢通，提高道路的使用率，交通部要求各地相關(guān)部門加強高速公路機電工程的建設，采用先進監(jiān)控技術(shù)手段，減少并及時處理交通事故，在保證高速公路暢通的同時，為高速公路的養(yǎng)護及堵截漏逃費行為提供輔助手段。

高速公路道路沿線外場監(jiān)控系統(tǒng)設備包含各類安全設施(如：霧燈誘導系統(tǒng)、微波車輛檢測器、爆閃燈等警示標志、可變情報板、風速風向儀、能見度檢測儀和攝像機等)，其主要的特點是點多、面廣、線長，且大部分都是小功率的負載，用電負荷為沿線分散性負荷，尤其是越來越多的路段正在實施和完善全程監(jiān)控設備，這是智能高速發(fā)展的趨勢和方向。因此，遠程供電是外場監(jiān)控系統(tǒng)建設需要解決的一大難題。

目前高速外場供電電源大部分是采用低壓變壓器產(chǎn)生220 V或380 V的供電電壓，由于用低壓電纜向遠處供電，長距離傳輸只有以加大電纜截面的代價來解決，雖然保證了供電質(zhì)量，但造成壓降增大，這就增加了工程投資和施工難度，特別是多根粗電纜過特大橋梁，施工難度更大，也造成巨大的浪費。

因此，如何針對高速公路外場電力設施遠距離供電的問題，提出一套環(huán)保、節(jié)約、穩(wěn)定、可行的輸電供電方案，專用于高速公路外場遠距離的設備供電，是一項十分意義重大的工作。

UPS是不間斷電源的縮寫，其工作原理是交流市電電源輸入由整流器轉(zhuǎn)換為直流電源，逆變器將此直流電源或轉(zhuǎn)換為交流電提供給負載，市電中斷時，由電池通過逆變器給負載提供后備電源，市電電源還可通過靜態(tài)旁路向負載供電，需對UPS進行保養(yǎng)或維修時，可將負載切換到維修旁路供電，保障電源不中斷。

而UPS+直流高壓傳輸遠程供電技術(shù)則是通過把傳統(tǒng)交流電傳輸改變?yōu)橹绷麟妭鬏?。采用直流輸電，使得電網(wǎng)功率因素達到最高，進一步提高電纜的輸電能力，同時直流輸電對設備的干擾比交流輸電小得多，通過改變傳輸方法，不僅可以節(jié)省傳輸線纜的截面，而且可更好地解決高速公路外場設備遠距離不間斷供電的問題。

根據(jù)常規(guī)互通區(qū)設置機電設備情況(互通兩側(cè)設置可變信息情報板、路段云臺攝像機、氣象檢測器和微波車輛檢測器等常規(guī)設備)，其傳輸距離一般在4公里左右，如果采用中壓供電方式一般單項需要選擇25～35平方左右的線纜進行供電才可實現(xiàn)穩(wěn)定供電，且距離越長則線徑越粗、投資成本越高。

如果采用UPS+高壓電纜供電+變壓器降壓遠程供電相結(jié)合的方案對外場監(jiān)控設備進行遠距離的設備供電，則可以大大節(jié)省投資，從供電的經(jīng)濟性、節(jié)能性及穩(wěn)定性等因素考慮都是十分可行的。該方案是通過把傳統(tǒng)交流電傳輸改變?yōu)橹绷鞲邏簜鬏?，使得電網(wǎng)功率因素達到最高，進一步提高電纜的輸電能力，同時通過改變傳輸方法，可以節(jié)省傳輸線纜的截面，更好地解決外場設備遠距離供電線路損耗及欠壓的問題。

1 直流高壓輸電的優(yōu)越性

1) 直流高壓輸電是采用UPS+兩線制的兩極直流輸電線路，相比交流低壓輸電時,輸送同等功率、輸送同等距離，輸電的電纜線徑相同。

例如使用400 V傳輸

使用2×10 mm線纜電阻=0.017/10×1 000=1.7 Ω(km)

4 km電阻=1.7×4=6.8 Ω

傳輸5 kW設備供電電流=5 000/400×0.8=10 A

電纜損耗=10×10×6.8=680 W(400 V傳輸?shù)膿p耗)

采用660 V傳輸5 kW設備供電電流=5 000/660×0.8=6 A

電纜損耗=6×6×6.8=244.8 W(660 V傳輸?shù)膿p耗)

計算可以看出損耗明顯降低。

2) 高壓輸電比低壓輸電線路損耗較小，因此在同負荷前提下，通過計算相比最大可以節(jié)約64%電費。

3) 國家電網(wǎng)都是采用高壓傳輸，節(jié)省電力資源。

4) 設備簡單、直觀，故障率低，維修方便。

5) 安全性，直流供電方式局端發(fā)送設備的輸入輸出端在電氣上完全隔離，輸出的直流高壓電平對地懸浮，線路不接地，因此，在傳輸電纜和外場用電設備處，即使有一級被人或動物觸碰或發(fā)生接地短路時，均不會造成觸電危害；同時，相對于交流供電方式在遭受雷擊時，可能會引起供電段全線所掛設備損壞，直流供電方式的電氣隔離使得外場設備在遭受雷擊時僅能影響到直接遭受雷擊的設備，防雷效果更好。

2 系統(tǒng)工作原理及方式

全線采用YJV2×10的銅芯電纜，其耐壓性達1 000 V以上，局端處理器通過UPS輸入交流電，經(jīng)升壓隔離變壓器轉(zhuǎn)換至直流高壓，經(jīng)2芯電纜傳輸至終端降壓，可降低電纜的無功損耗。

終端降壓變壓器在接收到遠端輸送來的高壓電能，把送來的高壓進行隔離降壓，轉(zhuǎn)換成負載需要的正弦波交流220 V電壓，保障互通附近監(jiān)控設備的正常工作。

3 遠供設備的選擇原則

圖1 常規(guī)互通外場監(jiān)控設施布設圖

如圖1所示，設備滿負荷運行,最經(jīng)濟的選配功率≥實際最大功率×(130%～150%)。

因用電設備啟動、情報板信息變動、爆閃燈的迅速充放電等因素，瞬時的過電流會引起電壓波動，過載抗沖擊電流≥實際工作最大電流×(130%～150%)。

變壓器供電系統(tǒng)與互通區(qū)域設備用電及功率匹配選擇。

根據(jù)常規(guī)情況得出設備用電量計算如表1。

表1 監(jiān)控設施外場設備布設一覽表

算出實際最大功率約為12.2 kW。

因此，局端升壓器選擇為25 kVA機型，放置在變電所。

P總(道路設備總功率W)=P局(kVA)×0.8

P局(kVA)=P總(道路設備總功率kW)/0.8=15.25 kVA

P(kVA)=P局(kVA)×(130%-150%)取140%≈21.35 kVA另考慮到線路損耗原因，故選25 kVA(25×80%=20kVA)

遠端降壓器選擇為1kVA、3kVA、5kVA三款產(chǎn)品，為節(jié)約成本，可分別就近安裝在外場監(jiān)控設備配電箱內(nèi)。

產(chǎn)品實際選型示意圖如圖2。

4 該套系統(tǒng)在實際運用中的意義

該套系統(tǒng)已成熟地運用在電信領(lǐng)域多年，尤其是在偏遠山區(qū)等人煙較少的區(qū)域更是得到了廣泛的運用。不僅在通信行業(yè)，在大型企業(yè)中已有較為成熟的應用，其以安全、穩(wěn)定、可靠、環(huán)保的特性，漸漸

成為替代傳統(tǒng)供電的一種趨勢。而對于高速公路來說，該套系統(tǒng)的運用效果也顯而易見，首先是從經(jīng)濟角度考慮，不僅降低了投資成本，而且從施工的角度來講也減輕了施工壓力，同時因不需要和電業(yè)局等部門進行溝通，減少了占地和征地的協(xié)調(diào)問題，給運營單位的后期維護和管理提供了更多的方便，不僅穩(wěn)定性高、損耗降低、投資減少、同時維修及保養(yǎng)成本也隨之下降。

圖2 產(chǎn)品實際選型示意圖

5 結(jié)語

在高速公路監(jiān)控設施中，遠程監(jiān)控系統(tǒng)供電或常規(guī)供電實施條件有限的情況下，運用UPS+直流高壓傳輸遠程供電系統(tǒng)進行供電，可達到施工便捷、節(jié)約成本、綠色環(huán)保的目的。由于地理位置不同，可變情報板、攝像機及其相關(guān)設備功耗不同、廠家不同等因素，在實際工程施工中應結(jié)合設備的實際情況進行具體的選型配置。

[1] 張寧寧.交通部：2016全國高速總里程已突破13萬.卡車之家，2016.12.

唐占文.高速公路監(jiān)控系統(tǒng)引入高壓直流技術(shù)探討.內(nèi)蒙古公路與運輸，2014(2):77-78.

鮑東玉.高壓直流供電在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應用.現(xiàn)代經(jīng)濟信息,2016(22):342-343.

DesignandImplementationofUPS+DCHighVoltageTransmissionRemotePowerSupplySystemforExpressway

Guo Yazhe

(ShanxiXATAutomationEngineeringCo.,Ltd.,TaiyuanShanxi030012,China)

With the rapid development of highway construction, the whole monitoring method of expressway has been increasingly applied to the actual highway management section. But the problem of power supply for equipment is also plagued for the majority of managers, for on one hand is the continuous increasing in the use of management services, while on another hand is the limitation for investment funds. As a new and stable power supply mode, UPS+ DC high voltage transmission remote power supply has already been applied in communications and large enterprises. By comparing with the traditional power supply mode of expressway, this paper puts forward the feasibility of UPS+ DC high voltage transmission remote power supply mode.

whole process monitoring; UPS; DC high voltage transmission remote power supply system

TN86

A