高速公路ETC門架系統(tǒng)供電方案研究

徐聯(lián)祺， 周 京， 楊 晨， 鄭玲嬌， 趙 愷

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司, 湖南 長沙 410200)

0 引言

ETC門架系統(tǒng)是實現(xiàn)高速公路不停車收費的重要設(shè)施，在供電要求上屬于一級負荷供電，一旦斷電將會影響收費系統(tǒng)的正常運行，造成經(jīng)濟損失。因此，ETC門架系統(tǒng)供電方案及智能運維方案將在取消省界收費站項目中起到至關(guān)重要的作用。本文通過對比分析，提出了切實有效的供電方案選擇原則。

1 ETC門架負荷

收費站ETC門架系統(tǒng)供電情況有3類(見表1)。

表1 ETC門架系統(tǒng)供電情況分類收費站帶ETC門架數(shù)量/個負荷/kW具體情況2 7～9 收費站單側(cè)有ETC門架414～17收費站雙側(cè)有ETC門架/單側(cè)省界ETC門架621～25收費站雙側(cè)有ETC門架,其中一側(cè)為省界站

本研究為保證設(shè)備可靠供電，暫未將ETC門架系統(tǒng)以外的其他負荷接入供電系統(tǒng)。同時，根據(jù)取消高速公路省界收費站相關(guān)要求，為確保ETC門架系統(tǒng)供電穩(wěn)定可靠，ETC門架系統(tǒng)專電專用，不利用監(jiān)控系統(tǒng)的遠距離供電系統(tǒng)。

2 供電方式比選

參考高速公路機電系統(tǒng)的常規(guī)供電方式：對于距變電站2 km以內(nèi)的用電設(shè)備通常采用低壓380 V/220 V直接供電，對于2 km以上的設(shè)備通常采用遠距離升壓的方式對機電設(shè)備進行供電。

根據(jù)供電負荷與供電距離，考慮門架系統(tǒng)設(shè)備允許壓降以及功率因數(shù)，對直接供電和遠距離升壓供電方案進行比較(見表2)。

表2 直接供電和遠距離升壓供電方案比較兩個ETC門架單側(cè)供電距離/km直接供電(允許壓降5%、功率8.3 kW、功率因數(shù)0.85、三相380 V)4芯不等截面鋁合金電纜線徑/mm2電纜單價/(萬元·km-1)每側(cè)電纜造價/萬元雙側(cè)電纜造價/萬元1.55081 64012.2524.491.870121 29021.8343.66270111 96022.3944.782.295149 50032.8965.782.395149 50034.3968.772.595149 50037.3874.753120165 36049.6199.22

續(xù)表2 直接供電和遠距離升壓供電方案比較2個ETC門架單側(cè)供電距離/km直接供電(允許壓降7%、功率8.3 kW、功率因數(shù)0.85、三相380 V)4芯不等截面鋁合金電纜線徑/mm2電纜單價/萬元·km-1 每側(cè)電纜造價/萬元雙側(cè)電纜造價/萬元1.53560 1909.0318.061.85081 64014.7029.3925081 64016.3332.662.25081 64017.9635.922.370121 29027.9055.792.570121 29030.3260.65370121 29036.3972.772個ETC門架單側(cè)供電距離/km遠距離供電2芯不等截面鋁合金電纜線徑/mm2電纜單價/萬元·km-1 每側(cè)電纜造價/萬元遠距離供電發(fā)射器與轉(zhuǎn)化器造價/萬元造價合計/萬元1.52530 1864.5319.535.061.82530 1865.4319.536.8722530 1866.0419.538.072.22530 1866.6419.539.282.32530 1866.9419.539.892.52530 1867.5519.541.0932530 1869.0619.544.11

綜合考慮供電點的距離情況，從節(jié)省造價、便于施工、可靠運營等方面考慮，ETC門架系統(tǒng)供電方案推薦了： ① 2個ETC門架單側(cè)供電和4個ETC門架雙側(cè)供電:2.2 km以內(nèi)采用直接供電，2.2 km以上采用遠距離升壓供電；②6個ETC門架雙側(cè)供電和4個ETC門架單側(cè)省界供電建議采用遠距離升壓供電(因省界站側(cè)距離較遠，暫不考慮直接供電)。

3 遠距離供電方式比較

在遠距離升壓供電方案前提下，直流與交流供電方式的優(yōu)劣比較，見表3。

表3 直接供電和遠距離升壓供電方案比較序號比較項目直流供電方式交流供電方式1實現(xiàn)原理采用固定升降壓方式。首段將電壓升高到一定范圍,用電端再通過整流逆變將電壓變成220 V。系統(tǒng)柔性不強,很難實現(xiàn)大功率設(shè)備和小功率設(shè)備的混合供電采用浮動電壓技術(shù)供電。電源發(fā)生器根據(jù)線路負荷電流在一定范圍內(nèi)自動實時調(diào)節(jié)輸出電壓,用電側(cè)隔離變換器同樣根據(jù)用電負荷電流自動調(diào)整降壓比,然后再經(jīng)過二次寬穩(wěn)壓輸出。采用二次穩(wěn)壓技術(shù),輸出電壓穩(wěn)定,各用電負荷之間不相互影響,大小功率設(shè)備可混合使用,且對今后擴容、負載調(diào)整靈活方便

續(xù)表3 直接供電和遠距離升壓供電方案比較序號比較項目直流供電方式交流供電方式2供電質(zhì)量由于此供電方式首末端都沒有穩(wěn)壓設(shè)備,因此很難保證用電端電壓波動范圍在±5%以內(nèi),供電質(zhì)量無法保證電源發(fā)生器根據(jù)用電負荷電流調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)負荷電流固定時,電源發(fā)生器實際工作在穩(wěn)壓狀態(tài),以滿足輸出電壓要求;當(dāng)負荷電流變化時,工作變?yōu)檎{(diào)壓狀態(tài)。因此系統(tǒng)不會受到外部電電壓波動的影響。因為電源發(fā)生器和隔離變換器均根據(jù)負荷電流調(diào)節(jié)變比,加上用電端輸出端的超寬范圍穩(wěn)壓,可確保用電電壓穩(wěn)定在±3%以內(nèi),不受外界因素影響。供電質(zhì)量高,可以保證用電設(shè)備安全3安全性,可靠性此供電方式現(xiàn)場端主要靠斬波振蕩逆變實現(xiàn),使用了大量的電子設(shè)備,電子設(shè)備受環(huán)境影響較大,裝置可靠性差。且此供電方式現(xiàn)場端設(shè)備按規(guī)定外殼應(yīng)接地,導(dǎo)致與變電所供電設(shè)備的接地點構(gòu)成回路,容易產(chǎn)生環(huán)流,裝置防雷性能差系統(tǒng)采用浮動電壓原理,浮動電壓最高為800 V。屬于低壓供電范圍,所有開關(guān)設(shè)備、接線端子、電纜都可以按照低壓供電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn),維修配件易于采購。運行維護只需普通低壓電工即可,符合高速公路管理運行模式。設(shè)備投運后基本上屬于免維護狀態(tài)。運行簡單,維護方便,操作安全4節(jié)能比較比傳統(tǒng)供電方案節(jié)能,運行電能消耗略小 。由于使用大量電子設(shè)備,雖然供電質(zhì)量不高,但損耗也很小比傳統(tǒng)供電方案節(jié)能,由于在用電段增加電源變換和二次穩(wěn)壓設(shè)備,設(shè)備消耗略有增加,但增加量極小,幾乎可以忽略

綜上分析，并結(jié)合項目實際情況，推薦采用交流升壓遠距離供電方式。

4 其他

4.1 電纜

推薦采用鋁合金鎧裝電纜，電纜選用特定顏色標(biāo)識(建議為橙色)。與銅電纜相比，造價低、減少被盜風(fēng)險。

4.2 路由

電纜及光纜沿路側(cè)敷設(shè)，全線采用25 cm×12cm的C15混凝土包封，過水溝采用鋼管保護C15混凝土包封；跨普通路面采用切割路面鋼管保護，鋼管采用φ89和φ83型號。

4.3 后備電源

根據(jù)《高速公路ETC門架系統(tǒng)技術(shù)要求》(交辦公路函(2019)856號)相關(guān)內(nèi)容，ETC門架系統(tǒng)需要7×24 h不間斷進行供電，由于門架與收費站有一定距離，在供電線路出現(xiàn)故障時需要有后備電源來保障系統(tǒng)的正常運行。每個ETC門架處設(shè)置后備電源，采用N+l冗余方式，備用時間為4 h。

5 結(jié)論

根據(jù)ETC門架系統(tǒng)的負荷要求，在保證門架系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定可靠運行的前提下，比較了不同距離、不同供電方式的工程造價，最終確定了ETC門架系統(tǒng)供電方案的選擇原則，為工程項目的順利實施，奠定了良好的基礎(chǔ)。