高速公路監(jiān)控系統(tǒng)LCP 供電方式應(yīng)用

侯軍健

（山西交通控股集團(tuán)有限公司晉中高速公路管理公司，山西 晉中 030811）

引言

我國(guó)高速公路目前已基本實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控，高速公路沿線設(shè)置了監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備，整體上呈帶狀分布，與設(shè)置在服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、高速公路管理中心的變電站之間有著較長(zhǎng)的距離，對(duì)供電方式的要求相對(duì)較高。傳統(tǒng)10 kV/220 V 供電方式施工難度大、電能消耗量大、成本較高。太陽(yáng)能供電方式節(jié)能環(huán)保、施工簡(jiǎn)單，但后期維護(hù)難度較大。LCP 供電是一種適用于小容量、長(zhǎng)距離的“浮動(dòng)電壓”供電方式，具有施工方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低等諸多優(yōu)勢(shì)，在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用價(jià)值[1]。

1 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)低壓供電方式的不足

低壓380 V 直接供電是高速公路系統(tǒng)目前常用的一種供電方式，也是最為簡(jiǎn)捷的一種供電方式，其適用范圍為變電站附近500 m 之內(nèi)，主要采用變電站配電室進(jìn)行供電，收費(fèi)廣場(chǎng)、收費(fèi)站、高速公路管理中心的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備，可采取低壓380 V 直接供電方式進(jìn)行供電[2]。

高速公路的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備與變壓站之間的距離較遠(yuǎn)，因此低壓380 V 直接供電方式無(wú)法滿足監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備的供電需求，主要原因在于線路壓降過大。通常情況下，低壓供電系統(tǒng)中的線電壓、相電壓分別為220 V/50 Hz、380 V/50 Hz，因此，直流阻抗、感抗、容抗等線路阻抗的存在，導(dǎo)致輸電線路出現(xiàn)了線路壓降。

線路壓降（△U）的計(jì)算公式如下：

式中：I 為負(fù)荷電流，R 為線路阻抗。以銅導(dǎo)線為例，截面積為10 mm2的銅導(dǎo)線，阻抗為1.9 Ω/km，低壓供電系統(tǒng)中電纜的容抗、感抗約為0.09 Ω/km，僅為銅導(dǎo)線阻抗的1/30，因此容抗、感抗可忽略不計(jì)。假設(shè)監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備與變壓站之間的距離為5 km，對(duì)監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行供電的時(shí)候，供電線路的綜合阻抗為5 km×1.9 Ω/km×2=19 Ω。供電線路末端電壓降，根據(jù)現(xiàn)行電力標(biāo)準(zhǔn)的要求，不可超過5%，即220 V×5%=11 V。鑒于此，工作電流不可超過11 V/19 Ω=0.58 A。不考慮功率因數(shù)的情況下，實(shí)際輸送功率為220 V×0.58 A=127.6 W，無(wú)法滿足監(jiān)控系統(tǒng)更遠(yuǎn)距離、更大功率的用電需求。低壓供電系統(tǒng)中供電距離、電壓之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 中陰影部分為合格電壓范圍220 V±22 V（220 V×10%）。電流（I）為0.5 A、出口電壓為220 V的時(shí)候，供電距離約為6.5 km。為延長(zhǎng)供電的距離，一般情況下，會(huì)在出口端適當(dāng)增加出口電壓，從而在電流保持不變的前提下實(shí)現(xiàn)供電距離的增加，如圖1中，I1=0.5 A。但實(shí)際上，隨著用電設(shè)備的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，電流也時(shí)刻發(fā)生著變化，電流在I1～I(xiàn)2 之間變化的時(shí)候，10 km 處的供電電壓在180～220 V 之間變化，180 V不符合供電質(zhì)量的要求。相關(guān)研究指出，隨著負(fù)荷、距離的加大，供電電壓的變化可能高達(dá)數(shù)百伏。面對(duì)這樣的情況，單純采取提高出口端出口電壓的方式，即升降壓方式，不能解決供電過程中由于負(fù)荷改變而導(dǎo)致的電壓波動(dòng)現(xiàn)象。為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離供電質(zhì)量、供電效率的提高，實(shí)際進(jìn)行長(zhǎng)距離供電的時(shí)候，通常是采取加大導(dǎo)線截面積、降低導(dǎo)線阻抗的方式。雖然這種方式可以有效增強(qiáng)供電能力，但施工難度較大、成本較高。因此，需要采取一種更為科學(xué)、合理的供電方式。

2 LCP 供電方式在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 LCP 供電方式的原理

LCP 供電方式是一種適用于小容量（＜30 kVA）、長(zhǎng)距離（500 m～20 km）的“浮動(dòng)電壓”供電方式?；诘蛪?80 V 直接供電方式存在的線路壓降過大的問題，可采取浮動(dòng)電壓來對(duì)部分線路壓降進(jìn)行抵消，以滿足高速公路監(jiān)控系統(tǒng)小負(fù)荷、長(zhǎng)距離的供電需求。LCP 供電系統(tǒng)便是基于這樣的需求為被研發(fā)出來的，通過應(yīng)用隔離變換器、交流電源發(fā)生器來代替升降壓變壓器，隨著負(fù)載電流的改變電壓也會(huì)適時(shí)浮動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)小容量、長(zhǎng)距離供電，與高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的供電需求相符合[3-5]。

2.2 LCP 供電系統(tǒng)的設(shè)備

LCP 供電系統(tǒng)主要由三部分組成，即電源發(fā)生器、隔離變換器和供電電纜。電源發(fā)生器、隔離變換器發(fā)揮著重要的作用。

1）電源發(fā)生器由輸出繞組、控制調(diào)節(jié)繞組、變壓器固定繞組和電流采樣可調(diào)節(jié)控制回路等部分組成，根據(jù)輸出負(fù)載電流的變化情況，對(duì)輸出電壓進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。電源發(fā)生器運(yùn)行中，主要是按照提前設(shè)定好的數(shù)值來輸出電壓，如果負(fù)載電流出現(xiàn)改變，根據(jù)接收到的輸出電流反饋，調(diào)節(jié)升壓變壓器輸出，從而使電壓可以滿足負(fù)載需要。如果負(fù)載電流降低，線路壓降也會(huì)降低，應(yīng)當(dāng)將出口電壓調(diào)低。如果負(fù)載電流提高，線路壓降也會(huì)提高，便要將出口電壓升高。出口電壓降低、升高的幅度，應(yīng)控制在LCP 供電系統(tǒng)中各點(diǎn)隔離變換器可允許輸入電壓的限值之內(nèi)。如果因?yàn)樨?fù)載電流發(fā)生改變導(dǎo)致各點(diǎn)電壓的變化情況在隔離變換器的允許范圍之內(nèi)，則隔離變換器便會(huì)優(yōu)先調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓輸出。只有電流出現(xiàn)劇烈變化，且不能滿足各點(diǎn)隔離變換器輸入電壓要求，方可需要對(duì)電源發(fā)生器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2）隔離變換器由控制器、電流變換器、輸入變壓器和后級(jí)穩(wěn)壓器等部分組成。隔離變換器設(shè)置在負(fù)載側(cè)，可根據(jù)線路上的電流，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保輸出電壓保持穩(wěn)定。隔離變換器可同時(shí)在供電線路上獲取電流、電壓的數(shù)據(jù)。線路負(fù)荷降低的情況下，線路壓降也會(huì)降低，此時(shí)可借助獲取的電流，實(shí)現(xiàn)輸入電壓的降低。線路負(fù)荷上升的情況下，線路電流降、電壓壓降也會(huì)提高，此時(shí)可借助獲取的電流，實(shí)現(xiàn)輸入電壓的增加，確保后級(jí)穩(wěn)壓器的輸入可以滿足要求。

3 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中LCP 供電方式的適用性分析

3.1 成本分析

采取低壓380 V 直接供電方式，為降低線路壓降，通常應(yīng)用增加電纜線徑的方法，粗線徑的電纜成本較高，且在高速公路邊坡等部位進(jìn)行敷設(shè)的時(shí)候難度較大。采取LCP 供電方式，可使用小線徑電纜，成本較低、便于施工、且重量相對(duì)較輕，還可以穿管敷設(shè)。

3.2 供電質(zhì)量分析

采取低壓380 V 直接供電方式，供應(yīng)同樣負(fù)荷的情況下，升壓后可降低用電電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)線路壓降的減小。但由于升降壓的變換比是固定的，因此，實(shí)際運(yùn)行中往往會(huì)因用電負(fù)荷改變，使用電端電壓發(fā)生波動(dòng)。同時(shí)，升降壓比是固定的，電網(wǎng)電壓波動(dòng)會(huì)給用電側(cè)的輸出電壓帶來干擾。兩種因素疊加，導(dǎo)致電壓波動(dòng)的加劇，尤其是夜間，過電壓可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞。采取LCP 供電方式，以用電負(fù)荷電流為依據(jù)，電源發(fā)生器可對(duì)輸出電壓進(jìn)行隨時(shí)調(diào)節(jié)，負(fù)荷電流固定的情況下，電源發(fā)生器處于穩(wěn)定狀態(tài)，以更好地滿足輸出電壓的要求。負(fù)荷電流發(fā)生改變的情況下，電源發(fā)生器處于調(diào)壓狀態(tài)，外電電壓波動(dòng)不會(huì)給系統(tǒng)帶來干擾。隔離變換器、電源發(fā)生器均是根據(jù)負(fù)荷電流來調(diào)節(jié)變比，在輸出端的超寬范圍進(jìn)行穩(wěn)壓。因此，將輸出電壓穩(wěn)定在5%以下，且不受外界因素的干擾，可確保設(shè)備安全。

3.3 節(jié)能性分析

采取低壓380 V 直接供電方式，能耗的組成部分包括升壓變壓器、降壓變壓器和線路消耗。雖然其運(yùn)行效率可達(dá)到90%以上，運(yùn)行電能消耗相對(duì)較小，但線纜的生產(chǎn)能耗較大，導(dǎo)致其整體能耗較大。采取LCP 供電方式，能耗的組成部分包括電源發(fā)生器、隔離變換器和線路消耗。電源發(fā)生器、隔離變換器的運(yùn)行效率約為88%，相對(duì)較低，運(yùn)行電能消耗相對(duì)較大，但線纜的生產(chǎn)能耗較小，因此整體能耗也比較小。

3.4 擴(kuò)展性分析

采取低壓380 V 直接供電方式，需要對(duì)系統(tǒng)中各點(diǎn)的電壓進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)，如果用電設(shè)備的位置改變，便要重新進(jìn)行核算，有時(shí)甚至還要更換設(shè)備。由此可見，這種供電方式下，系統(tǒng)的擴(kuò)展性較差，如果未來需要增加、減少用電設(shè)備，不僅要重新核算、規(guī)劃，還可能更換設(shè)備。采取LCP 供電方式，在系統(tǒng)負(fù)荷允許的范圍之內(nèi)，可任意增加負(fù)荷、移動(dòng)設(shè)備，擴(kuò)展性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)供電具有小容量、遠(yuǎn)距離的特征，低壓380 V 直接供電這一固定升降壓的供電方式無(wú)法滿足高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的供電需求，應(yīng)采取LCP供電這一“浮動(dòng)電壓”的供電方式，以滿足高速公路監(jiān)控系統(tǒng)小容量、遠(yuǎn)距離的供電需求，保障高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，充分發(fā)揮監(jiān)控系統(tǒng)的作用，確保高速公路的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。