淺談現(xiàn)代高速公路項(xiàng)目供配電技術(shù)

摘 要：鑒于我國(guó)高速公路沿線環(huán)境和用電設(shè)備配置的多樣性，首先介紹了現(xiàn)有高速公路的4種供電系統(tǒng)：傳統(tǒng)低壓（380/220 V）直接供電系統(tǒng)、高壓（10 kV）間接供電系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)、遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)，并分析了各系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)給出了遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例，最后簡(jiǎn)要闡述了智慧供電系統(tǒng)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：高速公路；供電系統(tǒng)；遠(yuǎn)程供電；智慧供電

中圖分類號(hào)：U417? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）16-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.022

0? ? 引言

近年來(lái)，隨著無(wú)人駕駛、全程監(jiān)控、車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，國(guó)家出臺(tái)了一系列智慧高速的相應(yīng)政策文件，強(qiáng)調(diào)了智慧高速公路建設(shè)的重要性。同時(shí)，各省加大了對(duì)高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)、惡劣氣象預(yù)警系統(tǒng)以及消冰融雪系統(tǒng)等智能設(shè)施的投資建設(shè)，這些都極大地增加了高速公路沿線機(jī)電設(shè)備的數(shù)量，同時(shí)也對(duì)高速公路供配電系統(tǒng)提出了更高的要求。

1? ? 現(xiàn)有高速公路供配電系統(tǒng)

我國(guó)早期高速公路的用電設(shè)備主要集中在收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)附近，因此從收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)采用低壓直接供電最為方便有效，但隨著交通行業(yè)的快速發(fā)展，高速公路沿線配套設(shè)施迅速增加，低壓直接供電已不能滿足用電需求，多種供電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1.1? ? 傳統(tǒng)低壓（380/220 V）直接供電系統(tǒng)

低壓直接供電系統(tǒng)是將從場(chǎng)區(qū)設(shè)備房中低壓饋線柜引出的380 V三相交流電，通過(guò)低壓電纜輸送到附近監(jiān)控、收費(fèi)等用電設(shè)備，向其直接供電的一種供電形式[1]。

由于供電電纜具有一定的電阻，電流流過(guò)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的壓降，設(shè)備端的電壓要小于饋線柜出口端電壓。

電阻計(jì)算公式為：

R=ρ

式中：R為導(dǎo)線電阻；ρ為導(dǎo)線電阻率；L為導(dǎo)線的長(zhǎng)度；S為導(dǎo)線的橫截面積。

由電阻計(jì)算公式可以知道，在相同環(huán)境條件下電纜的電阻與電纜長(zhǎng)度成正比，與電纜截面積成反比，在收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)設(shè)備房附近的設(shè)備，供電電纜較短，電纜電阻及壓降較小，可以直接從低壓饋線柜引出供電電纜為設(shè)備供電；當(dāng)供電距離較遠(yuǎn)時(shí)，供電電纜較長(zhǎng)，電纜電阻及壓降較大，當(dāng)壓降過(guò)大時(shí)，電纜末輸出端電壓會(huì)低于設(shè)備工作電壓，此時(shí)設(shè)備將無(wú)法正常工作。

低壓直接供電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行升降壓轉(zhuǎn)換，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好，缺點(diǎn)是供電距離較短，主要集中在收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)設(shè)備房附近，一般距離不超過(guò)2 km，是目前高速公路近距離供電時(shí)使用最多的一種方案。

傳統(tǒng)低壓直接供電系統(tǒng)具體如圖1所示。

1.2? ? 高壓（10 kV）間接供電系統(tǒng)

高壓間接供電系統(tǒng)是將設(shè)備房高壓開(kāi)關(guān)柜中10 kV的高壓電，首先通過(guò)高壓電纜輸送至用電設(shè)備處，再通過(guò)變壓器將10 kV電壓降至380 V后，向用電設(shè)備供電。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離較遠(yuǎn)，一般能達(dá)到10 km左右，同時(shí)供電能力也優(yōu)于低壓直接供電系統(tǒng)。雖然該系統(tǒng)解決了低壓直接供電系統(tǒng)傳輸距離有限的問(wèn)題，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，存在電壓等級(jí)變換，且供電電纜耐壓等級(jí)和設(shè)備要求較高，綜合建設(shè)成本較高，故經(jīng)濟(jì)性低于傳統(tǒng)低壓直接供電系統(tǒng)，通常該系統(tǒng)用于高速公路大型橋梁及特長(zhǎng)隧道路段。

高壓（10 kV）間接供電系統(tǒng)具體如圖2所示。

1.3? ? 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)是在風(fēng)能或太陽(yáng)能較為充沛的地方，采用包含風(fēng)力發(fā)電裝置、光伏發(fā)電裝置以及儲(chǔ)能裝置的小型風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備將風(fēng)能和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，向用電設(shè)備供電。

該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于不需要從場(chǎng)區(qū)配電房引出電力，供電位置靈活，能解決部分偏遠(yuǎn)地點(diǎn)供電不方便等問(wèn)題；同時(shí)減少供電設(shè)備和供電電纜的建設(shè)投入，節(jié)約用電，降低工程建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本；此外，該系統(tǒng)充分利用了自然資源，是一種綠色、有效的方案。雖然該供電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)很突出，但劣勢(shì)同樣也很突出，其供電能力受天氣、環(huán)境影響大，發(fā)電效率不穩(wěn)定，無(wú)法長(zhǎng)期為用電設(shè)備提供穩(wěn)定電源，如遇無(wú)風(fēng)陰雨天氣風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)將面臨極大的考驗(yàn)；同時(shí)風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備的儲(chǔ)能裝置壽命有限，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高，因此該系統(tǒng)僅適用于取電不便的地方及供電負(fù)荷要求不高的設(shè)備。

1.4? ? 遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)

遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)[2-3]是近年來(lái)隨著高速公路負(fù)載容量以及供電距離的不斷增加而產(chǎn)生的。該系統(tǒng)由一個(gè)帶有升壓功能的電源發(fā)生器、遠(yuǎn)距離輸電母線（兩芯供電電纜）、若干個(gè)帶有降壓功能的隔離電源轉(zhuǎn)換器組成。

當(dāng)供電電纜橫截面積和供電距離一定時(shí)，電阻值不變，根據(jù)功率公式P=I2R、P=UI以及歐姆定律U=IR，可以通過(guò)增加供電電壓的方式來(lái)降低供電電纜上的電壓降，保證電纜遠(yuǎn)端的電壓滿足用電設(shè)備的使用要求，從而解決高速公路遠(yuǎn)距離供電問(wèn)題，一般遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)供電距離能達(dá)到10～25 km。

遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)具體如圖3所示。

工程上在收費(fèi)場(chǎng)區(qū)或服務(wù)區(qū)設(shè)備房?jī)?nèi)設(shè)置交流電源發(fā)生器，將低壓饋線柜引出的380/220 V電壓提升至1 kV左右；在外場(chǎng)設(shè)備處設(shè)置交流隔離電源轉(zhuǎn)換器，將1 kV電壓降至220 V后再給外場(chǎng)設(shè)備供電，中間電壓等級(jí)可根據(jù)用電負(fù)荷、供電距離進(jìn)行合理選擇，且交流電源發(fā)生器和交流隔離電源轉(zhuǎn)換器輸出端具有防雷保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)等功能，能夠保障用電設(shè)備的電壓質(zhì)量。遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)因其自身的供電能力、供電距離等特點(diǎn)被高速公路行業(yè)快速認(rèn)可，并得以廣泛應(yīng)用。

遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）供電距離遠(yuǎn)。通過(guò)將380/220 V電壓先升壓，終端再降壓的方式，保證末端輸出電壓滿足設(shè)備用電要求，同時(shí)也降低了傳輸過(guò)程中的電能損耗。

（2）具有隔離功能。交流隔離電源轉(zhuǎn)換器具有隔離市電電網(wǎng)作用，能防止市電的浪涌電流對(duì)高速公路沿線用電設(shè)備的沖擊，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

（3）具有穩(wěn)壓功能。遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)中配備了穩(wěn)壓裝置，能為用電設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓，保障了用電設(shè)備的使用壽命，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

（4）具有電力監(jiān)控功能。遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)可配備電力監(jiān)控模塊，對(duì)用電線路的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境溫度及濕度進(jìn)行監(jiān)控，保障用電安全。

（5）提高了電能質(zhì)量。遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)采用單相供電，避免了三相供電負(fù)荷不平衡問(wèn)題；該系統(tǒng)還具備補(bǔ)償功能，提高了功率因數(shù)，減少了無(wú)功損耗。

（6）經(jīng)濟(jì)性好。遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)相較于高壓間接供電系統(tǒng)，使用低壓、小型號(hào)電纜，降低了系統(tǒng)建設(shè)成本，同時(shí)，降低了傳輸過(guò)程中電纜的能耗，電能傳輸效率更高，運(yùn)營(yíng)用電成本更低。

遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)又分為交流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)和直流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)。直流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)相對(duì)于交流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)的區(qū)別在于：增加了相應(yīng)的整流和逆變模塊，并且遠(yuǎn)距離輸電電纜上傳輸?shù)氖歉邏褐绷麟?。正因如此，交流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，這就使其具備了故障率低、便于維護(hù)、成本低、帶載能力強(qiáng)、可靠性高以及擴(kuò)展性好等優(yōu)勢(shì)。

1.5? ? 現(xiàn)有供電系統(tǒng)比較

無(wú)論是傳統(tǒng)的低壓直接供電、高壓間接供電、風(fēng)光互補(bǔ)供電還是遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)，都在高速公路供配電業(yè)務(wù)中起著舉足輕重的作用，每種供電方式在經(jīng)濟(jì)性、效能和使用效率等方面都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)[4]，具體如表1所示。

由表1可見(jiàn)，遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)在傳輸距離、帶載能力、供電質(zhì)量及后期運(yùn)維等方面都更具優(yōu)勢(shì)，故該系統(tǒng)在高速公路的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，適當(dāng)改造后亦可運(yùn)用在大型農(nóng)場(chǎng)、林場(chǎng)等特殊領(lǐng)域，滿足其日常管理需求。

2? ? 遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)應(yīng)用案例

以某高速公路項(xiàng)目為例，遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備布設(shè)如圖4所示。

從圖4可知，采用遠(yuǎn)程供電方式，即在設(shè)備房端設(shè)置一套交流電源發(fā)生器將低壓饋線柜輸出的380 V交流電升壓至1 kV，并引出YJV-2×10型號(hào)的傳輸電纜后，為節(jié)點(diǎn)兩側(cè)沿線的監(jiān)控?cái)z像機(jī)、可變情報(bào)板及氣象預(yù)警等外場(chǎng)設(shè)備供電，遠(yuǎn)端各處用電設(shè)備均采用一個(gè)獨(dú)立的交流隔離電源轉(zhuǎn)換器將高壓交流電轉(zhuǎn)變成220 V交流電。

此方案采用小規(guī)格兩芯電纜，能夠滿足高速公路遠(yuǎn)距離外場(chǎng)設(shè)備用電需求，覆蓋范圍最高可達(dá)40～50 km，這進(jìn)一步表明遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)具有傳輸距離長(zhǎng)、帶載能力強(qiáng)、建設(shè)成本低以及擴(kuò)展性好等優(yōu)勢(shì)。

3? ? 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著國(guó)家及地方政府越來(lái)越重視打造信息化、智能化交通系統(tǒng)，智慧交通成為交通運(yùn)輸系統(tǒng)的顯著特征，智慧供電系統(tǒng)亦得到一定的發(fā)展。

根據(jù)目前的研究[5-7]，智慧供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)相比具有遠(yuǎn)程控制的優(yōu)點(diǎn)：上述幾種供電系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)高低壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出回路的有效控制；智慧供電系統(tǒng)則是通過(guò)通信系統(tǒng)連接前后端供電設(shè)備，在智能監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端配電箱輸出回路進(jìn)行開(kāi)關(guān)和電壓調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，隨著大數(shù)據(jù)分析、車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的逐漸完善，可以在高速公路沿線配備車輛監(jiān)測(cè)等裝置，通過(guò)對(duì)高速公路車流量、道路環(huán)境等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在不影響用電設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，對(duì)各輸出回路進(jìn)行開(kāi)關(guān)和電壓控制，從而減少供電設(shè)備自身的電能損耗。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

上述各種供電系統(tǒng)在高速公路發(fā)展的不同時(shí)期、不同環(huán)境下都發(fā)揮了同樣重要的作用，遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)以其傳輸距離長(zhǎng)、帶載能力強(qiáng)、建設(shè)成本低以及擴(kuò)展性好等優(yōu)勢(shì)，被現(xiàn)代高速公路行業(yè)高度認(rèn)可，并得到廣泛應(yīng)用，為高速公路提供了高效、穩(wěn)定、高品質(zhì)的電力供給，保障了高速公路沿線各類用電設(shè)備的正常運(yùn)行。隨著智慧供電的深入研究應(yīng)用，高速公路電力供給將更加高效，智慧高速的發(fā)展將得到更加有力的支撐。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李明霞.高速公路供電方案的研究探討[J].山西交通科技，2022（3）：127-130.

[2] 秦慶飛.遠(yuǎn)距離供電技術(shù)在公路工程項(xiàng)目中的應(yīng)用研究[J].通信電源技術(shù)，2019，36（10）：1-4.

[3] 段陽(yáng)陽(yáng)，安林軒.淺談高速公路遠(yuǎn)距離供電技術(shù)[J].中國(guó)交通信息化，2022（增刊1）：358-361.

[4] 羅陵.湖南省高速公路全網(wǎng)供電改造方案探討[J].中國(guó)交通信息化，2021（11）：127-132.

[5] 趙強(qiáng).智慧供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電工程中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022（21）：120-123.

[6] 顧汶泰.智慧供電在高速公路中的應(yīng)用探討[J].中國(guó)設(shè)備工程，2022（10）：26-28.

[7] 張皓垣，江婷.高速公路智慧供電技術(shù)淺析[J].中國(guó)交通信息化，2022（增刊1）：356-357.

收稿日期：2023-04-26

作者簡(jiǎn)介：葛禮春（1987—），男，安徽巢湖人，高級(jí)工程師，主要從事高速公路機(jī)電與信息化建設(shè)和管理工作。