高速公路主線直流供電照明系統(tǒng)方案探討

廖景懷

（廣東省公路建設有限公司,廣東 廣州 510630）

0 引言

隨著我國高速公路里程不斷增長，高速交通流的不斷恢復，整體道路交通事故維持較高的水平。根據(jù)廣東省珠三角核心區(qū)域某高速的數(shù)據(jù)顯示，該路段2021 年日均車流10 萬輛，處于四級服務水平，2021 年路段的百萬車公里事故率約1.23%，夜間事故比例超過了20%，且主要以夜間視線不良造成追尾為主，大交通流下的事故問題日益凸顯。高速公路主線照明是減少夜間事故數(shù)量的主要措施之一，按照系統(tǒng)的傳統(tǒng)方案一般造價水平為每公里200 萬元左右，投資建設成本高，也成為制約高速營運單位推廣使用的因素之一。因此，確保高速公路主線照明系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，滿足設計規(guī)范要求的前提下，如何通過應用新技術(shù)、新系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)約整體實施成本，降低工程造價，對于主線道路照明的推廣發(fā)揮著重要作用。

1 照明設計原則

1.1 主要功能

（1）為車輛駕駛員夜間行駛創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，保證道路行車安全。

（2）提高公路的夜間誘導性，增加夜間行車的安全感和舒適感，提高通行能力和交通運輸效率。

（3）點亮道路，美化城鎮(zhèn)環(huán)境。

1.2 主要設計指標

照度、亮度、均勻度、眩光控制等技術(shù)指標均應達到或超過國家有關(guān)道路照明標準的規(guī)定，根據(jù)《公路照明技術(shù)條件（GB/T 24969—2010）》要求，以普通雙向六車道高速公路為例，按照規(guī)范規(guī)定的公路照明等級二級標準設計，具體包括道路平均照度Eav ≥20 Lx（匝道≥30 Lx），平均亮度Lav ≥1.5 cd/m2，亮度均勻度Lmin/Lav ≥0.4，縱向均勻度：Lmin/Lav ≥0.6，分合流區(qū)域平均照度Eav ≥30 Lx，道路節(jié)能LPD ≤0.85（計算值取0.62），另公路照明的維護系數(shù)按0.7 計算，道路照明具有良好的誘導性[1]。

1.3 采取節(jié)能技術(shù)，降低電能消耗

1.3.1 照明燈具

設計方案首選采用LED 燈具，主要技術(shù)指標包括IP65 的防護等級及密封等級，電氣絕緣一級，3 500~4 000 K 的色溫，燈具電源或驅(qū)動使用壽命不低于30 000 h，整燈光效不低于150 lm/W，其中，燈珠光源平均壽命不應低于50 000 h，光源在其使用末期，光通量應不低于初始值的70%。同時，考慮安全性因素，燈具應配置檢測控制模塊、通信模塊、智能調(diào)光模塊，以便于實現(xiàn)燈具的亮度控制。當調(diào)光系統(tǒng)故障時，延時10 min 后燈具亮度應自動調(diào)節(jié)到100%，以確保道路通行安全環(huán)境。結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展，可進一步探討燈具采用分布式直驅(qū)芯片驅(qū)動LED 方式，提高照明系統(tǒng)的節(jié)能效率。

1.3.2 調(diào)光控制系統(tǒng)

該次設計采用LED 電源，供配電系統(tǒng)在照明控制柜內(nèi)設置燈具調(diào)光控制器，可在燈具亮度的0%~100%范圍內(nèi)對全線路燈進行無極調(diào)節(jié)，在車流量較小的下半夜通過調(diào)節(jié)燈具亮度實現(xiàn)節(jié)能。調(diào)光控制系統(tǒng)具備時間控制、集中遠控、就地控制3 種控制功能，并可實現(xiàn)全部燈具同時調(diào)光功能。道路照明開關(guān)燈的天然光照度水平均為20 Lx。

1.3.3 照明控制平臺功能模塊

（1）GIS 地圖功能?？刹樵兊貓D上照片電纜部署以及各路燈集中器位置信息。

（2）設備管理與控制功能。系統(tǒng)支持對集中控制器、燈桿、單燈控制器、開關(guān)模塊、開關(guān)、電表模塊、電表、智能電表、輸入量模塊、輸入量、防盜單燈控制器等設備進行管理，實現(xiàn)遠程開關(guān)功能、分組控制功能、多樣化控制。

（3）數(shù)據(jù)查詢功能。支持單播、廣播、組播的方式查詢燈具狀態(tài)、燈具亮度、燈具實時數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)支持電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、漏電壓等參數(shù)，集中控制器電表數(shù)據(jù)查詢功能[2]。

（4）故障報警功能。系統(tǒng)支持故障路燈精確地在地圖上定位并顯示出具體的故障原因。報警信息可以通過上位機實現(xiàn)報警，還可通過手機短信系統(tǒng)支持報警歷史查詢。

（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。系統(tǒng)支持節(jié)能量統(tǒng)計功能，能統(tǒng)計每個開關(guān)控制箱的節(jié)能信息，并且根據(jù)電價直接計算出節(jié)省的電費費用。

（6）用戶管理。系統(tǒng)支持管理用戶的新增、修改、刪除，對賬戶的管理、權(quán)限設置及日志管理。

1.4 經(jīng)濟型照明布設方案

結(jié)合新型LED 照明燈具的應用，提出主線照明的經(jīng)濟型布設方案：

（1）一般路基段照明，采用12 m 單臂低桿路燈在兩側(cè)護欄外側(cè)對稱布置，光源為220 W 的LED 燈，間距為40 m。

（2）橋梁段照明，采用11 m 單臂低桿路燈在兩側(cè)護欄對稱布置，光源為220 W 的LED 燈，間距為40 m。

（3）匝道段照明，采用10 m（橋梁段為9 m）單臂低桿路燈在道路單側(cè)均勻布置，光源為140 W 的LED 燈，間距為25 m。

（4）展寬段，采用12 m（橋梁11 m）單臂低桿路燈在兩側(cè)護欄對稱布置，光源為250 W 的LED 燈，間距為40 m。

2 供配電系統(tǒng)方案

2.1 設計原則

（1）體現(xiàn)“技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、節(jié)省能源、維修方便”以及“先進性與實用性相結(jié)合、安全性和可靠性相結(jié)合、標準化與統(tǒng)一化相結(jié)合、開放性和擴充性相結(jié)合”的原則，滿足安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟的要求。

（2）該系統(tǒng)的構(gòu)成依據(jù)路段照明系統(tǒng)的具體要求，遵照相關(guān)專業(yè)標準進行設計。

（3）供電設計以供電可靠性為前提，結(jié)合國內(nèi)較先進的技術(shù)、工藝和當前電力發(fā)展水平[3]。

（4）整個系統(tǒng)應按照經(jīng)濟、合理的原則，并考慮遠期冗余。

2.2 供電系統(tǒng)

2.2.1 高壓系統(tǒng)

原則上可根據(jù)負載均勻設置箱式變電站，變電站高壓側(cè)采用單路10 kV 供電方式，電源應結(jié)合地方電網(wǎng)設置情況就近引入，并盡可能地采用供電部門業(yè)擴方式，減少投資和后期的營運維護工作。

2.2.2 傳統(tǒng)交流供電存在問題

交流供電方案中，高速公路沿線電纜、燈具接頭均存在漏電風險，同時燈桿接地不良或者被雨水浸透容易造成漏電事故。

同時，LED 燈具需配置AC/DC 驅(qū)動電源，導致燈具的結(jié)構(gòu)和功能復雜，可靠性不強。

2.2.3 直流供電系統(tǒng)組成

直流供電系統(tǒng)，即多脈沖高壓直流集中供電系統(tǒng)，核心技術(shù)是航空系統(tǒng)采用的多脈沖變壓整流技術(shù)（TRU）。一般來說，系統(tǒng)架構(gòu)為集中式整流及分布式驅(qū)動，首先在前端將AC380 V 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷鳎―C400 V 或DC750 V），通過正負極兩線供電至LED 照明燈具處，這樣LED 燈具不再需要將交流轉(zhuǎn)換直流的電路設計，只需要DC/DC 電路，將直流降壓恒流供給LED，具體系統(tǒng)示意如圖1 所示。

圖1 直流DC400 V 供電系統(tǒng)示意圖

2.2.4 直流供電系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）損耗低供電距離遠。采用直流供電，綜合無線路感抗容抗以及電流集膚效應的影響，提高了供電半徑，使得整體損耗降低，供電距離相比交流供電更具優(yōu)勢。

（2）安全性高。采用直流懸?。ǜ綦x）供電模式，單極漏電不觸電，與交流供電相比，安全性高，漏電觸電風險低。

（3）壽命長。直流供電技術(shù)的驅(qū)動電源采用無電解電容設計，從根本上解決了壽命瓶頸問題，整燈壽命延長1~2 倍，節(jié)省后期運營成本。

（4）效率高燈具驅(qū)動電源效率可高達98%，多脈沖集中電源效率可高達96%。

（5）可靠性高。采用航空電源常用的多脈沖變壓整流技術(shù)，可靠性等同于變電站內(nèi)變壓器。

（6）環(huán)境適應性強。核心組件為多脈沖變壓器，實質(zhì)為工頻變壓器，其環(huán)境適應性更強，可適應戶外-40~60 ℃高低溫環(huán)境[4]。

2.3 主要關(guān)鍵設備

2.3.1 箱式變電站

（1）主要功能。箱式變電站高壓電源線進線前設有跌落式高壓熔斷器、避雷器等高壓保護設備。高壓出線柜采用熔斷器和帶接地刀閘負荷開關(guān)組合柜。變壓器采用SC(B)15 系列干式變壓器。低壓柜內(nèi)設有低壓電容自動補償柜，以減低運行中的無功功率損耗。在箱變附近設置照明控制柜，柜內(nèi)設有照明節(jié)能控制裝置，可分段投切負荷，同時可進行人工、時間自動控制、光敏控制，時控開關(guān)和光控開關(guān)可根據(jù)時間和環(huán)境自動開關(guān)燈具，同時還可以實現(xiàn)調(diào)光功能，照明控制柜內(nèi)還應設置交通信號燈等用電的電源進線和出線開關(guān)設備。

（2）技術(shù)指標。變電站應滿足《高壓/低壓預裝式變電站》（GB 17467—2020）和《高壓/低壓預裝箱式變電站選用導則》（DL/T537—2018T）的要求。變電站應滿足GB 17467 和DL/T537 的要求。

變壓器：采用SC(B)15 系列干式電力變壓器，變壓器應滿足《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB20052—2020）要求，其能效不低于二級標準。

配電柜應符合GB7251.1《低壓成套開關(guān)設備和控制設備》的規(guī)定。

2.3.2 直流配電柜

（1）主要性能要求。多脈沖直流遠程供電系統(tǒng)局端機采用多脈沖變壓整流技術(shù)，其核心部件是一個繞組結(jié)構(gòu)經(jīng)特殊設計的變壓器。為保證可靠性和穩(wěn)定性，主功率變換電路中不得采用可控半導體元件。

（2）主要技術(shù)指標：

額定輸入電壓：AC380 V±15%，50 Hz；

額定功率：60 kW/90 kW；

額定輸出電壓：DC750 V±20%；

輸出紋波電壓（峰—峰值）：≤3%；轉(zhuǎn)換效率：96%≤30%~100%負載的效率≤99%；功率因數(shù)PF：0.96 ≤30%~100%負載的功率因數(shù)≤0.99；

總諧波畸變率THD：≤10%（50%~100%負載）；軟啟動時間：<1 s，無過沖；

交流輸入防雷參數(shù)：Up ≤2.8 kV，In=60 kA；

保護功能配置：具有缺相，偏相，過欠壓，直流短路，過載，過溫，直流輸出絕緣監(jiān)測保護；供電模式：懸浮供電（隔離）；

整流方式：多脈沖變壓器整流，為確?？煽啃?，主功率變換電路中不得采用可控。

（3）元器件組成。應配置有整流變壓器、半導體元件、空氣開關(guān)、防雷器、智能儀表等部件。

2.3.3 低壓配電柜

配電柜應符合《低壓成套開關(guān)設備和控制設備》（GB7251.1）的規(guī)定。

3 防雷接地系統(tǒng)

3.1 防雷設施

低壓配電柜低壓電源總進線回路、照明控制箱內(nèi)母線：各箱變低壓電源總進線開關(guān)下端需要安裝能防御10/350 us 波形雷電流幅值的開關(guān)型的電涌保護器SPD1，其雷電測試電流Iimp=15 kA，響應時間ta ≤1 us，電壓保護水平Up ≤2 kV。

低壓配電柜其他供電回路：電容無功補償裝置、低壓配電柜各段母線（每段母線1 套）、應急電源回路，均需要安裝能防御10/350 us 波形開關(guān)型和能防御8/20 us波形限壓型的復合式電涌保護器SPD2。限壓型電涌保護器要求最大放電電流Imax=40 kA，響應時間ta ≤25 ns，保護電平Up=2 kV。

3.2 接地設施

電力系統(tǒng)接地采用T-T 系統(tǒng)，工作、防雷和保護接地共用。接地系統(tǒng)應保證電氣連接通暢。變電站和路燈采用人工接地體和照明線路連續(xù)設置的PE 線連接作為防雷和保護接地網(wǎng)。路燈低壓電纜采用三相四線五芯電纜，電纜PE 保護線將所有路燈接地極連接起來，并與每桿燈桿底板焊接組成保護接地系統(tǒng)，以保證設備運行和人身安全。系統(tǒng)接地電阻不得大于4 Ω，照明燈桿的接地電阻不得大于4 Ω，所有焊接必須牢固、無虛接，接地線應防止發(fā)生機械損傷和化學腐蝕[5]。

4 結(jié)語

該文介紹了高速公路主線道路照明系統(tǒng)化方案，全面梳理了照明系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)的設計內(nèi)容，并探討了已在數(shù)據(jù)中心、軌道交通、輪船、航空領(lǐng)域廣泛使用的直流供電系統(tǒng)的技術(shù)引入應用的系統(tǒng)化方案。在整體建設成本上，一方面減少了10 kV 外電系統(tǒng)的引入，從而降低建設成本，綜合建設成本降低約20%，同時對沿線布置低壓供電電纜，運營維護人員不再需要高壓相關(guān)證件，減少運營方面的技術(shù)人員成本。