公路遠(yuǎn)程供電方案選擇

王武崗

（河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南鄭州 450052）

公路遠(yuǎn)程供電方案選擇

王武崗

（河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南鄭州 450052）

結(jié)合高速公路設(shè)備用電需求，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的供電方案與分布式智慧節(jié)能供電方案的對(duì)比分析，確定高速公路設(shè)備的最佳供電方案。同時(shí)以12公里高速公路設(shè)備供電為例，分別采用傳統(tǒng)10KV供電和分布式智能供電兩種方案進(jìn)行供電，并對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析。

高速公路；綠色低碳；分布式智能供電

黨的十六屆六中全會(huì)提出建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)的要求，黨的十八大提出將生態(tài)文明納入“五位一體”的總要求中，將“綠色發(fā)展”提到前所未有的高度。新形勢(shì)下，交通運(yùn)輸部決定開(kāi)展綠色低碳公路主題性試點(diǎn)工作，進(jìn)一步推動(dòng)公路交通的綠色發(fā)展、低碳發(fā)展。

三門(mén)峽至淅川高速公路（以下簡(jiǎn)稱三淅高速）作為重要的能源運(yùn)輸和旅游觀光通道，同時(shí)項(xiàng)目施工難度最大、橋隧比高（58.58%），沿線環(huán)境敏感度高，具備中部山區(qū)高速公路的典型特征。以三淅高速作為綠色低碳試點(diǎn)，通過(guò)全方位、全過(guò)程貫徹綠色低碳理念，探索綠色低碳公路的建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)。秉持這一理念，三淅高速不僅將被建成“感知公路”、“數(shù)字公路”和“智能公路”，同時(shí)還在全線橋梁實(shí)施黃光LED霧燈，在跨河橋梁下建設(shè)橋面徑流凈化與事故應(yīng)急系統(tǒng)。為保證這些感知設(shè)備、數(shù)字設(shè)備、智能交通設(shè)備、環(huán)保設(shè)備的有效供電，本文從供電可靠性、維護(hù)難易等方面進(jìn)行分析比較來(lái)確定一種高效可靠的供電方案。

1 供電方案分析

1.1 低壓380V直接供電方案

低壓380V供電系統(tǒng)，即通過(guò)變電站低壓配電柜向外場(chǎng)設(shè)備直接供電，供電距離一般在4km以內(nèi)[1]。為了保證長(zhǎng)距離供電遠(yuǎn)端設(shè)備的用電質(zhì)量，經(jīng)常會(huì)采用增大電纜截面積的辦法。此方法可以提高供電能力，但是也會(huì)快速增加電纜成本，具體方案如圖1所示。

圖1 低壓380V直接供電方案系統(tǒng)圖

1.1.1 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）供電電纜和設(shè)施要求耐壓等級(jí)低，較經(jīng)濟(jì)。（2）建設(shè)和維護(hù)成本較低。（3）設(shè)計(jì)施工難度適中。

1.1.2 方案不足

（1）傳輸距離短（一般在4km以內(nèi)），供電能力弱。（2）由于系統(tǒng)內(nèi)為三相電壓，因此負(fù)載端需要三相平衡。（3）電纜成本根據(jù)傳輸距離和負(fù)載情況變化幅度較大。

1.2 高壓10kV間接供電方案

高壓10kv間接供電方案，從變電所高壓柜引出10kv電壓傳輸至負(fù)載較集中的位置，通過(guò)變電箱變壓至380V向附近的負(fù)載供電。具體方案如圖2所示。

圖2 高壓10kV間接供電方案系統(tǒng)圖

1.2.1 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）傳輸距離遠(yuǎn)（一般在10km-14km范圍內(nèi)）。（2）供電能力強(qiáng)。

1.2.2 方案不足

（1）供電電纜和設(shè)備耐壓等級(jí)要求高，造價(jià)成本高。（2）設(shè)計(jì)和施工難度較高。（3）由于10kV電壓通過(guò)變壓器降壓為380V后，仍需要通過(guò)電纜傳輸至附近用電點(diǎn)，因此需要敷設(shè)10kV等級(jí)和1kV等級(jí)兩條電纜，造成電纜重復(fù)敷設(shè)。（4）負(fù)載端需要三相平衡。（5）為保證用戶端不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，需要配置昂貴的隔離變壓器。

1.3 升降壓660V供電方案

660V升降壓供電方案，在變電所設(shè)置升壓變壓器，將380V升壓至660V，傳送至負(fù)載較集中的位置，再通過(guò)降壓變壓器降壓至380V向附近的負(fù)載供電。具體方案如圖3所示。

圖3 升降壓660V供電方案系統(tǒng)圖

1.3.1 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）相比10kV供電方案，供電電纜和設(shè)備耐壓等級(jí)要求降低，較經(jīng)濟(jì)。（2）相比10kV供電方案，設(shè)計(jì)和施工難度降低。（3）相比380V供電方案，供電距離長(zhǎng)，供電能力強(qiáng)。

1.3.2 方案不足

（1）與10kV方案相同，電纜需要重復(fù)敷設(shè)，負(fù)載端需要三相平衡。（2）只適用于中距離（一般在4km-10km）、中等負(fù)載容量供電，長(zhǎng)距離、大容量供電能力不足。

1.4 風(fēng)光互補(bǔ)供電方案

風(fēng)光互補(bǔ)供電方案在風(fēng)能或太陽(yáng)能較為充沛的地方比較適用，系統(tǒng)使用中無(wú)污染，維護(hù)簡(jiǎn)便，能源豐富[2]。系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)光互補(bǔ)供電方案系統(tǒng)圖

1.4.1 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）系統(tǒng)使用中無(wú)污染。（2）無(wú)需繁雜布線。（3）能源豐富。（4）維護(hù)簡(jiǎn)便。

1.4.2 方案不足

（1）供電能力有限，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率低。（2）使用范圍受限。當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速大于3.5m/s，同時(shí)年度太陽(yáng)能輻射總量不小于5 000MJ/m2是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)推薦使用區(qū)。（3）設(shè)備造價(jià)昂貴。（4）蓄電池壽命極短，維護(hù)成本高[3]。（5）太陽(yáng)能板、蓄電池等設(shè)施易被盜。

1.5 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)

采用三相380V輸入，采用IGBT作為主要功率元件的大功率逆變技術(shù)，將三相電轉(zhuǎn)化為單相電，并通過(guò)上端電源柜輸出單相3.3KV（660V～10kV可選）電壓。通過(guò)電纜將電力輸送到各用電點(diǎn)。在用電點(diǎn)（一個(gè)、多個(gè)或串型用電點(diǎn)）再通過(guò)下端電源箱將3.3KV電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V電壓向負(fù)載供電。具體方案如圖5所示。

圖5 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)方案圖

1.5.1 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）傳輸距離遠(yuǎn)（4～30km）。（2）經(jīng)濟(jì)實(shí)用，由于采用單相電壓輸出，可減少電纜芯數(shù)，降低電纜造價(jià)。（3）單相電壓輸出，負(fù)載端無(wú)需三相平衡。（4）供電質(zhì)量穩(wěn)定，由于采用3.3kV電壓傳輸，線路壓降小，電壓穩(wěn)定。（5）良好的防雷擊功能。可配備冗余回路，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，可以有效抵御雷擊過(guò)電壓。（6）線路電壓可調(diào)。根據(jù)外場(chǎng)負(fù)載設(shè)備，可選擇660V～10kV電壓進(jìn)行傳輸。（7）下端電源箱輸出回路電壓可控、可調(diào)。下端電源箱可輸出多個(gè)回路，可對(duì)每個(gè)回路進(jìn)行開(kāi)關(guān)、調(diào)壓操作。（8）上端電源柜可同時(shí)接入多路市電，可同時(shí)接入柴油發(fā)電機(jī)等應(yīng)急發(fā)電設(shè)備。（9）上端電源柜可配置蓄電池，實(shí)現(xiàn)不間斷智能供電和應(yīng)急供電功能。（10）上端電源柜通過(guò)CPU處理模塊將用戶側(cè)與電網(wǎng)側(cè)隔離，防止用戶側(cè)用電對(duì)電網(wǎng)的影響，同時(shí)防止電網(wǎng)側(cè)的浪涌電流對(duì)用戶用電設(shè)備的沖擊。（11）上端電源柜可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，有效提高系統(tǒng)功率因數(shù)，節(jié)省電能。

1.5.2 方案不足

（1）不宜對(duì)距離短且成放射狀的設(shè)備供電。（2）下端電源箱無(wú)法提供三相電源。

2 供電方案對(duì)比

根據(jù)以上分析，本文對(duì)各供電方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高速公路供電方案優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)比表

根據(jù)對(duì)比表1可知，分布式智慧節(jié)能供電更適合于負(fù)荷沿高速公路呈帶狀分布，用電設(shè)備遠(yuǎn)離供電點(diǎn)，且電負(fù)荷為單相負(fù)荷，如情報(bào)板、攝像機(jī)、微波車輛檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器等。

3 案例分析

以12km高速公路全程監(jiān)控進(jìn)行方案對(duì)比，監(jiān)控?cái)z像頭間隔1km，路段內(nèi)還有門(mén)型情報(bào)板、F型情報(bào)板、超速抓拍、車輛檢測(cè)器等設(shè)備[4]。

3.1 分布式智慧節(jié)能供電

圖6 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)方案案例圖

3.2 傳統(tǒng)10KV供電方案

圖7 傳統(tǒng)10KV供電方案案例圖

3.3 方案對(duì)比分析

傳統(tǒng)10kV供配電系統(tǒng)制造電纜共需用銅9.79噸，智慧節(jié)能供電需用銅1.41噸，節(jié)約銅比例為85.6%。智慧節(jié)能供電也能更好地保證3相負(fù)載平衡，較高的功率因數(shù)，憑借其較高的智能化程度，能更好地保證電源質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

表2 供電方案電纜用量對(duì)比表

[1]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].中國(guó)電力出版社，2005：57-60.

[2]沈輝，曾祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005：187-205.

[3]（澳）D.A.J.Rand（美）P.T.Moseley閥控式鉛酸蓄電池[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007：154-264.

[4]河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司.三淅高速公路西坪至寺灣（豫鄂省界）段機(jī)電詳細(xì)設(shè)計(jì)[M].2013：1.

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1003-5168(2014)04-0050-03