公路遠程供電方案選擇

王武崗

（河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司，河南鄭州 450052）

公路遠程供電方案選擇

王武崗

（河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司，河南鄭州 450052）

結合高速公路設備用電需求，通過對傳統的供電方案與分布式智慧節能供電方案的對比分析，確定高速公路設備的最佳供電方案。同時以12公里高速公路設備供電為例，分別采用傳統10KV供電和分布式智能供電兩種方案進行供電，并對兩種方案進行對比分析。

高速公路；綠色低碳；分布式智能供電

黨的十六屆六中全會提出建設“資源節約型、環境友好型”社會的要求，黨的十八大提出將生態文明納入“五位一體”的總要求中，將“綠色發展”提到前所未有的高度。新形勢下，交通運輸部決定開展綠色低碳公路主題性試點工作，進一步推動公路交通的綠色發展、低碳發展。

三門峽至淅川高速公路（以下簡稱三淅高速）作為重要的能源運輸和旅游觀光通道，同時項目施工難度最大、橋隧比高（58.58%），沿線環境敏感度高，具備中部山區高速公路的典型特征。以三淅高速作為綠色低碳試點，通過全方位、全過程貫徹綠色低碳理念，探索綠色低碳公路的建設管理經驗。秉持這一理念，三淅高速不僅將被建成“感知公路”、“數字公路”和“智能公路”，同時還在全線橋梁實施黃光LED霧燈，在跨河橋梁下建設橋面徑流凈化與事故應急系統。為保證這些感知設備、數字設備、智能交通設備、環保設備的有效供電，本文從供電可靠性、維護難易等方面進行分析比較來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，即通過變電站低壓配電柜向外場設備直接供電，供電距離一般在4km以內[1]。為了保證長距離供電遠端設備的用電質量，經常會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直接供電方案系統圖

1.1.1 方案優點

（1）供電電纜和設施要求耐壓等級低，較經濟。（2）建設和維護成本較低。（3）設計施工難度適中。

1.1.2 方案不足

（1）傳輸距離短（一般在4km以內），供電能力弱。（2）由于系統內為三相電壓，因此負載端需要三相平衡。（3）電纜成本根據傳輸距離和負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電壓傳輸至負載較集中的位置，通過變電箱變壓至380V向附近的負載供電。具體方案如圖2所示。

圖2 高壓10kV間接供電方案系統圖

1.2.1 方案優點

（1）傳輸距離遠（一般在10km-14km范圍內）。（2）供電能力強。

1.2.2 方案不足

（1）供電電纜和設備耐壓等級要求高，造價成本高。（2）設計和施工難度較高。（3）由于10kV電壓通過變壓器降壓為380V后，仍需要通過電纜傳輸至附近用電點，因此需要敷設10kV等級和1kV等級兩條電纜，造成電纜重復敷設。（4）負載端需要三相平衡。（5）為保證用戶端不對電網產生影響，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，在變電所設置升壓變壓器，將380V升壓至660V，傳送至負載較集中的位置，再通過降壓變壓器降壓至380V向附近的負載供電。具體方案如圖3所示。

圖3 升降壓660V供電方案系統圖

1.3.1 方案優點

（1）相比10kV供電方案，供電電纜和設備耐壓等級要求降低，較經濟。（2）相比10kV供電方案，設計和施工難度降低。（3）相比380V供電方案，供電距離長，供電能力強。

1.3.2 方案不足

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

1.4 風光互補供電方案

風光互補供電方案在風能或太陽能較為充沛的地方比較適用，系統使用中無污染，維護簡便，能源豐富[2]。系統圖如圖4所示。

圖4 風光互補供電方案系統圖

1.4.1 方案優點

（1）系統使用中無污染。（2）無需繁雜布線。（3）能源豐富。（4）維護簡便。

1.4.2 方案不足

（1）供電能力有限，太陽能轉化效率低。（2）使用范圍受限。當地年平均風速大于3.5m/s，同時年度太陽能輻射總量不小于5 000MJ/m2是風光互補發電系統推薦使用區。（3）設備造價昂貴。（4）蓄電池壽命極短，維護成本高[3]。（5）太陽能板、蓄電池等設施易被盜。

1.5 分布式智慧節能供電系統

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，將三相電轉化為單相電，并通過上端電源柜輸出單相3.3KV（660V～10kV可選）電壓。通過電纜將電力輸送到各用電點。在用電點（一個、多個或串型用電點）再通過下端電源箱將3.3KV電壓轉變為220V電壓向負載供電。具體方案如圖5所示。

圖5 分布式智慧節能供電系統方案圖

1.5.1 方案優點

（1）傳輸距離遠（4～30km）。（2）經濟實用，由于采用單相電壓輸出，可減少電纜芯數，降低電纜造價。（3）單相電壓輸出，負載端無需三相平衡。（4）供電質量穩定，由于采用3.3kV電壓傳輸，線路壓降小，電壓穩定。（5）良好的防雷擊功能。可配備冗余回路，實現容錯設計，可以有效抵御雷擊過電壓。（6）線路電壓可調。根據外場負載設備，可選擇660V～10kV電壓進行傳輸。（7）下端電源箱輸出回路電壓可控、可調。下端電源箱可輸出多個回路，可對每個回路進行開關、調壓操作。（8）上端電源柜可同時接入多路市電，可同時接入柴油發電機等應急發電設備。（9）上端電源柜可配置蓄電池，實現不間斷智能供電和應急供電功能。（10）上端電源柜通過CPU處理模塊將用戶側與電網側隔離，防止用戶側用電對電網的影響，同時防止電網側的浪涌電流對用戶用電設備的沖擊。（11）上端電源柜可對系統進行功率因數補償，有效提高系統功率因數，節省電能。

1.5.2 方案不足

（1）不宜對距離短且成放射狀的設備供電。（2）下端電源箱無法提供三相電源。

2 供電方案對比

根據以上分析，本文對各供電方案的優缺點進行對比，具體結果見表1。

表1 高速公路供電方案優缺點分析對比表

根據對比表1可知，分布式智慧節能供電更適合于負荷沿高速公路呈帶狀分布，用電設備遠離供電點，且電負荷為單相負荷，如情報板、攝像機、微波車輛檢測器、氣象檢測器等。

3 案例分析

以12km高速公路全程監控進行方案對比，監控攝像頭間隔1km，路段內還有門型情報板、F型情報板、超速抓拍、車輛檢測器等設備[4]。

3.1 分布式智慧節能供電

圖6 分布式智慧節能供電系統方案案例圖

3.2 傳統10KV供電方案

圖7 傳統10KV供電方案案例圖

3.3 方案對比分析

傳統10kV供配電系統制造電纜共需用銅9.79噸，智慧節能供電需用銅1.41噸，節約銅比例為85.6%。智慧節能供電也能更好地保證3相負載平衡，較高的功率因數，憑借其較高的智能化程度，能更好地保證電源質量，達到節能減排的效果。

表2 供電方案電纜用量對比表

[1]中國航空工業規劃設計研究院工業與民用配電設計手冊（第二版）[M].中國電力出版社，2005：57-60.

[2]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].化學工業出版社，2005：187-205.

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

[4]河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司.三淅高速公路西坪至寺灣（豫鄂省界）段機電詳細設計[M].2013：1.

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1003-5168(2014)04-0050-03