淺析遠距離供電系統在高速公路上的應用

王陶陶

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著我國經濟實力的快速提升，國內高速公路的建設規模也變的越來越大，建設總里程每年都在大幅提升。與此同時機電工程的建設速度也不斷加快。由于高速公路上的機電設備一般距各類管養設施比較遠，如果使用傳統的供電方式，不僅會大幅提高施工成本，還會造成大量電能浪費，同時也會給后期維護帶來很大麻煩。因此對高速公路而言，選擇一種可靠、節能的供電方案就成為其當務之急，同時也能夠為各種道路設施的有效使用提供保障，有助于高速公路將其自身的的服務功能發揮出來。遠距離供電系統作為一種新型的外場設備供電方案，擁有著安全可靠、節約能源等突出特點，目前已經被很多條高速公路所應用，并取得很好的應用成效。

1 現階段高速公路供電方案分析

隨著我國高速公路數量的不斷增多，其機電工程也得到了很大的發展，道路設施也不斷完善，因此如何更加安全節能地解決這些設施的用電問題，特別是監控、通訊等設備，就成為高速公路亟需解決的問題。和廠礦企業、住宅建筑相比，高速公路機電設備的供電模式有很大不同，因為這些機電設備功率小，采用帶狀分散布局模式，配電線路非常廠。通常情況下，高速公路主要在服務區、收費站、管理站等區域設立變電站，每個變電站的距離普遍保持在10～30 km 之間。現階段，我國絕大多數高速公路都在使用如下3 種供電模式：第一種是低壓380 V/220 V直接供電；第二種是10 kV 高壓供電；第三種是三相660 V 供電。除此之外，還有部分高速公路使用太陽能和風能供電，由于這種供電方式擁有很大的局限性，使用成本過高，使用數量比較少。最近一段時間以來，隨著遠距離供電系統的出現，這種安全穩定、電纜成本低、能源消耗低的新型供電模式，成為了很多新建高速公里的選擇目標，并獲得了很好的使用效果，因此得到社會的廣泛關注[1]。

在現階段，我國絕大多數高速公路的機電設置主要采用以下4 種供電方式。

1.1 低壓380 V 直接供電方式

低壓380 V 供電系統，實際上就是在高速公路設置變電站，然后由變電站直接向監控、通訊、警示等道路設備供電。一般情況下，變電站向外傳輸的電流，主要是380 V/50 Hz 線電壓，220 V/50 Hz 相電壓。因為各種道路設備大多數都是呈帶狀分散布局，要想確保電流的安全穩定，必須加大輸電線路的截面積，這樣才能夠有效降低導線阻抗，確保電壓穩定，可是這種方法會大幅提升施工成本。

1.2 高壓10 kV 間接供電方案

通常情況下，如果電流的壓力越大，其輸電設備的耐壓能力越強，相應的成本也會越高。在高速公路上，攝像機、可變情報板等設備是主要的用電設備。這些設備體積小、功率低，并且呈帶狀分散布局。采用高壓10 kV 間接供電方案的高速，必須在這些設備密集區域設立一個變壓器，再由變壓器向這些設備輸電。通常情況下，變壓器的供電范圍主要保持在4 km 內。盡管這種供電方式能夠給很大區域的道路設施供電，可是其用敷設的成本非常高。

1.3 660 V 升降壓供電方案

這種供電方式是高速公路在最近幾年里開始廣泛應用，通常情況下，高速公路的變電站在向外輸電，會將原來的380 V 電壓提高到660 V，機電設備在獲取到輸出電流時，會再將其電壓降低到原來的380 V。和低壓380 V 直接供電方式相比，這種供電方式的電壓輸送等級會相應提高1.73 倍，而電壓降則比過去降低將近3 倍，因此其供電距離也將會提升到原來的3 倍，大約保持在4～10 km 之間。可是一旦高速的機電設備距離變電站的間距超過了10 km，那么其輸出電流的電壓將會變得極為不穩定，同時在部分區域還存在電纜反復敷設的情況，這將會大幅提升工程造價[2]。

1.4 風光互補供電方案

在我國西部地區，有部分高速公司使用的是風光互補供電方式，主要依托于太陽能發電和風能發電。這種供電方式具有零污染、使用時間長、維修快捷等優勢，可是其也存在很大的局限性。

a）發電量有限。和水電、火電相比，太陽能發電和風能發電的發電效率是非常低的。現階段，我國的太陽能和風能發電主要向監控設備等功效小、體積小的設備輸電。機電設備越大，所需的太陽能和風能發電設備的規模就越大。

b）制造和維修成本高。現在一臺100 W 的風光互補設備的市場價格就超過了萬元。由于該設施使用電池儲電，電池使用壽命非常短，通常只有3～5年，這為維修和養護工作帶來很大不便。

綜上所述，以上4 種供電方式，都需要通過電纜向機電設備輸電，隨著電纜價格不斷上漲，其工程成本就會變得越來越高。第二，由于高速公路所在區域都比較空曠，電纜遭受雷擊、出現過電壓故障的幾率非常高。第三，由于高速公路的機電設備都不具備無功補償功能，容易造成線路損耗大幅度提升，從而讓大量電能白白浪費。

2 高速公路遠距離供電系統設計方案

2.1 系統結構

在高速公路長距離供電系統中，其內部構造主要包括3 部分：第一是電源發生器；第二是隔離變換器；第三是供電電纜。如圖1 所示。

圖1 高速公路遠距離供電系統內部構造

通常情景下，遠距離供電系統的電源發生器主要從外接入AC380V 三相電，在向外輸出電流時，能夠按照負載電流的變動，從而對其電壓進行合理調節，其電壓調節數值一般保持在0.2～1 kV，在關鍵時刻可臨時提高到2 kV，可是輸電電纜需要重新制作，這將會大幅提升制造成本。隔離變換器的主要功能就是將確保輸出電流的電壓穩定，能夠為機電設備提供合理的電壓。

2.2 供電原理

通常情況下，遠距離供電系統在高速公路上，主要用來向容量小于30 kVA 的用電設備進行供電。這些用電設備之間間隔距離比較長，主要呈帶狀分散布局，距離電源的間距保持在1～20 km 之間。因為遠距離供電系統主要應用了“浮動電壓”供電技術，輸出電流時能夠按照負載電流的變動情況適當調整電壓，對線路壓降進行有效補償，從而讓輸出電壓浮動數值保持在5%以下，不用受到市電波動的影響，在延長供電距離的同時，為供電系統的安全運轉提供有效保障[3]。

2.3 優勢特征

a）擁有很強的經濟實用性。由于遠距離供電系統電壓等級只有0.6 ～1 kV，因此其可以采用6 mm2導線。這種導線的價格較為便宜，制造成本只相當于低壓380 V 供電系統的60%左右。同時這種供電系統使用時間長，不用維護，有著比風光互補供電系統更為優越的市場前景。

b）遠距離供電系統不需要像以前的供電方案進行二次電壓轉換。

c）輸電距離長。由于遠距離供電系統電壓等級只有0.6～1 kV，線路壓降相比其他供電方案要低，輸電電纜線徑也非常小，因此系統擁有很大的傳輸負荷容量，供電上擁有很大穩定性，能夠對更遠距離的用電設備供電。

d）中心電源與下端電源可進行通信與智能控制。前端可選用電池組，提供不間斷智能供電，能夠讓關鍵設備在出現市電供電故障狀況下正常運轉，這為系統的及時維修爭取了時間。

3 用電設備介紹

3.1 電源發生器

電源發生器主要是由四大構建組成的：第一是變壓器固定繞組；第二是控制調節繞組；第三是輸出繞組；第四是電流采樣可調節控制回路。電源發生器可提前設置一個電壓值，當負載電流出現變動的時候，結合輸出電流反饋而來的信息，電源發生器能夠對升壓變壓器輸出電壓進行合理調節，從而讓對負載需求進行有效滿足。倘若負載電流數值不斷提高，那就表示線路壓降也在不斷提升，如此一來就必須合理提升出口電壓；倘若負載電流數值不斷降低，同時也會帶動線路壓降不斷下降，如此一來就必須合理降低出口電壓。

電源發生器主要擁有如下幾種特征：

a）擁有過流、過壓保護等性能。

b）軟硬件都應用了抗干擾設計，有效提升了對外來干擾的預防能力。

c）能夠智能診斷用電設備的故障，為設備及時維修贏取時間。

d）內嵌管理單元，監控設備運行狀況以及參數變化。

e）能夠對電流和電壓數值進行數字顯示。

f）所有線路都采用了防潮技術，可在潮濕地區廣泛應用。

3.2 隔離變換器

隔離變換器主要承接來自電壓器或者是變電站的輸出電流，如果線路負荷不斷提升，那么其線路電流量也會隨之提升，從而讓線路電壓也跟著不斷提升。在這個時候，隔離變換器需要對接受的電流電壓進行提高，如此一來才能夠讓后級穩壓電源的輸入電壓和相關要求保持一致。如果線路負荷不斷降低，其線路壓降也會隨之不斷降低，這樣一來，隔離變換器通過提高輸入電壓數值，才能夠讓后級穩壓電源的輸入電壓和相關要求保持一致。

隔離變換器主要擁有如下幾項優勢特征：

a）擁有很高的輸出精度、波形極少出現失真情況、響應時間短以及負載短路自動保護、抗干擾能力強等特點。

b）能夠有效降低電壓的沖擊力。

c）主要使用模塊化設計，元件出現故障以后，不影響其他元件的正常運轉，為故障維修提供了很大便利。

d）設有通訊接口，能夠實現和計算機系統的相連。

3.3 供電電纜

遠距離供電系統所應用的導線，主要采用了2×6 mm2或2×10 mm2兩種規格，額定電壓為800 V；最高耐壓為1 kV；最高耐溫為90 ℃，最低耐溫為-20 ℃，敷設方式主要以管道敷設為主。

4 總結

綜上所述，遠距離供電系統作為一種新型的供電方式，輸電距離遠、電流穩定強、電纜敷設成本低、性價比高，在高速公路中擁有非常好的發展前景，是我國高速公路在今后改造所廣泛應用的一種供電方案，因此我們必須對其優化方案進行合理設計，這樣才可以在滿足高速公路供電特征的前提下，有效降低工程施工難度和成本，從而推動我國高速公路在交通智能化上取得良好的發展。