高速公路監控系統LCP 供電方式應用

侯軍健

（山西交通控股集團有限公司晉中高速公路管理公司，山西 晉中 030811）

引言

我國高速公路目前已基本實現全程監控，高速公路沿線設置了監控外場設備，整體上呈帶狀分布，與設置在服務區、收費站、高速公路管理中心的變電站之間有著較長的距離，對供電方式的要求相對較高。傳統10 kV/220 V 供電方式施工難度大、電能消耗量大、成本較高。太陽能供電方式節能環保、施工簡單，但后期維護難度較大。LCP 供電是一種適用于小容量、長距離的“浮動電壓”供電方式，具有施工方便、結構簡單、造價較低等諸多優勢，在高速公路監控系統中有著良好的應用價值[1]。

1 高速公路監控系統低壓供電方式的不足

低壓380 V 直接供電是高速公路系統目前常用的一種供電方式，也是最為簡捷的一種供電方式，其適用范圍為變電站附近500 m 之內，主要采用變電站配電室進行供電，收費廣場、收費站、高速公路管理中心的機電系統設備，可采取低壓380 V 直接供電方式進行供電[2]。

高速公路的監控外場設備與變壓站之間的距離較遠，因此低壓380 V 直接供電方式無法滿足監控外場設備的供電需求，主要原因在于線路壓降過大。通常情況下，低壓供電系統中的線電壓、相電壓分別為220 V/50 Hz、380 V/50 Hz，因此，直流阻抗、感抗、容抗等線路阻抗的存在，導致輸電線路出現了線路壓降。

線路壓降（△U）的計算公式如下：

式中：I 為負荷電流，R 為線路阻抗。以銅導線為例，截面積為10 mm2的銅導線，阻抗為1.9 Ω/km，低壓供電系統中電纜的容抗、感抗約為0.09 Ω/km，僅為銅導線阻抗的1/30，因此容抗、感抗可忽略不計。假設監控外場設備與變壓站之間的距離為5 km，對監控外場設備進行供電的時候，供電線路的綜合阻抗為5 km×1.9 Ω/km×2=19 Ω。供電線路末端電壓降，根據現行電力標準的要求，不可超過5%，即220 V×5%=11 V。鑒于此，工作電流不可超過11 V/19 Ω=0.58 A。不考慮功率因數的情況下，實際輸送功率為220 V×0.58 A=127.6 W，無法滿足監控系統更遠距離、更大功率的用電需求。低壓供電系統中供電距離、電壓之間的關系如圖1 所示。

圖1 中陰影部分為合格電壓范圍220 V±22 V（220 V×10%）。電流（I）為0.5 A、出口電壓為220 V的時候，供電距離約為6.5 km。為延長供電的距離，一般情況下，會在出口端適當增加出口電壓，從而在電流保持不變的前提下實現供電距離的增加，如圖1中，I1=0.5 A。但實際上，隨著用電設備的不斷運轉，電流也時刻發生著變化，電流在I1～I2 之間變化的時候，10 km 處的供電電壓在180～220 V 之間變化，180 V不符合供電質量的要求。相關研究指出，隨著負荷、距離的加大，供電電壓的變化可能高達數百伏。面對這樣的情況，單純采取提高出口端出口電壓的方式，即升降壓方式，不能解決供電過程中由于負荷改變而導致的電壓波動現象。為實現長距離供電質量、供電效率的提高，實際進行長距離供電的時候，通常是采取加大導線截面積、降低導線阻抗的方式。雖然這種方式可以有效增強供電能力，但施工難度較大、成本較高。因此，需要采取一種更為科學、合理的供電方式。

2 LCP 供電方式在高速公路監控系統中的應用

2.1 LCP 供電方式的原理

LCP 供電方式是一種適用于小容量（＜30 kVA）、長距離（500 m～20 km）的“浮動電壓”供電方式。基于低壓380 V 直接供電方式存在的線路壓降過大的問題，可采取浮動電壓來對部分線路壓降進行抵消，以滿足高速公路監控系統小負荷、長距離的供電需求。LCP 供電系統便是基于這樣的需求為被研發出來的，通過應用隔離變換器、交流電源發生器來代替升降壓變壓器，隨著負載電流的改變電壓也會適時浮動，可以實現小容量、長距離供電，與高速公路監控系統的供電需求相符合[3-5]。

2.2 LCP 供電系統的設備

LCP 供電系統主要由三部分組成，即電源發生器、隔離變換器和供電電纜。電源發生器、隔離變換器發揮著重要的作用。

1）電源發生器由輸出繞組、控制調節繞組、變壓器固定繞組和電流采樣可調節控制回路等部分組成，根據輸出負載電流的變化情況，對輸出電壓進行及時調整。電源發生器運行中，主要是按照提前設定好的數值來輸出電壓，如果負載電流出現改變，根據接收到的輸出電流反饋，調節升壓變壓器輸出，從而使電壓可以滿足負載需要。如果負載電流降低，線路壓降也會降低，應當將出口電壓調低。如果負載電流提高，線路壓降也會提高，便要將出口電壓升高。出口電壓降低、升高的幅度，應控制在LCP 供電系統中各點隔離變換器可允許輸入電壓的限值之內。如果因為負載電流發生改變導致各點電壓的變化情況在隔離變換器的允許范圍之內，則隔離變換器便會優先調節、穩壓輸出。只有電流出現劇烈變化，且不能滿足各點隔離變換器輸入電壓要求，方可需要對電源發生器的輸出電壓進行調節。

2）隔離變換器由控制器、電流變換器、輸入變壓器和后級穩壓器等部分組成。隔離變換器設置在負載側，可根據線路上的電流，對輸出電壓進行調節，以確保輸出電壓保持穩定。隔離變換器可同時在供電線路上獲取電流、電壓的數據。線路負荷降低的情況下，線路壓降也會降低，此時可借助獲取的電流，實現輸入電壓的降低。線路負荷上升的情況下，線路電流降、電壓壓降也會提高，此時可借助獲取的電流，實現輸入電壓的增加，確保后級穩壓器的輸入可以滿足要求。

3 高速公路監控系統中LCP 供電方式的適用性分析

3.1 成本分析

采取低壓380 V 直接供電方式，為降低線路壓降，通常應用增加電纜線徑的方法，粗線徑的電纜成本較高，且在高速公路邊坡等部位進行敷設的時候難度較大。采取LCP 供電方式，可使用小線徑電纜，成本較低、便于施工、且重量相對較輕，還可以穿管敷設。

3.2 供電質量分析

采取低壓380 V 直接供電方式，供應同樣負荷的情況下，升壓后可降低用電電流，進而實現線路壓降的減小。但由于升降壓的變換比是固定的，因此，實際運行中往往會因用電負荷改變，使用電端電壓發生波動。同時，升降壓比是固定的，電網電壓波動會給用電側的輸出電壓帶來干擾。兩種因素疊加，導致電壓波動的加劇，尤其是夜間，過電壓可能會導致設備發生損壞。采取LCP 供電方式，以用電負荷電流為依據，電源發生器可對輸出電壓進行隨時調節，負荷電流固定的情況下，電源發生器處于穩定狀態，以更好地滿足輸出電壓的要求。負荷電流發生改變的情況下，電源發生器處于調壓狀態，外電電壓波動不會給系統帶來干擾。隔離變換器、電源發生器均是根據負荷電流來調節變比，在輸出端的超寬范圍進行穩壓。因此，將輸出電壓穩定在5%以下，且不受外界因素的干擾，可確保設備安全。

3.3 節能性分析

采取低壓380 V 直接供電方式，能耗的組成部分包括升壓變壓器、降壓變壓器和線路消耗。雖然其運行效率可達到90%以上，運行電能消耗相對較小，但線纜的生產能耗較大，導致其整體能耗較大。采取LCP 供電方式，能耗的組成部分包括電源發生器、隔離變換器和線路消耗。電源發生器、隔離變換器的運行效率約為88%，相對較低，運行電能消耗相對較大，但線纜的生產能耗較小，因此整體能耗也比較小。

3.4 擴展性分析

采取低壓380 V 直接供電方式，需要對系統中各點的電壓進行仔細核對，如果用電設備的位置改變，便要重新進行核算，有時甚至還要更換設備。由此可見，這種供電方式下，系統的擴展性較差，如果未來需要增加、減少用電設備，不僅要重新核算、規劃，還可能更換設備。采取LCP 供電方式，在系統負荷允許的范圍之內，可任意增加負荷、移動設備，擴展性較好。

4 結語

高速公路監控系統供電具有小容量、遠距離的特征，低壓380 V 直接供電這一固定升降壓的供電方式無法滿足高速公路監控系統的供電需求，應采取LCP供電這一“浮動電壓”的供電方式，以滿足高速公路監控系統小容量、遠距離的供電需求，保障高速公路監控系統的正常運行，充分發揮監控系統的作用，確保高速公路的長期安全穩定運營。