淺談現代高速公路項目供配電技術

摘 要：鑒于我國高速公路沿線環境和用電設備配置的多樣性，首先介紹了現有高速公路的4種供電系統：傳統低壓（380/220 V）直接供電系統、高壓（10 kV）間接供電系統、風光互補供電系統、遠程供電系統，并分析了各系統的優缺點，同時給出了遠程供電系統的設計案例，最后簡要闡述了智慧供電系統的發展優勢。

關鍵詞：高速公路；供電系統；遠程供電；智慧供電

中圖分類號：U417? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.022

0? ? 引言

近年來，隨著無人駕駛、全程監控、車聯網的發展，國家出臺了一系列智慧高速的相應政策文件，強調了智慧高速公路建設的重要性。同時，各省加大了對高速公路全程監控系統、惡劣氣象預警系統以及消冰融雪系統等智能設施的投資建設，這些都極大地增加了高速公路沿線機電設備的數量，同時也對高速公路供配電系統提出了更高的要求。

1? ? 現有高速公路供配電系統

我國早期高速公路的用電設備主要集中在收費站和服務區附近，因此從收費站和服務區采用低壓直接供電最為方便有效，但隨著交通行業的快速發展，高速公路沿線配套設施迅速增加，低壓直接供電已不能滿足用電需求，多種供電系統應運而生。

1.1? ? 傳統低壓（380/220 V）直接供電系統

低壓直接供電系統是將從場區設備房中低壓饋線柜引出的380 V三相交流電，通過低壓電纜輸送到附近監控、收費等用電設備，向其直接供電的一種供電形式[1]。

由于供電電纜具有一定的電阻，電流流過時就會產生相應的壓降，設備端的電壓要小于饋線柜出口端電壓。

電阻計算公式為：

R=ρ

式中：R為導線電阻；ρ為導線電阻率；L為導線的長度；S為導線的橫截面積。

由電阻計算公式可以知道，在相同環境條件下電纜的電阻與電纜長度成正比，與電纜截面積成反比，在收費站和服務區設備房附近的設備，供電電纜較短，電纜電阻及壓降較小，可以直接從低壓饋線柜引出供電電纜為設備供電；當供電距離較遠時，供電電纜較長，電纜電阻及壓降較大，當壓降過大時，電纜末輸出端電壓會低于設備工作電壓，此時設備將無法正常工作。

低壓直接供電系統優點是不需要進行升降壓轉換，供電系統結構簡單，可操作性強、經濟性好，缺點是供電距離較短，主要集中在收費站和服務區設備房附近，一般距離不超過2 km，是目前高速公路近距離供電時使用最多的一種方案。

傳統低壓直接供電系統具體如圖1所示。

1.2? ? 高壓（10 kV）間接供電系統

高壓間接供電系統是將設備房高壓開關柜中10 kV的高壓電，首先通過高壓電纜輸送至用電設備處，再通過變壓器將10 kV電壓降至380 V后，向用電設備供電。該系統的主要優點是傳輸距離較遠，一般能達到10 km左右，同時供電能力也優于低壓直接供電系統。雖然該系統解決了低壓直接供電系統傳輸距離有限的問題，但是系統結構較復雜，存在電壓等級變換，且供電電纜耐壓等級和設備要求較高，綜合建設成本較高，故經濟性低于傳統低壓直接供電系統，通常該系統用于高速公路大型橋梁及特長隧道路段。

高壓（10 kV）間接供電系統具體如圖2所示。

1.3? ? 風光互補供電系統

風光互補供電系統是在風能或太陽能較為充沛的地方，采用包含風力發電裝置、光伏發電裝置以及儲能裝置的小型風光互補設備將風能和太陽能轉化為電能，向用電設備供電。

該系統的優勢在于不需要從場區配電房引出電力，供電位置靈活，能解決部分偏遠地點供電不方便等問題；同時減少供電設備和供電電纜的建設投入，節約用電，降低工程建設成本和運營成本；此外，該系統充分利用了自然資源，是一種綠色、有效的方案。雖然該供電系統優勢很突出，但劣勢同樣也很突出，其供電能力受天氣、環境影響大，發電效率不穩定，無法長期為用電設備提供穩定電源，如遇無風陰雨天氣風光互補供電系統將面臨極大的考驗；同時風光互補設備的儲能裝置壽命有限，后期運營維護成本較高，因此該系統僅適用于取電不便的地方及供電負荷要求不高的設備。

1.4? ? 遠程供電系統

遠程供電系統[2-3]是近年來隨著高速公路負載容量以及供電距離的不斷增加而產生的。該系統由一個帶有升壓功能的電源發生器、遠距離輸電母線（兩芯供電電纜）、若干個帶有降壓功能的隔離電源轉換器組成。

當供電電纜橫截面積和供電距離一定時，電阻值不變，根據功率公式P=I2R、P=UI以及歐姆定律U=IR，可以通過增加供電電壓的方式來降低供電電纜上的電壓降，保證電纜遠端的電壓滿足用電設備的使用要求，從而解決高速公路遠距離供電問題，一般遠程供電系統供電距離能達到10～25 km。

遠程供電系統具體如圖3所示。

工程上在收費場區或服務區設備房內設置交流電源發生器，將低壓饋線柜引出的380/220 V電壓提升至1 kV左右；在外場設備處設置交流隔離電源轉換器，將1 kV電壓降至220 V后再給外場設備供電，中間電壓等級可根據用電負荷、供電距離進行合理選擇，且交流電源發生器和交流隔離電源轉換器輸出端具有防雷保護、欠壓保護、過壓保護、短路保護等功能，能夠保障用電設備的電壓質量。遠程供電系統因其自身的供電能力、供電距離等特點被高速公路行業快速認可，并得以廣泛應用。

遠程供電系統主要優勢體現在以下幾點：

（1）供電距離遠。通過將380/220 V電壓先升壓，終端再降壓的方式，保證末端輸出電壓滿足設備用電要求，同時也降低了傳輸過程中的電能損耗。

（2）具有隔離功能。交流隔離電源轉換器具有隔離市電電網作用，能防止市電的浪涌電流對高速公路沿線用電設備的沖擊，保證設備正常運行。

（3）具有穩壓功能。遠程供電系統中配備了穩壓裝置，能為用電設備提供穩定的電壓，保障了用電設備的使用壽命，降低了運營維護成本。

（4）具有電力監控功能。遠程供電系統可配備電力監控模塊，對用電線路的運行狀態、環境溫度及濕度進行監控，保障用電安全。

（5）提高了電能質量。遠程供電系統采用單相供電，避免了三相供電負荷不平衡問題；該系統還具備補償功能，提高了功率因數，減少了無功損耗。

（6）經濟性好。遠程供電系統相較于高壓間接供電系統，使用低壓、小型號電纜，降低了系統建設成本，同時，降低了傳輸過程中電纜的能耗，電能傳輸效率更高，運營用電成本更低。

遠程供電系統又分為交流遠程供電系統和直流遠程供電系統。直流遠程供電系統相對于交流遠程供電系統的區別在于：增加了相應的整流和逆變模塊，并且遠距離輸電電纜上傳輸的是高壓直流電。正因如此，交流遠程供電系統結構相對簡單，這就使其具備了故障率低、便于維護、成本低、帶載能力強、可靠性高以及擴展性好等優勢。

1.5? ? 現有供電系統比較

無論是傳統的低壓直接供電、高壓間接供電、風光互補供電還是遠程供電系統，都在高速公路供配電業務中起著舉足輕重的作用，每種供電方式在經濟性、效能和使用效率等方面都有自己的優缺點[4]，具體如表1所示。

由表1可見，遠程供電系統在傳輸距離、帶載能力、供電質量及后期運維等方面都更具優勢，故該系統在高速公路的應用越來越廣泛，適當改造后亦可運用在大型農場、林場等特殊領域，滿足其日常管理需求。

2? ? 遠程供電系統應用案例

以某高速公路項目為例，遠程供電系統的監控外場設備布設如圖4所示。

從圖4可知，采用遠程供電方式，即在設備房端設置一套交流電源發生器將低壓饋線柜輸出的380 V交流電升壓至1 kV，并引出YJV-2×10型號的傳輸電纜后，為節點兩側沿線的監控攝像機、可變情報板及氣象預警等外場設備供電，遠端各處用電設備均采用一個獨立的交流隔離電源轉換器將高壓交流電轉變成220 V交流電。

此方案采用小規格兩芯電纜，能夠滿足高速公路遠距離外場設備用電需求，覆蓋范圍最高可達40～50 km，這進一步表明遠程供電系統具有傳輸距離長、帶載能力強、建設成本低以及擴展性好等優勢。

3? ? 技術發展趨勢

隨著國家及地方政府越來越重視打造信息化、智能化交通系統，智慧交通成為交通運輸系統的顯著特征，智慧供電系統亦得到一定的發展。

根據目前的研究[5-7]，智慧供電系統與傳統供電系統相比具有遠程控制的優點：上述幾種供電系統是通過對高低壓開關柜進行開關操作的方式來實現對輸出回路的有效控制；智慧供電系統則是通過通信系統連接前后端供電設備，在智能監控平臺實現對終端配電箱輸出回路進行開關和電壓調節的遠程控制。同時，隨著大數據分析、車聯網、車路協同及物聯網等技術的逐漸完善，可以在高速公路沿線配備車輛監測等裝置，通過對高速公路車流量、道路環境等數據進行分析，在不影響用電設備正常運行的情況下，對各輸出回路進行開關和電壓控制，從而減少供電設備自身的電能損耗。

4? ? 結束語

上述各種供電系統在高速公路發展的不同時期、不同環境下都發揮了同樣重要的作用，遠程供電系統以其傳輸距離長、帶載能力強、建設成本低以及擴展性好等優勢，被現代高速公路行業高度認可，并得到廣泛應用，為高速公路提供了高效、穩定、高品質的電力供給，保障了高速公路沿線各類用電設備的正常運行。隨著智慧供電的深入研究應用，高速公路電力供給將更加高效，智慧高速的發展將得到更加有力的支撐。

[參考文獻]

[1] 李明霞.高速公路供電方案的研究探討[J].山西交通科技，2022（3）：127-130.

[2] 秦慶飛.遠距離供電技術在公路工程項目中的應用研究[J].通信電源技術，2019，36（10）：1-4.

[3] 段陽陽，安林軒.淺談高速公路遠距離供電技術[J].中國交通信息化，2022（增刊1）：358-361.

[4] 羅陵.湖南省高速公路全網供電改造方案探討[J].中國交通信息化，2021（11）：127-132.

[5] 趙強.智慧供電系統在高速公路機電工程中的應用[J].工程建設與設計，2022（21）：120-123.

[6] 顧汶泰.智慧供電在高速公路中的應用探討[J].中國設備工程，2022（10）：26-28.

[7] 張皓垣，江婷.高速公路智慧供電技術淺析[J].中國交通信息化，2022（增刊1）：356-357.

收稿日期：2023-04-26

作者簡介：葛禮春（1987—），男，安徽巢湖人，高級工程師，主要從事高速公路機電與信息化建設和管理工作。