高速公路主線直流供電照明系統方案探討

廖景懷

（廣東省公路建設有限公司,廣東 廣州 510630）

0 引言

隨著我國高速公路里程不斷增長，高速交通流的不斷恢復，整體道路交通事故維持較高的水平。根據廣東省珠三角核心區域某高速的數據顯示，該路段2021 年日均車流10 萬輛，處于四級服務水平，2021 年路段的百萬車公里事故率約1.23%，夜間事故比例超過了20%，且主要以夜間視線不良造成追尾為主，大交通流下的事故問題日益凸顯。高速公路主線照明是減少夜間事故數量的主要措施之一，按照系統的傳統方案一般造價水平為每公里200 萬元左右，投資建設成本高，也成為制約高速營運單位推廣使用的因素之一。因此，確保高速公路主線照明系統安全穩定運行，滿足設計規范要求的前提下，如何通過應用新技術、新系統實現節約整體實施成本，降低工程造價，對于主線道路照明的推廣發揮著重要作用。

1 照明設計原則

1.1 主要功能

（1）為車輛駕駛員夜間行駛創造良好的視覺環境，保證道路行車安全。

（2）提高公路的夜間誘導性，增加夜間行車的安全感和舒適感，提高通行能力和交通運輸效率。

（3）點亮道路，美化城鎮環境。

1.2 主要設計指標

照度、亮度、均勻度、眩光控制等技術指標均應達到或超過國家有關道路照明標準的規定，根據《公路照明技術條件（GB/T 24969—2010）》要求，以普通雙向六車道高速公路為例，按照規范規定的公路照明等級二級標準設計，具體包括道路平均照度Eav ≥20 Lx（匝道≥30 Lx），平均亮度Lav ≥1.5 cd/m2，亮度均勻度Lmin/Lav ≥0.4，縱向均勻度：Lmin/Lav ≥0.6，分合流區域平均照度Eav ≥30 Lx，道路節能LPD ≤0.85（計算值取0.62），另公路照明的維護系數按0.7 計算，道路照明具有良好的誘導性[1]。

1.3 采取節能技術，降低電能消耗

1.3.1 照明燈具

設計方案首選采用LED 燈具，主要技術指標包括IP65 的防護等級及密封等級，電氣絕緣一級，3 500~4 000 K 的色溫，燈具電源或驅動使用壽命不低于30 000 h，整燈光效不低于150 lm/W，其中，燈珠光源平均壽命不應低于50 000 h，光源在其使用末期，光通量應不低于初始值的70%。同時，考慮安全性因素，燈具應配置檢測控制模塊、通信模塊、智能調光模塊，以便于實現燈具的亮度控制。當調光系統故障時，延時10 min 后燈具亮度應自動調節到100%，以確保道路通行安全環境。結合新技術的發展，可進一步探討燈具采用分布式直驅芯片驅動LED 方式，提高照明系統的節能效率。

1.3.2 調光控制系統

該次設計采用LED 電源，供配電系統在照明控制柜內設置燈具調光控制器，可在燈具亮度的0%~100%范圍內對全線路燈進行無極調節，在車流量較小的下半夜通過調節燈具亮度實現節能。調光控制系統具備時間控制、集中遠控、就地控制3 種控制功能，并可實現全部燈具同時調光功能。道路照明開關燈的天然光照度水平均為20 Lx。

1.3.3 照明控制平臺功能模塊

（1）GIS 地圖功能。可查詢地圖上照片電纜部署以及各路燈集中器位置信息。

（2）設備管理與控制功能。系統支持對集中控制器、燈桿、單燈控制器、開關模塊、開關、電表模塊、電表、智能電表、輸入量模塊、輸入量、防盜單燈控制器等設備進行管理，實現遠程開關功能、分組控制功能、多樣化控制。

（3）數據查詢功能。支持單播、廣播、組播的方式查詢燈具狀態、燈具亮度、燈具實時數據，實時數據支持電壓、電流、有功功率、功率因數、漏電壓等參數，集中控制器電表數據查詢功能[2]。

（4）故障報警功能。系統支持故障路燈精確地在地圖上定位并顯示出具體的故障原因。報警信息可以通過上位機實現報警，還可通過手機短信系統支持報警歷史查詢。

（5）數據統計功能。系統支持節能量統計功能，能統計每個開關控制箱的節能信息，并且根據電價直接計算出節省的電費費用。

（6）用戶管理。系統支持管理用戶的新增、修改、刪除，對賬戶的管理、權限設置及日志管理。

1.4 經濟型照明布設方案

結合新型LED 照明燈具的應用，提出主線照明的經濟型布設方案：

（1）一般路基段照明，采用12 m 單臂低桿路燈在兩側護欄外側對稱布置，光源為220 W 的LED 燈，間距為40 m。

（2）橋梁段照明，采用11 m 單臂低桿路燈在兩側護欄對稱布置，光源為220 W 的LED 燈，間距為40 m。

（3）匝道段照明，采用10 m（橋梁段為9 m）單臂低桿路燈在道路單側均勻布置，光源為140 W 的LED 燈，間距為25 m。

（4）展寬段，采用12 m（橋梁11 m）單臂低桿路燈在兩側護欄對稱布置，光源為250 W 的LED 燈，間距為40 m。

2 供配電系統方案

2.1 設計原則

（1）體現“技術先進、經濟合理、節省能源、維修方便”以及“先進性與實用性相結合、安全性和可靠性相結合、標準化與統一化相結合、開放性和擴充性相結合”的原則，滿足安全、可靠、優質、經濟的要求。

（2）該系統的構成依據路段照明系統的具體要求，遵照相關專業標準進行設計。

（3）供電設計以供電可靠性為前提，結合國內較先進的技術、工藝和當前電力發展水平[3]。

（4）整個系統應按照經濟、合理的原則，并考慮遠期冗余。

2.2 供電系統

2.2.1 高壓系統

原則上可根據負載均勻設置箱式變電站，變電站高壓側采用單路10 kV 供電方式，電源應結合地方電網設置情況就近引入，并盡可能地采用供電部門業擴方式，減少投資和后期的營運維護工作。

2.2.2 傳統交流供電存在問題

交流供電方案中，高速公路沿線電纜、燈具接頭均存在漏電風險，同時燈桿接地不良或者被雨水浸透容易造成漏電事故。

同時，LED 燈具需配置AC/DC 驅動電源，導致燈具的結構和功能復雜，可靠性不強。

2.2.3 直流供電系統組成

直流供電系統，即多脈沖高壓直流集中供電系統，核心技術是航空系統采用的多脈沖變壓整流技術（TRU）。一般來說，系統架構為集中式整流及分布式驅動，首先在前端將AC380 V 交流電轉變為高壓直流（DC400 V 或DC750 V），通過正負極兩線供電至LED 照明燈具處，這樣LED 燈具不再需要將交流轉換直流的電路設計，只需要DC/DC 電路，將直流降壓恒流供給LED，具體系統示意如圖1 所示。

圖1 直流DC400 V 供電系統示意圖

2.2.4 直流供電系統優勢

（1）損耗低供電距離遠。采用直流供電，綜合無線路感抗容抗以及電流集膚效應的影響，提高了供電半徑，使得整體損耗降低，供電距離相比交流供電更具優勢。

（2）安全性高。采用直流懸浮（隔離）供電模式，單極漏電不觸電，與交流供電相比，安全性高，漏電觸電風險低。

（3）壽命長。直流供電技術的驅動電源采用無電解電容設計，從根本上解決了壽命瓶頸問題，整燈壽命延長1~2 倍，節省后期運營成本。

（4）效率高燈具驅動電源效率可高達98%，多脈沖集中電源效率可高達96%。

（5）可靠性高。采用航空電源常用的多脈沖變壓整流技術，可靠性等同于變電站內變壓器。

（6）環境適應性強。核心組件為多脈沖變壓器，實質為工頻變壓器，其環境適應性更強，可適應戶外-40~60 ℃高低溫環境[4]。

2.3 主要關鍵設備

2.3.1 箱式變電站

（1）主要功能。箱式變電站高壓電源線進線前設有跌落式高壓熔斷器、避雷器等高壓保護設備。高壓出線柜采用熔斷器和帶接地刀閘負荷開關組合柜。變壓器采用SC(B)15 系列干式變壓器。低壓柜內設有低壓電容自動補償柜，以減低運行中的無功功率損耗。在箱變附近設置照明控制柜，柜內設有照明節能控制裝置，可分段投切負荷，同時可進行人工、時間自動控制、光敏控制，時控開關和光控開關可根據時間和環境自動開關燈具，同時還可以實現調光功能，照明控制柜內還應設置交通信號燈等用電的電源進線和出線開關設備。

（2）技術指標。變電站應滿足《高壓/低壓預裝式變電站》（GB 17467—2020）和《高壓/低壓預裝箱式變電站選用導則》（DL/T537—2018T）的要求。變電站應滿足GB 17467 和DL/T537 的要求。

變壓器：采用SC(B)15 系列干式電力變壓器，變壓器應滿足《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB20052—2020）要求，其能效不低于二級標準。

配電柜應符合GB7251.1《低壓成套開關設備和控制設備》的規定。

2.3.2 直流配電柜

（1）主要性能要求。多脈沖直流遠程供電系統局端機采用多脈沖變壓整流技術，其核心部件是一個繞組結構經特殊設計的變壓器。為保證可靠性和穩定性，主功率變換電路中不得采用可控半導體元件。

（2）主要技術指標：

額定輸入電壓：AC380 V±15%，50 Hz；

額定功率：60 kW/90 kW；

額定輸出電壓：DC750 V±20%；

輸出紋波電壓（峰—峰值）：≤3%；轉換效率：96%≤30%~100%負載的效率≤99%；功率因數PF：0.96 ≤30%~100%負載的功率因數≤0.99；

總諧波畸變率THD：≤10%（50%~100%負載）；軟啟動時間：<1 s，無過沖；

交流輸入防雷參數：Up ≤2.8 kV，In=60 kA；

保護功能配置：具有缺相，偏相，過欠壓，直流短路，過載，過溫，直流輸出絕緣監測保護；供電模式：懸浮供電（隔離）；

整流方式：多脈沖變壓器整流，為確保可靠性，主功率變換電路中不得采用可控。

（3）元器件組成。應配置有整流變壓器、半導體元件、空氣開關、防雷器、智能儀表等部件。

2.3.3 低壓配電柜

配電柜應符合《低壓成套開關設備和控制設備》（GB7251.1）的規定。

3 防雷接地系統

3.1 防雷設施

低壓配電柜低壓電源總進線回路、照明控制箱內母線：各箱變低壓電源總進線開關下端需要安裝能防御10/350 us 波形雷電流幅值的開關型的電涌保護器SPD1，其雷電測試電流Iimp=15 kA，響應時間ta ≤1 us，電壓保護水平Up ≤2 kV。

低壓配電柜其他供電回路：電容無功補償裝置、低壓配電柜各段母線（每段母線1 套）、應急電源回路，均需要安裝能防御10/350 us 波形開關型和能防御8/20 us波形限壓型的復合式電涌保護器SPD2。限壓型電涌保護器要求最大放電電流Imax=40 kA，響應時間ta ≤25 ns，保護電平Up=2 kV。

3.2 接地設施

電力系統接地采用T-T 系統，工作、防雷和保護接地共用。接地系統應保證電氣連接通暢。變電站和路燈采用人工接地體和照明線路連續設置的PE 線連接作為防雷和保護接地網。路燈低壓電纜采用三相四線五芯電纜，電纜PE 保護線將所有路燈接地極連接起來，并與每桿燈桿底板焊接組成保護接地系統，以保證設備運行和人身安全。系統接地電阻不得大于4 Ω，照明燈桿的接地電阻不得大于4 Ω，所有焊接必須牢固、無虛接，接地線應防止發生機械損傷和化學腐蝕[5]。

4 結語

該文介紹了高速公路主線道路照明系統化方案，全面梳理了照明系統、供配電系統、防雷接地系統的設計內容，并探討了已在數據中心、軌道交通、輪船、航空領域廣泛使用的直流供電系統的技術引入應用的系統化方案。在整體建設成本上，一方面減少了10 kV 外電系統的引入，從而降低建設成本，綜合建設成本降低約20%，同時對沿線布置低壓供電電纜，運營維護人員不再需要高壓相關證件，減少運營方面的技術人員成本。