浅析远距离供电系统在高速公路上的应用

王陶陶

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着我国经济实力的快速提升，国内高速公路的建设规模也变的越来越大，建设总里程每年都在大幅提升。与此同时机电工程的建设速度也不断加快。由于高速公路上的机电设备一般距各类管养设施比较远，如果使用传统的供电方式，不仅会大幅提高施工成本，还会造成大量电能浪费，同时也会给后期维护带来很大麻烦。因此对高速公路而言，选择一种可靠、节能的供电方案就成为其当务之急，同时也能够为各种道路设施的有效使用提供保障，有助于高速公路将其自身的的服务功能发挥出来。远距离供电系统作为一种新型的外场设备供电方案，拥有着安全可靠、节约能源等突出特点，目前已经被很多条高速公路所应用，并取得很好的应用成效。

1 现阶段高速公路供电方案分析

随着我国高速公路数量的不断增多，其机电工程也得到了很大的发展，道路设施也不断完善，因此如何更加安全节能地解决这些设施的用电问题，特别是监控、通讯等设备，就成为高速公路亟需解决的问题。和厂矿企业、住宅建筑相比，高速公路机电设备的供电模式有很大不同，因为这些机电设备功率小，采用带状分散布局模式，配电线路非常厂。通常情况下，高速公路主要在服务区、收费站、管理站等区域设立变电站，每个变电站的距离普遍保持在10～30 km 之间。现阶段，我国绝大多数高速公路都在使用如下3 种供电模式：第一种是低压380 V/220 V直接供电；第二种是10 kV 高压供电；第三种是三相660 V 供电。除此之外，还有部分高速公路使用太阳能和风能供电，由于这种供电方式拥有很大的局限性，使用成本过高，使用数量比较少。最近一段时间以来，随着远距离供电系统的出现，这种安全稳定、电缆成本低、能源消耗低的新型供电模式，成为了很多新建高速公里的选择目标，并获得了很好的使用效果，因此得到社会的广泛关注[1]。

在现阶段，我国绝大多数高速公路的机电设置主要采用以下4 种供电方式。

1.1 低压380 V 直接供电方式

低压380 V 供电系统，实际上就是在高速公路设置变电站，然后由变电站直接向监控、通讯、警示等道路设备供电。一般情况下，变电站向外传输的电流，主要是380 V/50 Hz 线电压，220 V/50 Hz 相电压。因为各种道路设备大多数都是呈带状分散布局，要想确保电流的安全稳定，必须加大输电线路的截面积，这样才能够有效降低导线阻抗，确保电压稳定，可是这种方法会大幅提升施工成本。

1.2 高压10 kV 间接供电方案

通常情况下，如果电流的压力越大，其输电设备的耐压能力越强，相应的成本也会越高。在高速公路上，摄像机、可变情报板等设备是主要的用电设备。这些设备体积小、功率低，并且呈带状分散布局。采用高压10 kV 间接供电方案的高速，必须在这些设备密集区域设立一个变压器，再由变压器向这些设备输电。通常情况下，变压器的供电范围主要保持在4 km 内。尽管这种供电方式能够给很大区域的道路设施供电，可是其用敷设的成本非常高。

1.3 660 V 升降压供电方案

这种供电方式是高速公路在最近几年里开始广泛应用，通常情况下，高速公路的变电站在向外输电，会将原来的380 V 电压提高到660 V，机电设备在获取到输出电流时，会再将其电压降低到原来的380 V。和低压380 V 直接供电方式相比，这种供电方式的电压输送等级会相应提高1.73 倍，而电压降则比过去降低将近3 倍，因此其供电距离也将会提升到原来的3 倍，大约保持在4～10 km 之间。可是一旦高速的机电设备距离变电站的间距超过了10 km，那么其输出电流的电压将会变得极为不稳定，同时在部分区域还存在电缆反复敷设的情况，这将会大幅提升工程造价[2]。

1.4 风光互补供电方案

在我国西部地区，有部分高速公司使用的是风光互补供电方式，主要依托于太阳能发电和风能发电。这种供电方式具有零污染、使用时间长、维修快捷等优势，可是其也存在很大的局限性。

a）发电量有限。和水电、火电相比，太阳能发电和风能发电的发电效率是非常低的。现阶段，我国的太阳能和风能发电主要向监控设备等功效小、体积小的设备输电。机电设备越大，所需的太阳能和风能发电设备的规模就越大。

b）制造和维修成本高。现在一台100 W 的风光互补设备的市场价格就超过了万元。由于该设施使用电池储电，电池使用寿命非常短，通常只有3～5年，这为维修和养护工作带来很大不便。

综上所述，以上4 种供电方式，都需要通过电缆向机电设备输电，随着电缆价格不断上涨，其工程成本就会变得越来越高。第二，由于高速公路所在区域都比较空旷，电缆遭受雷击、出现过电压故障的几率非常高。第三，由于高速公路的机电设备都不具备无功补偿功能，容易造成线路损耗大幅度提升，从而让大量电能白白浪费。

2 高速公路远距离供电系统设计方案

2.1 系统结构

在高速公路长距离供电系统中，其内部构造主要包括3 部分：第一是电源发生器；第二是隔离变换器；第三是供电电缆。如图1 所示。

图1 高速公路远距离供电系统内部构造

通常情景下，远距离供电系统的电源发生器主要从外接入AC380V 三相电，在向外输出电流时，能够按照负载电流的变动，从而对其电压进行合理调节，其电压调节数值一般保持在0.2～1 kV，在关键时刻可临时提高到2 kV，可是输电电缆需要重新制作，这将会大幅提升制造成本。隔离变换器的主要功能就是将确保输出电流的电压稳定，能够为机电设备提供合理的电压。

2.2 供电原理

通常情况下，远距离供电系统在高速公路上，主要用来向容量小于30 kVA 的用电设备进行供电。这些用电设备之间间隔距离比较长，主要呈带状分散布局，距离电源的间距保持在1～20 km 之间。因为远距离供电系统主要应用了“浮动电压”供电技术，输出电流时能够按照负载电流的变动情况适当调整电压，对线路压降进行有效补偿，从而让输出电压浮动数值保持在5%以下，不用受到市电波动的影响，在延长供电距离的同时，为供电系统的安全运转提供有效保障[3]。

2.3 优势特征

a）拥有很强的经济实用性。由于远距离供电系统电压等级只有0.6 ～1 kV，因此其可以采用6 mm2导线。这种导线的价格较为便宜，制造成本只相当于低压380 V 供电系统的60%左右。同时这种供电系统使用时间长，不用维护，有着比风光互补供电系统更为优越的市场前景。

b）远距离供电系统不需要像以前的供电方案进行二次电压转换。

c）输电距离长。由于远距离供电系统电压等级只有0.6～1 kV，线路压降相比其他供电方案要低，输电电缆线径也非常小，因此系统拥有很大的传输负荷容量，供电上拥有很大稳定性，能够对更远距离的用电设备供电。

d）中心电源与下端电源可进行通信与智能控制。前端可选用电池组，提供不间断智能供电，能够让关键设备在出现市电供电故障状况下正常运转，这为系统的及时维修争取了时间。

3 用电设备介绍

3.1 电源发生器

电源发生器主要是由四大构建组成的：第一是变压器固定绕组；第二是控制调节绕组；第三是输出绕组；第四是电流采样可调节控制回路。电源发生器可提前设置一个电压值，当负载电流出现变动的时候，结合输出电流反馈而来的信息，电源发生器能够对升压变压器输出电压进行合理调节，从而让对负载需求进行有效满足。倘若负载电流数值不断提高，那就表示线路压降也在不断提升，如此一来就必须合理提升出口电压；倘若负载电流数值不断降低，同时也会带动线路压降不断下降，如此一来就必须合理降低出口电压。

电源发生器主要拥有如下几种特征：

a）拥有过流、过压保护等性能。

b）软硬件都应用了抗干扰设计，有效提升了对外来干扰的预防能力。

c）能够智能诊断用电设备的故障，为设备及时维修赢取时间。

d）内嵌管理单元，监控设备运行状况以及参数变化。

e）能够对电流和电压数值进行数字显示。

f）所有线路都采用了防潮技术，可在潮湿地区广泛应用。

3.2 隔离变换器

隔离变换器主要承接来自电压器或者是变电站的输出电流，如果线路负荷不断提升，那么其线路电流量也会随之提升，从而让线路电压也跟着不断提升。在这个时候，隔离变换器需要对接受的电流电压进行提高，如此一来才能够让后级稳压电源的输入电压和相关要求保持一致。如果线路负荷不断降低，其线路压降也会随之不断降低，这样一来，隔离变换器通过提高输入电压数值，才能够让后级稳压电源的输入电压和相关要求保持一致。

隔离变换器主要拥有如下几项优势特征：

a）拥有很高的输出精度、波形极少出现失真情况、响应时间短以及负载短路自动保护、抗干扰能力强等特点。

b）能够有效降低电压的冲击力。

c）主要使用模块化设计，元件出现故障以后，不影响其他元件的正常运转，为故障维修提供了很大便利。

d）设有通讯接口，能够实现和计算机系统的相连。

3.3 供电电缆

远距离供电系统所应用的导线，主要采用了2×6 mm2或2×10 mm2两种规格，额定电压为800 V；最高耐压为1 kV；最高耐温为90 ℃，最低耐温为-20 ℃，敷设方式主要以管道敷设为主。

4 总结

综上所述，远距离供电系统作为一种新型的供电方式，输电距离远、电流稳定强、电缆敷设成本低、性价比高，在高速公路中拥有非常好的发展前景，是我国高速公路在今后改造所广泛应用的一种供电方案，因此我们必须对其优化方案进行合理设计，这样才可以在满足高速公路供电特征的前提下，有效降低工程施工难度和成本，从而推动我国高速公路在交通智能化上取得良好的发展。