王武崗

（河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責任公司，河南鄭州 450052）

公路遠程供電方案選擇

王武崗

（河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責任公司，河南鄭州 450052）

結(jié)合高速公路設(shè)備用電需求，通過對傳統(tǒng)的供電方案與分布式智慧節(jié)能供電方案的對比分析，確定高速公路設(shè)備的最佳供電方案。同時以12公里高速公路設(shè)備供電為例，分別采用傳統(tǒng)10KV供電和分布式智能供電兩種方案進行供電，并對兩種方案進行對比分析。

高速公路；綠色低碳；分布式智能供電

黨的十六屆六中全會提出建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會的要求，黨的十八大提出將生態(tài)文明納入“五位一體”的總要求中，將“綠色發(fā)展”提到前所未有的高度。新形勢下，交通運輸部決定開展綠色低碳公路主題性試點工作，進一步推動公路交通的綠色發(fā)展、低碳發(fā)展。

三門峽至淅川高速公路（以下簡稱三淅高速）作為重要的能源運輸和旅游觀光通道，同時項目施工難度最大、橋隧比高（58.58%），沿線環(huán)境敏感度高，具備中部山區(qū)高速公路的典型特征。以三淅高速作為綠色低碳試點，通過全方位、全過程貫徹綠色低碳理念，探索綠色低碳公路的建設(shè)管理經(jīng)驗。秉持這一理念，三淅高速不僅將被建成“感知公路”、“數(shù)字公路”和“智能公路”，同時還在全線橋梁實施黃光LED霧燈，在跨河橋梁下建設(shè)橋面徑流凈化與事故應(yīng)急系統(tǒng)。為保證這些感知設(shè)備、數(shù)字設(shè)備、智能交通設(shè)備、環(huán)保設(shè)備的有效供電，本文從供電可靠性、維護難易等方面進行分析比較來確定一種高效可靠的供電方案。

1 供電方案分析

1.1 低壓380V直接供電方案

低壓380V供電系統(tǒng)，即通過變電站低壓配電柜向外場設(shè)備直接供電，供電距離一般在4km以內(nèi)[1]。為了保證長距離供電遠端設(shè)備的用電質(zhì)量，經(jīng)常會采用增大電纜截面積的辦法。此方法可以提高供電能力，但是也會快速增加電纜成本，具體方案如圖1所示。

圖1 低壓380V直接供電方案系統(tǒng)圖

1.1.1 方案優(yōu)點

（1）供電電纜和設(shè)施要求耐壓等級低，較經(jīng)濟。（2）建設(shè)和維護成本較低。（3）設(shè)計施工難度適中。

1.1.2 方案不足

（1）傳輸距離短（一般在4km以內(nèi)），供電能力弱。（2）由于系統(tǒng)內(nèi)為三相電壓，因此負載端需要三相平衡。（3）電纜成本根據(jù)傳輸距離和負載情況變化幅度較大。

1.2 高壓10kV間接供電方案

高壓10kv間接供電方案，從變電所高壓柜引出10kv電壓傳輸至負載較集中的位置，通過變電箱變壓至380V向附近的負載供電。具體方案如圖2所示。

圖2 高壓10kV間接供電方案系統(tǒng)圖

1.2.1 方案優(yōu)點

（1）傳輸距離遠（一般在10km-14km范圍內(nèi)）。（2）供電能力強。

1.2.2 方案不足

（1）供電電纜和設(shè)備耐壓等級要求高，造價成本高。（2）設(shè)計和施工難度較高。（3）由于10kV電壓通過變壓器降壓為380V后，仍需要通過電纜傳輸至附近用電點，因此需要敷設(shè)10kV等級和1kV等級兩條電纜，造成電纜重復(fù)敷設(shè)。（4）負載端需要三相平衡。（5）為保證用戶端不對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，需要配置昂貴的隔離變壓器。

1.3 升降壓660V供電方案

660V升降壓供電方案，在變電所設(shè)置升壓變壓器，將380V升壓至660V，傳送至負載較集中的位置，再通過降壓變壓器降壓至380V向附近的負載供電。具體方案如圖3所示。

圖3 升降壓660V供電方案系統(tǒng)圖

1.3.1 方案優(yōu)點

（1）相比10kV供電方案，供電電纜和設(shè)備耐壓等級要求降低，較經(jīng)濟。（2）相比10kV供電方案，設(shè)計和施工難度降低。（3）相比380V供電方案，供電距離長，供電能力強。

1.3.2 方案不足

（1）與10kV方案相同，電纜需要重復(fù)敷設(shè)，負載端需要三相平衡。（2）只適用于中距離（一般在4km-10km）、中等負載容量供電，長距離、大容量供電能力不足。

1.4 風光互補供電方案

風光互補供電方案在風能或太陽能較為充沛的地方比較適用，系統(tǒng)使用中無污染，維護簡便，能源豐富[2]。系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 風光互補供電方案系統(tǒng)圖

1.4.1 方案優(yōu)點

（1）系統(tǒng)使用中無污染。（2）無需繁雜布線。（3）能源豐富。（4）維護簡便。

1.4.2 方案不足

（1）供電能力有限，太陽能轉(zhuǎn)化效率低。（2）使用范圍受限。當?shù)啬昶骄L速大于3.5m/s，同時年度太陽能輻射總量不小于5 000MJ/m2是風光互補發(fā)電系統(tǒng)推薦使用區(qū)。（3）設(shè)備造價昂貴。（4）蓄電池壽命極短，維護成本高[3]。（5）太陽能板、蓄電池等設(shè)施易被盜。

1.5 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)

采用三相380V輸入，采用IGBT作為主要功率元件的大功率逆變技術(shù)，將三相電轉(zhuǎn)化為單相電，并通過上端電源柜輸出單相3.3KV（660V～10kV可選）電壓。通過電纜將電力輸送到各用電點。在用電點（一個、多個或串型用電點）再通過下端電源箱將3.3KV電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V電壓向負載供電。具體方案如圖5所示。

圖5 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)方案圖

1.5.1 方案優(yōu)點

（1）傳輸距離遠（4～30km）。（2）經(jīng)濟實用，由于采用單相電壓輸出，可減少電纜芯數(shù)，降低電纜造價。（3）單相電壓輸出，負載端無需三相平衡。（4）供電質(zhì)量穩(wěn)定，由于采用3.3kV電壓傳輸，線路壓降小，電壓穩(wěn)定。（5）良好的防雷擊功能?？膳鋫淙哂嗷芈?，實現(xiàn)容錯設(shè)計，可以有效抵御雷擊過電壓。（6）線路電壓可調(diào)。根據(jù)外場負載設(shè)備，可選擇660V～10kV電壓進行傳輸。（7）下端電源箱輸出回路電壓可控、可調(diào)。下端電源箱可輸出多個回路，可對每個回路進行開關(guān)、調(diào)壓操作。（8）上端電源柜可同時接入多路市電，可同時接入柴油發(fā)電機等應(yīng)急發(fā)電設(shè)備。（9）上端電源柜可配置蓄電池，實現(xiàn)不間斷智能供電和應(yīng)急供電功能。（10）上端電源柜通過CPU處理模塊將用戶側(cè)與電網(wǎng)側(cè)隔離，防止用戶側(cè)用電對電網(wǎng)的影響，同時防止電網(wǎng)側(cè)的浪涌電流對用戶用電設(shè)備的沖擊。（11）上端電源柜可對系統(tǒng)進行功率因數(shù)補償，有效提高系統(tǒng)功率因數(shù)，節(jié)省電能。

1.5.2 方案不足

（1）不宜對距離短且成放射狀的設(shè)備供電。（2）下端電源箱無法提供三相電源。

2 供電方案對比

根據(jù)以上分析，本文對各供電方案的優(yōu)缺點進行對比，具體結(jié)果見表1。

表1 高速公路供電方案優(yōu)缺點分析對比表

根據(jù)對比表1可知，分布式智慧節(jié)能供電更適合于負荷沿高速公路呈帶狀分布，用電設(shè)備遠離供電點，且電負荷為單相負荷，如情報板、攝像機、微波車輛檢測器、氣象檢測器等。

3 案例分析

以12km高速公路全程監(jiān)控進行方案對比，監(jiān)控攝像頭間隔1km，路段內(nèi)還有門型情報板、F型情報板、超速抓拍、車輛檢測器等設(shè)備[4]。

3.1 分布式智慧節(jié)能供電

圖6 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)方案案例圖

3.2 傳統(tǒng)10KV供電方案

圖7 傳統(tǒng)10KV供電方案案例圖

3.3 方案對比分析

傳統(tǒng)10kV供配電系統(tǒng)制造電纜共需用銅9.79噸，智慧節(jié)能供電需用銅1.41噸，節(jié)約銅比例為85.6%。智慧節(jié)能供電也能更好地保證3相負載平衡，較高的功率因數(shù)，憑借其較高的智能化程度，能更好地保證電源質(zhì)量，達到節(jié)能減排的效果。

表2 供電方案電纜用量對比表

[1]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊（第二版）[M].中國電力出版社，2005：57-60.

[2]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005：187-205.

[3]（澳）D.A.J.Rand（美）P.T.Moseley閥控式鉛酸蓄電池[M].機械工業(yè)出版社，2007：154-264.

[4]河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責任公司.三淅高速公路西坪至寺灣（豫鄂省界）段機電詳細設(shè)計[M].2013：1.

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