郭亞喆

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

2017-08-25

郭亞喆(1983- )，男，山西平遙人，助理工程師，大學(xué)本科。

1674- 4578(2017)05- 0028- 03

高速公路UPS+直流高壓傳輸遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭亞喆

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

隨著高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，高速公路全程監(jiān)控手段已經(jīng)越來(lái)越多地被高速公路管理者運(yùn)用到實(shí)際路段中，而設(shè)備供電問(wèn)題也隨之困擾著廣大管理者，一邊是不斷提高的運(yùn)用管理服務(wù)水平，一邊是有限的投資經(jīng)費(fèi)。UPS+直流高壓傳輸遠(yuǎn)程供電作為一種新型、穩(wěn)定的供電方式，在通信和大型企業(yè)中已有較為成熟的應(yīng)用。本文通過(guò)與高速公路傳統(tǒng)供電方式的對(duì)比，提出了UPS+直流高壓傳輸遠(yuǎn)程供電方式的可行性。

全程監(jiān)控；UPS；直流高壓傳輸遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)

近年來(lái)，我國(guó)高速公路建設(shè)飛速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1999年我國(guó)高速公路總里程突破1萬(wàn)km，2003年年底超過(guò)2萬(wàn)km，2014年年底超過(guò)11萬(wàn)km，2016年總里程突破了13萬(wàn)km，居世界第一。隨著高速公路通車(chē)?yán)锍痰目焖僭鲩L(zhǎng)，人們對(duì)公路交通服務(wù)水平的要求也越來(lái)越高，尤其是對(duì)安全因素越來(lái)越重視。然而近些年高速公路交通事故頻繁發(fā)生，且呈較大上升幅度。為了減少交通事故的發(fā)生，保證道路暢通，提高道路的使用率，交通部要求各地相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)高速公路機(jī)電工程的建設(shè)，采用先進(jìn)監(jiān)控技術(shù)手段，減少并及時(shí)處理交通事故，在保證高速公路暢通的同時(shí)，為高速公路的養(yǎng)護(hù)及堵截漏逃費(fèi)行為提供輔助手段。

高速公路道路沿線(xiàn)外場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備包含各類(lèi)安全設(shè)施(如：霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)、微波車(chē)輛檢測(cè)器、爆閃燈等警示標(biāo)志、可變情報(bào)板、風(fēng)速風(fēng)向儀、能見(jiàn)度檢測(cè)儀和攝像機(jī)等)，其主要的特點(diǎn)是點(diǎn)多、面廣、線(xiàn)長(zhǎng)，且大部分都是小功率的負(fù)載，用電負(fù)荷為沿線(xiàn)分散性負(fù)荷，尤其是越來(lái)越多的路段正在實(shí)施和完善全程監(jiān)控設(shè)備，這是智能高速發(fā)展的趨勢(shì)和方向。因此，遠(yuǎn)程供電是外場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)需要解決的一大難題。

目前高速外場(chǎng)供電電源大部分是采用低壓變壓器產(chǎn)生220 V或380 V的供電電壓，由于用低壓電纜向遠(yuǎn)處供電，長(zhǎng)距離傳輸只有以加大電纜截面的代價(jià)來(lái)解決，雖然保證了供電質(zhì)量，但造成壓降增大，這就增加了工程投資和施工難度，特別是多根粗電纜過(guò)特大橋梁，施工難度更大，也造成巨大的浪費(fèi)。

因此，如何針對(duì)高速公路外場(chǎng)電力設(shè)施遠(yuǎn)距離供電的問(wèn)題，提出一套環(huán)保、節(jié)約、穩(wěn)定、可行的輸電供電方案，專(zhuān)用于高速公路外場(chǎng)遠(yuǎn)距離的設(shè)備供電，是一項(xiàng)十分意義重大的工作。

UPS是不間斷電源的縮寫(xiě)，其工作原理是交流市電電源輸入由整流器轉(zhuǎn)換為直流電源，逆變器將此直流電源或轉(zhuǎn)換為交流電提供給負(fù)載，市電中斷時(shí)，由電池通過(guò)逆變器給負(fù)載提供后備電源，市電電源還可通過(guò)靜態(tài)旁路向負(fù)載供電，需對(duì)UPS進(jìn)行保養(yǎng)或維修時(shí)，可將負(fù)載切換到維修旁路供電，保障電源不中斷。

而UPS+直流高壓傳輸遠(yuǎn)程供電技術(shù)則是通過(guò)把傳統(tǒng)交流電傳輸改變?yōu)橹绷麟妭鬏?。采用直流輸電，使得電網(wǎng)功率因素達(dá)到最高，進(jìn)一步提高電纜的輸電能力，同時(shí)直流輸電對(duì)設(shè)備的干擾比交流輸電小得多，通過(guò)改變傳輸方法，不僅可以節(jié)省傳輸線(xiàn)纜的截面，而且可更好地解決高速公路外場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)距離不間斷供電的問(wèn)題。

根據(jù)常規(guī)互通區(qū)設(shè)置機(jī)電設(shè)備情況(互通兩側(cè)設(shè)置可變信息情報(bào)板、路段云臺(tái)攝像機(jī)、氣象檢測(cè)器和微波車(chē)輛檢測(cè)器等常規(guī)設(shè)備)，其傳輸距離一般在4公里左右，如果采用中壓供電方式一般單項(xiàng)需要選擇25～35平方左右的線(xiàn)纜進(jìn)行供電才可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電，且距離越長(zhǎng)則線(xiàn)徑越粗、投資成本越高。

如果采用UPS+高壓電纜供電+變壓器降壓遠(yuǎn)程供電相結(jié)合的方案對(duì)外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離的設(shè)備供電，則可以大大節(jié)省投資，從供電的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性及穩(wěn)定性等因素考慮都是十分可行的。該方案是通過(guò)把傳統(tǒng)交流電傳輸改變?yōu)橹绷鞲邏簜鬏?，使得電網(wǎng)功率因素達(dá)到最高，進(jìn)一步提高電纜的輸電能力，同時(shí)通過(guò)改變傳輸方法，可以節(jié)省傳輸線(xiàn)纜的截面，更好地解決外場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)距離供電線(xiàn)路損耗及欠壓的問(wèn)題。

1 直流高壓輸電的優(yōu)越性

1) 直流高壓輸電是采用UPS+兩線(xiàn)制的兩極直流輸電線(xiàn)路，相比交流低壓輸電時(shí),輸送同等功率、輸送同等距離，輸電的電纜線(xiàn)徑相同。

例如使用400 V傳輸

使用2×10 mm線(xiàn)纜電阻=0.017/10×1 000=1.7 Ω(km)

4 km電阻=1.7×4=6.8 Ω

傳輸5 kW設(shè)備供電電流=5 000/400×0.8=10 A

電纜損耗=10×10×6.8=680 W(400 V傳輸?shù)膿p耗)

采用660 V傳輸5 kW設(shè)備供電電流=5 000/660×0.8=6 A

電纜損耗=6×6×6.8=244.8 W(660 V傳輸?shù)膿p耗)

計(jì)算可以看出損耗明顯降低。

2) 高壓輸電比低壓輸電線(xiàn)路損耗較小，因此在同負(fù)荷前提下，通過(guò)計(jì)算相比最大可以節(jié)約64%電費(fèi)。

3) 國(guó)家電網(wǎng)都是采用高壓傳輸，節(jié)省電力資源。

4) 設(shè)備簡(jiǎn)單、直觀，故障率低，維修方便。

5) 安全性，直流供電方式局端發(fā)送設(shè)備的輸入輸出端在電氣上完全隔離，輸出的直流高壓電平對(duì)地懸浮，線(xiàn)路不接地，因此，在傳輸電纜和外場(chǎng)用電設(shè)備處，即使有一級(jí)被人或動(dòng)物觸碰或發(fā)生接地短路時(shí)，均不會(huì)造成觸電危害；同時(shí)，相對(duì)于交流供電方式在遭受雷擊時(shí)，可能會(huì)引起供電段全線(xiàn)所掛設(shè)備損壞，直流供電方式的電氣隔離使得外場(chǎng)設(shè)備在遭受雷擊時(shí)僅能影響到直接遭受雷擊的設(shè)備，防雷效果更好。

2 系統(tǒng)工作原理及方式

全線(xiàn)采用YJV2×10的銅芯電纜，其耐壓性達(dá)1 000 V以上，局端處理器通過(guò)UPS輸入交流電，經(jīng)升壓隔離變壓器轉(zhuǎn)換至直流高壓，經(jīng)2芯電纜傳輸至終端降壓，可降低電纜的無(wú)功損耗。

終端降壓變壓器在接收到遠(yuǎn)端輸送來(lái)的高壓電能，把送來(lái)的高壓進(jìn)行隔離降壓，轉(zhuǎn)換成負(fù)載需要的正弦波交流220 V電壓，保障互通附近監(jiān)控設(shè)備的正常工作。

3 遠(yuǎn)供設(shè)備的選擇原則

圖1 常規(guī)互通外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)施布設(shè)圖

如圖1所示，設(shè)備滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行,最經(jīng)濟(jì)的選配功率≥實(shí)際最大功率×(130%～150%)。

因用電設(shè)備啟動(dòng)、情報(bào)板信息變動(dòng)、爆閃燈的迅速充放電等因素，瞬時(shí)的過(guò)電流會(huì)引起電壓波動(dòng)，過(guò)載抗沖擊電流≥實(shí)際工作最大電流×(130%～150%)。

變壓器供電系統(tǒng)與互通區(qū)域設(shè)備用電及功率匹配選擇。

根據(jù)常規(guī)情況得出設(shè)備用電量計(jì)算如表1。

表1 監(jiān)控設(shè)施外場(chǎng)設(shè)備布設(shè)一覽表

算出實(shí)際最大功率約為12.2 kW。

因此，局端升壓器選擇為25 kVA機(jī)型，放置在變電所。

P總(道路設(shè)備總功率W)=P局(kVA)×0.8

P局(kVA)=P總(道路設(shè)備總功率kW)/0.8=15.25 kVA

P(kVA)=P局(kVA)×(130%-150%)取140%≈21.35 kVA另考慮到線(xiàn)路損耗原因，故選25 kVA(25×80%=20kVA)

遠(yuǎn)端降壓器選擇為1kVA、3kVA、5kVA三款產(chǎn)品，為節(jié)約成本，可分別就近安裝在外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備配電箱內(nèi)。

產(chǎn)品實(shí)際選型示意圖如圖2。

4 該套系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中的意義

該套系統(tǒng)已成熟地運(yùn)用在電信領(lǐng)域多年，尤其是在偏遠(yuǎn)山區(qū)等人煙較少的區(qū)域更是得到了廣泛的運(yùn)用。不僅在通信行業(yè)，在大型企業(yè)中已有較為成熟的應(yīng)用，其以安全、穩(wěn)定、可靠、環(huán)保的特性，漸漸

成為替代傳統(tǒng)供電的一種趨勢(shì)。而對(duì)于高速公路來(lái)說(shuō)，該套系統(tǒng)的運(yùn)用效果也顯而易見(jiàn)，首先是從經(jīng)濟(jì)角度考慮，不僅降低了投資成本，而且從施工的角度來(lái)講也減輕了施工壓力，同時(shí)因不需要和電業(yè)局等部門(mén)進(jìn)行溝通，減少了占地和征地的協(xié)調(diào)問(wèn)題，給運(yùn)營(yíng)單位的后期維護(hù)和管理提供了更多的方便，不僅穩(wěn)定性高、損耗降低、投資減少、同時(shí)維修及保養(yǎng)成本也隨之下降。

圖2 產(chǎn)品實(shí)際選型示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

在高速公路監(jiān)控設(shè)施中，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)供電或常規(guī)供電實(shí)施條件有限的情況下，運(yùn)用UPS+直流高壓傳輸遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)進(jìn)行供電，可達(dá)到施工便捷、節(jié)約成本、綠色環(huán)保的目的。由于地理位置不同，可變情報(bào)板、攝像機(jī)及其相關(guān)設(shè)備功耗不同、廠家不同等因素，在實(shí)際工程施工中應(yīng)結(jié)合設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行具體的選型配置。

[1] 張寧寧.交通部：2016全國(guó)高速總里程已突破13萬(wàn).卡車(chē)之家，2016.12.

唐占文.高速公路監(jiān)控系統(tǒng)引入高壓直流技術(shù)探討.內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2014(2):77-78.

鮑東玉.高壓直流供電在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息,2016(22):342-343.

DesignandImplementationofUPS+DCHighVoltageTransmissionRemotePowerSupplySystemforExpressway

Guo Yazhe

(ShanxiXATAutomationEngineeringCo.,Ltd.,TaiyuanShanxi030012,China)

With the rapid development of highway construction, the whole monitoring method of expressway has been increasingly applied to the actual highway management section. But the problem of power supply for equipment is also plagued for the majority of managers, for on one hand is the continuous increasing in the use of management services, while on another hand is the limitation for investment funds. As a new and stable power supply mode, UPS+ DC high voltage transmission remote power supply has already been applied in communications and large enterprises. By comparing with the traditional power supply mode of expressway, this paper puts forward the feasibility of UPS+ DC high voltage transmission remote power supply mode.

whole process monitoring; UPS; DC high voltage transmission remote power supply system

TN86

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