徐聯(lián)祺， 周 京， 楊 晨， 鄭玲嬌， 趙 愷

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 湖南 長沙 410200)

0 引言

ETC門架系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高速公路不停車收費(fèi)的重要設(shè)施，在供電要求上屬于一級負(fù)荷供電，一旦斷電將會影響收費(fèi)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，ETC門架系統(tǒng)供電方案及智能運(yùn)維方案將在取消省界收費(fèi)站項(xiàng)目中起到至關(guān)重要的作用。本文通過對比分析，提出了切實(shí)有效的供電方案選擇原則。

1 ETC門架負(fù)荷

收費(fèi)站ETC門架系統(tǒng)供電情況有3類(見表1)。

表1 ETC門架系統(tǒng)供電情況分類收費(fèi)站帶ETC門架數(shù)量/個(gè)負(fù)荷/kW具體情況2 7～9 收費(fèi)站單側(cè)有ETC門架414～17收費(fèi)站雙側(cè)有ETC門架/單側(cè)省界ETC門架621～25收費(fèi)站雙側(cè)有ETC門架,其中一側(cè)為省界站

本研究為保證設(shè)備可靠供電，暫未將ETC門架系統(tǒng)以外的其他負(fù)荷接入供電系統(tǒng)。同時(shí)，根據(jù)取消高速公路省界收費(fèi)站相關(guān)要求，為確保ETC門架系統(tǒng)供電穩(wěn)定可靠，ETC門架系統(tǒng)專電專用，不利用監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)。

2 供電方式比選

參考高速公路機(jī)電系統(tǒng)的常規(guī)供電方式：對于距變電站2 km以內(nèi)的用電設(shè)備通常采用低壓380 V/220 V直接供電，對于2 km以上的設(shè)備通常采用遠(yuǎn)距離升壓的方式對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行供電。

根據(jù)供電負(fù)荷與供電距離，考慮門架系統(tǒng)設(shè)備允許壓降以及功率因數(shù)，對直接供電和遠(yuǎn)距離升壓供電方案進(jìn)行比較(見表2)。

表2 直接供電和遠(yuǎn)距離升壓供電方案比較兩個(gè)ETC門架單側(cè)供電距離/km直接供電(允許壓降5%、功率8.3 kW、功率因數(shù)0.85、三相380 V)4芯不等截面鋁合金電纜線徑/mm2電纜單價(jià)/(萬元·km-1)每側(cè)電纜造價(jià)/萬元雙側(cè)電纜造價(jià)/萬元1.55081 64012.2524.491.870121 29021.8343.66270111 96022.3944.782.295149 50032.8965.782.395149 50034.3968.772.595149 50037.3874.753120165 36049.6199.22

續(xù)表2 直接供電和遠(yuǎn)距離升壓供電方案比較2個(gè)ETC門架單側(cè)供電距離/km直接供電(允許壓降7%、功率8.3 kW、功率因數(shù)0.85、三相380 V)4芯不等截面鋁合金電纜線徑/mm2電纜單價(jià)/萬元·km-1 每側(cè)電纜造價(jià)/萬元雙側(cè)電纜造價(jià)/萬元1.53560 1909.0318.061.85081 64014.7029.3925081 64016.3332.662.25081 64017.9635.922.370121 29027.9055.792.570121 29030.3260.65370121 29036.3972.772個(gè)ETC門架單側(cè)供電距離/km遠(yuǎn)距離供電2芯不等截面鋁合金電纜線徑/mm2電纜單價(jià)/萬元·km-1 每側(cè)電纜造價(jià)/萬元遠(yuǎn)距離供電發(fā)射器與轉(zhuǎn)化器造價(jià)/萬元造價(jià)合計(jì)/萬元1.52530 1864.5319.535.061.82530 1865.4319.536.8722530 1866.0419.538.072.22530 1866.6419.539.282.32530 1866.9419.539.892.52530 1867.5519.541.0932530 1869.0619.544.11

綜合考慮供電點(diǎn)的距離情況，從節(jié)省造價(jià)、便于施工、可靠運(yùn)營等方面考慮，ETC門架系統(tǒng)供電方案推薦了： ① 2個(gè)ETC門架單側(cè)供電和4個(gè)ETC門架雙側(cè)供電:2.2 km以內(nèi)采用直接供電，2.2 km以上采用遠(yuǎn)距離升壓供電；②6個(gè)ETC門架雙側(cè)供電和4個(gè)ETC門架單側(cè)省界供電建議采用遠(yuǎn)距離升壓供電(因省界站側(cè)距離較遠(yuǎn)，暫不考慮直接供電)。

3 遠(yuǎn)距離供電方式比較

在遠(yuǎn)距離升壓供電方案前提下，直流與交流供電方式的優(yōu)劣比較，見表3。

表3 直接供電和遠(yuǎn)距離升壓供電方案比較序號比較項(xiàng)目直流供電方式交流供電方式1實(shí)現(xiàn)原理采用固定升降壓方式。首段將電壓升高到一定范圍,用電端再通過整流逆變將電壓變成220 V。系統(tǒng)柔性不強(qiáng),很難實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)備和小功率設(shè)備的混合供電采用浮動電壓技術(shù)供電。電源發(fā)生器根據(jù)線路負(fù)荷電流在一定范圍內(nèi)自動實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓,用電側(cè)隔離變換器同樣根據(jù)用電負(fù)荷電流自動調(diào)整降壓比,然后再經(jīng)過二次寬穩(wěn)壓輸出。采用二次穩(wěn)壓技術(shù),輸出電壓穩(wěn)定,各用電負(fù)荷之間不相互影響,大小功率設(shè)備可混合使用,且對今后擴(kuò)容、負(fù)載調(diào)整靈活方便

續(xù)表3 直接供電和遠(yuǎn)距離升壓供電方案比較序號比較項(xiàng)目直流供電方式交流供電方式2供電質(zhì)量由于此供電方式首末端都沒有穩(wěn)壓設(shè)備,因此很難保證用電端電壓波動范圍在±5%以內(nèi),供電質(zhì)量無法保證電源發(fā)生器根據(jù)用電負(fù)荷電流調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)負(fù)荷電流固定時(shí),電源發(fā)生器實(shí)際工作在穩(wěn)壓狀態(tài),以滿足輸出電壓要求;當(dāng)負(fù)荷電流變化時(shí),工作變?yōu)檎{(diào)壓狀態(tài)。因此系統(tǒng)不會受到外部電電壓波動的影響。因?yàn)殡娫窗l(fā)生器和隔離變換器均根據(jù)負(fù)荷電流調(diào)節(jié)變比,加上用電端輸出端的超寬范圍穩(wěn)壓,可確保用電電壓穩(wěn)定在±3%以內(nèi),不受外界因素影響。供電質(zhì)量高,可以保證用電設(shè)備安全3安全性,可靠性此供電方式現(xiàn)場端主要靠斬波振蕩逆變實(shí)現(xiàn),使用了大量的電子設(shè)備,電子設(shè)備受環(huán)境影響較大,裝置可靠性差。且此供電方式現(xiàn)場端設(shè)備按規(guī)定外殼應(yīng)接地,導(dǎo)致與變電所供電設(shè)備的接地點(diǎn)構(gòu)成回路,容易產(chǎn)生環(huán)流,裝置防雷性能差系統(tǒng)采用浮動電壓原理,浮動電壓最高為800 V。屬于低壓供電范圍,所有開關(guān)設(shè)備、接線端子、電纜都可以按照低壓供電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn),維修配件易于采購。運(yùn)行維護(hù)只需普通低壓電工即可,符合高速公路管理運(yùn)行模式。設(shè)備投運(yùn)后基本上屬于免維護(hù)狀態(tài)。運(yùn)行簡單,維護(hù)方便,操作安全4節(jié)能比較比傳統(tǒng)供電方案節(jié)能,運(yùn)行電能消耗略小 。由于使用大量電子設(shè)備,雖然供電質(zhì)量不高,但損耗也很小比傳統(tǒng)供電方案節(jié)能,由于在用電段增加電源變換和二次穩(wěn)壓設(shè)備,設(shè)備消耗略有增加,但增加量極小,幾乎可以忽略

綜上分析，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，推薦采用交流升壓遠(yuǎn)距離供電方式。

4 其他

4.1 電纜

推薦采用鋁合金鎧裝電纜，電纜選用特定顏色標(biāo)識(建議為橙色)。與銅電纜相比，造價(jià)低、減少被盜風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 路由

電纜及光纜沿路側(cè)敷設(shè)，全線采用25 cm×12cm的C15混凝土包封，過水溝采用鋼管保護(hù)C15混凝土包封；跨普通路面采用切割路面鋼管保護(hù)，鋼管采用φ89和φ83型號。

4.3 后備電源

根據(jù)《高速公路ETC門架系統(tǒng)技術(shù)要求》(交辦公路函(2019)856號)相關(guān)內(nèi)容，ETC門架系統(tǒng)需要7×24 h不間斷進(jìn)行供電，由于門架與收費(fèi)站有一定距離，在供電線路出現(xiàn)故障時(shí)需要有后備電源來保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。每個(gè)ETC門架處設(shè)置后備電源，采用N+l冗余方式，備用時(shí)間為4 h。

5 結(jié)論

根據(jù)ETC門架系統(tǒng)的負(fù)荷要求，在保證門架系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行的前提下，比較了不同距離、不同供電方式的工程造價(jià)，最終確定了ETC門架系統(tǒng)供電方案的選擇原則，為工程項(xiàng)目的順利實(shí)施，奠定了良好的基礎(chǔ)。