王敏

（中交四航局江門航通船業(yè)有限公司，廣東江門 529145）

0 引言

從1988年我國修建的第一條約20km的上海滬嘉高速公路開始，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，如今我國高速公路通車總里程已經(jīng)突破150 000km，數(shù)據(jù)仍在不斷刷新中。高速公路按照專業(yè)劃分，大致可以劃分為土建工程（包括路基、橋梁、隧道）、路面工程、機(jī)電工程、交安工程、綠化房建工程等。本文所討論的沿線監(jiān)控設(shè)施即為機(jī)電工程的一個(gè)分部。本文以筆者參與建設(shè)的廣西貴隆高速、開春高速、廣連高速為背景，對高速公路沿線監(jiān)控設(shè)施遠(yuǎn)距離供電的不同方案進(jìn)行探討，對不同的項(xiàng)目選擇何種供電方式提供參考。

1 高速公路沿線監(jiān)控設(shè)施

高速公路常見的沿線監(jiān)控設(shè)施有監(jiān)控?cái)z像機(jī)、可變情報(bào)板、車輛檢測器等設(shè)備，圖1分別為監(jiān)控?cái)z像機(jī)、車輛檢測器和懸臂式可變情報(bào)板，沿線監(jiān)控設(shè)施主要為高速公路使用者提供及時(shí)的路況信息或?yàn)楦咚俟愤\(yùn)營單位提供道路運(yùn)行狀態(tài)信息，及時(shí)處理各類突發(fā)事件，保障高速公路為用戶提供良好的服務(wù)。

圖1 幾種常見的高速公路沿線監(jiān)控設(shè)施

高速公路往往選在地處相對偏遠(yuǎn)、人口不太密集的地方，用電負(fù)荷不密集，電網(wǎng)接入難度大。本文將逐一對沿線監(jiān)控設(shè)施的供電方式進(jìn)行介紹。

2 幾種高速公路沿線供電方案分析

2.1 直接供電

2.1.1 直接供電設(shè)備適用范圍

高速公路沿線能夠提供電網(wǎng)接入的地方，主要集中在管理中心（處）、收費(fèi)站、隧道口、服務(wù)區(qū)、停車區(qū)、養(yǎng)護(hù)工區(qū)（居住區(qū)）等處所。高速公路沿線的監(jiān)控設(shè)施如果距離上述處所附近，一般2km以內(nèi)，便可考慮采用從變電所市電直接供電，變電所內(nèi)的柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，當(dāng)市電中斷之后，能夠及時(shí)提供應(yīng)急電力保證。

2.1.2 直接供電優(yōu)缺點(diǎn)

上述各類處所從公路建設(shè)成本和實(shí)際需求考慮，不會(huì)太密集，因此，由上述各類處所，即市電接入點(diǎn)相距往往超過4km，更有超過30km的情況。由于供電壓降和電纜成本的因素，供電半徑小，直接供電的處所無法覆蓋高速公路沿線所有的監(jiān)控設(shè)施，直接供電設(shè)備覆蓋率不高。另外，由于直接供電電纜往往需要沿著高速公路路肩挖溝直埋埋設(shè)，需采用帶鎧裝的供電電纜，提高了供電電纜的采購成本。設(shè)備采用直接供電，供電回路不需額外的設(shè)備投入。

2.1.3 關(guān)于直接供電的壓降計(jì)算

如前所述，直接供電的供電半徑小，主要是由于負(fù)載負(fù)荷不變的情況下，線路越長，電纜線徑如果不增加，供電壓降越大，當(dāng)壓降超過5%時(shí)，就無法滿足供電壓降允許要求，壓降計(jì)算的可變量涉及線芯的材料（銅導(dǎo)體或鋁導(dǎo)體、導(dǎo)線截面積、供電距離、用電設(shè)備容量）等。線路壓降情況比較復(fù)雜，還與使用的線纜材料質(zhì)量、線纜運(yùn)行溫度等均有關(guān)系，下文對日常使用的單相AC230V和三相AC380V供電以及分別使用銅纜或鋁纜的情況下的壓降進(jìn)行計(jì)算分析。

（1）單相AC230V供電時(shí)

單相供電時(shí)，線路電壓損失率百分?jǐn)?shù)可按下式計(jì)算：

式（1）中：ΔU%為電壓損失百分?jǐn)?shù)，如為2，則電壓損失率為2%；P為用電設(shè)備容量（負(fù)荷功率）（W）；l為輸送距離（供電距離）（m）；γ為導(dǎo)體電阻率（20℃時(shí)），[銅導(dǎo)體為54m/（mm2·Ω），鋁導(dǎo)體為32m/（mm2·Ω）]，另外，在20℃時(shí)，銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體最大直流電阻值見表1；S為導(dǎo)線截面積（mm2）；U為線路額定電壓230V（此處為固定值）。

表1 幾種常見截面積銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體在20℃時(shí)最大直流電阻值

通過式（1）可以看出，其他條件不變的情況下，線路壓降（ΔU%）與負(fù)載功率（P）以及線路長度（l）成正比，與導(dǎo)線的截面積（S）成反比。

以型號為YJV22 2×6mm2的鋁電纜為例，供外場監(jiān)控?cái)z像機(jī)P=100W，應(yīng)用計(jì)算式，在5%壓降下，供電距離l鋁=ΔU%·γSU2/（2P·100）=5×32×6×2302÷（2×100×100）=2539m。若使用YJV22 2×6mm2的銅電纜，則供電距離l銅=ΔU%·γSU2/（2P·100）=5×54×6×2302÷（2×100×100）=4285m。

（2）三相AC380V供電時(shí)

若整條線路的導(dǎo)線截面、材料、敷設(shè)方式都相同，且功率因素cos?≈1時(shí)，線路電壓損失率百分?jǐn)?shù)可按下式計(jì)算：

式（2）中：ΔU%為電壓損失百分?jǐn)?shù)，如為2，則電壓損失率為2%；∑M為總負(fù)荷矩（kW·m），∑M=∑PL；P為總負(fù)荷（kW）；L為線路全長（m）；S為導(dǎo)線截面積（mm2）；C為電壓損失系數(shù)，根據(jù)電壓和導(dǎo)線材料而定，具體見表2。

表2 電壓損失系數(shù)C

①表中C值為假設(shè)線芯工作溫度為50℃，γ為導(dǎo)體電阻率，銅導(dǎo)體γ=48.5m/（mm2·Ω），鋁導(dǎo)體γ=28.8m/（mm2·Ω）時(shí)。

②Uel為額定線電壓（kV）。

③導(dǎo)體工作溫度不同時(shí)，C值會(huì)略有差異。

2.2 風(fēng)能太陽能供電

2.2.1 風(fēng)能太陽能使用條件

在風(fēng)能、太陽能豐富的高速公路沿線地區(qū)，可采用小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能光伏板或兩者結(jié)合的風(fēng)光互補(bǔ)的方式。單個(gè)外場監(jiān)控設(shè)備的負(fù)荷功率不大，例如監(jiān)控?cái)z像機(jī)，普遍不到100W，節(jié)能型的攝像機(jī)可低至20W左右。因此，在高速公路沿線分布的監(jiān)控設(shè)備，在遠(yuǎn)離市電接入的區(qū)域使用風(fēng)能、太陽能或風(fēng)光互補(bǔ)的供電方式，是一種不錯(cuò)的選擇。

2.2.2 風(fēng)能太陽能供電優(yōu)缺點(diǎn)

風(fēng)能太陽能供電的優(yōu)勢在于無需長距離敷設(shè)供電電纜，施工便捷，可快速投入使用。距離市電接入點(diǎn)越遠(yuǎn)，優(yōu)勢就越明顯。同時(shí)風(fēng)能太陽能屬于綠色能源，與國家推行的低碳環(huán)保目標(biāo)相符。以一臺外場攝像機(jī)0.1kW計(jì)算，每年節(jié)省的電能W=0.1×24×365=876kWh，還未計(jì)算線路上的損耗，當(dāng)外場設(shè)備多，功率更大時(shí)，風(fēng)能太陽能供電系統(tǒng)節(jié)省的能源就比較可觀了。

但風(fēng)能太陽能供電方案的劣勢也很突出。首先，機(jī)會(huì)成本高。以廣東地區(qū)為例，在廣東地區(qū)，早期沿線監(jiān)控設(shè)施使用風(fēng)光互補(bǔ)的方式，而現(xiàn)在主要以太陽能供電的方式為主。由于風(fēng)能在時(shí)間維度分布不均，且有最低風(fēng)速要求，太陽能供電則在廣東的梅雨季節(jié)，有時(shí)長達(dá)一個(gè)月見不到陽光，對太陽能供電系統(tǒng)是一個(gè)考驗(yàn)。

2.3 交流升降壓遠(yuǎn)供

相較于前文所述的集中供電方式，高速公路沿線監(jiān)控設(shè)施交流遠(yuǎn)供方案主要是升壓后的母線電壓等級不同。有升壓至AC660V、AC800V或升壓至AC3.3kV等不同電壓等級的方案。根據(jù)項(xiàng)目的負(fù)載大小和供電距離情況，選取合適的電壓等級，升壓后的母線采用兩芯電纜。交流遠(yuǎn)供系統(tǒng)在變電所將交流電源通過升壓變壓器和一系列保護(hù)電路，或稱為電源發(fā)生裝置（上位機(jī)），將母線電壓提升至所設(shè)計(jì)的電壓等級，然后在沿線監(jiān)控設(shè)備附近設(shè)置下位機(jī)設(shè)備，通過降壓變壓器和相應(yīng)的穩(wěn)壓保護(hù)電路，將母線電壓降至設(shè)備所需的電壓，如230V。1kV是常規(guī)定義高壓和低壓的分界線，日常接觸較多的是低壓的電器產(chǎn)品，包括母線電纜，低壓供電電纜工作電壓0.6/1kV即可，但如果遠(yuǎn)距離供電的系統(tǒng)電壓超過1kV，常規(guī)的低壓供電電纜耐壓無法滿足要求，需要選擇和供電系統(tǒng)工作電壓相適應(yīng)的高壓電纜。

2.4 升降壓遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)供

升降壓遠(yuǎn)距離供電是近年來很多高速公路沿線監(jiān)控設(shè)施供電的首選方案，隨著設(shè)備防護(hù)技術(shù)的不斷提升，供電可靠性也得到了保障。其優(yōu)勢在于供電距離遠(yuǎn)、供電容量大，降低供電線纜的導(dǎo)線截面后，能夠降低供電線纜的成本，同時(shí)為供電電纜吹纜施工敷設(shè)創(chuàng)造條件，大幅降低了高速公路沿線施工難度，確保施工質(zhì)量和電纜敷設(shè)后的成品保護(hù)。

升降壓遠(yuǎn)距離供電也存在一些不足，首先是升壓遠(yuǎn)距離供電電網(wǎng)諧波的問題，由于沿線監(jiān)控設(shè)施大部分自帶電源適配器，最終將交流轉(zhuǎn)換為低壓直流給設(shè)備本身，因此負(fù)載中存在著大量的整流電源。大量的整流電源屬于非線性負(fù)載，在供電線路產(chǎn)生了過量的諧波（THD），加之升降壓遠(yuǎn)距離供電的電源發(fā)生裝置（上位機(jī)）容量有限，因此整個(gè)升降壓供電網(wǎng)絡(luò)中的THD含量往往過大，易對供電網(wǎng)絡(luò)中的元器件造成損壞、設(shè)備工作異常的情況，因此當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)中THD過大，如超過5%時(shí)，需要考慮增加濾波裝置，提升電源質(zhì)量。

3 結(jié)語

綜上所述，市電接入點(diǎn)密集、供電距離不大的情況，可以采用直接供電的方式。對于已經(jīng)建成的高速公路增加沿線監(jiān)控設(shè)施，推薦使用風(fēng)能太陽風(fēng)供電的方式。而對于大里程新建高速公路，使用升降壓遠(yuǎn)距離供電的方式更為合適。應(yīng)根據(jù)不同高速公路建成里程的規(guī)模、沿線市電接入的密集程度，選擇合適的供電方式，并推廣采用新的電纜敷設(shè)工藝。