浅谈现代高速公路项目供配电技术

摘 要：鉴于我国高速公路沿线环境和用电设备配置的多样性，首先介绍了现有高速公路的4种供电系统：传统低压（380/220 V）直接供电系统、高压（10 kV）间接供电系统、风光互补供电系统、远程供电系统，并分析了各系统的优缺点，同时给出了远程供电系统的设计案例，最后简要阐述了智慧供电系统的发展优势。

关键词：高速公路；供电系统；远程供电；智慧供电

中图分类号：U417    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）16-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.022

0    引言

近年来，随着无人驾驶、全程监控、车联网的发展，国家出台了一系列智慧高速的相应政策文件，强调了智慧高速公路建设的重要性。同时，各省加大了对高速公路全程监控系统、恶劣气象预警系统以及消冰融雪系统等智能设施的投资建设，这些都极大地增加了高速公路沿线机电设备的数量，同时也对高速公路供配电系统提出了更高的要求。

1    现有高速公路供配电系统

我国早期高速公路的用电设备主要集中在收费站和服务区附近，因此从收费站和服务区采用低压直接供电最为方便有效，但随着交通行业的快速发展，高速公路沿线配套设施迅速增加，低压直接供电已不能满足用电需求，多种供电系统应运而生。

1.1    传统低压（380/220 V）直接供电系统

低压直接供电系统是将从场区设备房中低压馈线柜引出的380 V三相交流电，通过低压电缆输送到附近监控、收费等用电设备，向其直接供电的一种供电形式[1]。

由于供电电缆具有一定的电阻，电流流过时就会产生相应的压降，设备端的电压要小于馈线柜出口端电压。

电阻计算公式为：

R=ρ

式中：R为导线电阻；ρ为导线电阻率；L为导线的长度；S为导线的横截面积。

由电阻计算公式可以知道，在相同环境条件下电缆的电阻与电缆长度成正比，与电缆截面积成反比，在收费站和服务区设备房附近的设备，供电电缆较短，电缆电阻及压降较小，可以直接从低压馈线柜引出供电电缆为设备供电；当供电距离较远时，供电电缆较长，电缆电阻及压降较大，当压降过大时，电缆末输出端电压会低于设备工作电压，此时设备将无法正常工作。

低压直接供电系统优点是不需要进行升降压转换，供电系统结构简单，可操作性强、经济性好，缺点是供电距离较短，主要集中在收费站和服务区设备房附近，一般距离不超过2 km，是目前高速公路近距离供电时使用最多的一种方案。

传统低压直接供电系统具体如图1所示。

1.2    高壓（10 kV）间接供电系统

高压间接供电系统是将设备房高压开关柜中10 kV的高压电，首先通过高压电缆输送至用电设备处，再通过变压器将10 kV电压降至380 V后，向用电设备供电。该系统的主要优点是传输距离较远，一般能达到10 km左右，同时供电能力也优于低压直接供电系统。虽然该系统解决了低压直接供电系统传输距离有限的问题，但是系统结构较复杂，存在电压等级变换，且供电电缆耐压等级和设备要求较高，综合建设成本较高，故经济性低于传统低压直接供电系统，通常该系统用于高速公路大型桥梁及特长隧道路段。

高压（10 kV）间接供电系统具体如图2所示。

1.3    风光互补供电系统

风光互补供电系统是在风能或太阳能较为充沛的地方，采用包含风力发电装置、光伏发电装置以及储能装置的小型风光互补设备将风能和太阳能转化为电能，向用电设备供电。

该系统的优势在于不需要从场区配电房引出电力，供电位置灵活，能解决部分偏远地点供电不方便等问题；同时减少供电设备和供电电缆的建设投入，节约用电，降低工程建设成本和运营成本；此外，该系统充分利用了自然资源，是一种绿色、有效的方案。虽然该供电系统优势很突出，但劣势同样也很突出，其供电能力受天气、环境影响大，发电效率不稳定，无法长期为用电设备提供稳定电源，如遇无风阴雨天气风光互补供电系统将面临极大的考验；同时风光互补设备的储能装置寿命有限，后期运营维护成本较高，因此该系统仅适用于取电不便的地方及供电负荷要求不高的设备。

1.4    远程供电系统

远程供电系统[2-3]是近年来随着高速公路负载容量以及供电距离的不断增加而产生的。该系统由一个带有升压功能的电源发生器、远距离输电母线（两芯供电电缆）、若干个带有降压功能的隔离电源转换器组成。

当供电电缆横截面积和供电距离一定时，电阻值不变，根据功率公式P=I2R、P=UI以及欧姆定律U=IR，可以通过增加供电电压的方式来降低供电电缆上的电压降，保证电缆远端的电压满足用电设备的使用要求，从而解决高速公路远距离供电问题，一般远程供电系统供电距离能达到10～25 km。

远程供电系统具体如图3所示。

工程上在收费场区或服务区设备房内设置交流电源发生器，将低压馈线柜引出的380/220 V电压提升至1 kV左右；在外场设备处设置交流隔离电源转换器，将1 kV电压降至220 V后再给外场设备供电，中间电压等级可根据用电负荷、供电距离进行合理选择，且交流电源发生器和交流隔离电源转换器输出端具有防雷保护、欠压保护、过压保护、短路保护等功能，能够保障用电设备的电压质量。远程供电系统因其自身的供电能力、供电距离等特点被高速公路行业快速认可，并得以广泛应用。

远程供电系统主要优势体现在以下几点：

（1）供电距离远。通过将380/220 V电压先升压，终端再降压的方式，保证末端输出电压满足设备用电要求，同时也降低了传输过程中的电能损耗。

（2）具有隔离功能。交流隔离电源转换器具有隔离市电电网作用，能防止市电的浪涌电流对高速公路沿线用电设备的冲击，保证设备正常运行。

（3）具有稳压功能。远程供电系统中配备了稳压装置，能为用电设备提供稳定的电压，保障了用电设备的使用寿命，降低了运营维护成本。

（4）具有电力监控功能。远程供电系统可配备电力监控模块，对用电线路的运行状态、环境温度及湿度进行监控，保障用电安全。

（5）提高了电能质量。远程供电系统采用单相供电，避免了三相供电负荷不平衡问题；该系统还具备补偿功能，提高了功率因数，减少了无功损耗。

（6）经济性好。远程供电系统相较于高压间接供电系统，使用低压、小型号电缆，降低了系统建设成本，同时，降低了传输过程中电缆的能耗，电能传输效率更高，运营用电成本更低。

远程供电系统又分为交流远程供电系统和直流远程供电系统。直流远程供电系统相对于交流远程供电系统的区别在于：增加了相应的整流和逆变模块，并且远距离输电电缆上传输的是高压直流电。正因如此，交流远程供电系统结构相对简单，这就使其具备了故障率低、便于维护、成本低、带载能力强、可靠性高以及扩展性好等优势。

1.5    现有供电系统比较

无论是传统的低压直接供电、高压间接供电、风光互补供电还是远程供电系统，都在高速公路供配电业务中起着举足轻重的作用，每种供电方式在经济性、效能和使用效率等方面都有自己的优缺点[4]，具体如表1所示。

由表1可见，远程供电系统在传输距离、带载能力、供电质量及后期运维等方面都更具优势，故该系统在高速公路的应用越来越广泛，适当改造后亦可运用在大型农场、林场等特殊领域，满足其日常管理需求。

2    远程供电系统应用案例

以某高速公路项目为例，远程供电系统的监控外场设备布设如图4所示。

从图4可知，采用远程供电方式，即在设备房端设置一套交流电源发生器将低压馈线柜输出的380 V交流电升压至1 kV，并引出YJV-2×10型号的传输电缆后，为节点两侧沿线的监控摄像机、可变情报板及气象预警等外场设备供电，远端各处用电设备均采用一个独立的交流隔离电源转换器将高压交流电转变成220 V交流电。

此方案采用小规格两芯电缆，能够满足高速公路远距离外场设备用电需求，覆盖范围最高可达40～50 km，这进一步表明远程供电系统具有传输距离长、带载能力强、建设成本低以及扩展性好等优势。

3    技术发展趋势

随着国家及地方政府越来越重视打造信息化、智能化交通系统，智慧交通成为交通运输系统的显著特征，智慧供电系统亦得到一定的发展。

根据目前的研究[5-7]，智慧供电系统与传统供电系统相比具有远程控制的优点：上述几种供电系统是通过对高低压开关柜进行开关操作的方式来实现对输出回路的有效控制；智慧供电系统则是通过通信系统连接前后端供电设备，在智能监控平台实现对终端配电箱输出回路进行开关和电压调节的远程控制。同时，随着大数据分析、车联网、车路协同及物联网等技术的逐渐完善，可以在高速公路沿线配备车辆监测等装置，通过对高速公路车流量、道路环境等数据进行分析，在不影响用电设备正常运行的情况下，对各输出回路进行开关和电压控制，从而减少供电设备自身的电能损耗。

4    结束语

上述各种供电系统在高速公路發展的不同时期、不同环境下都发挥了同样重要的作用，远程供电系统以其传输距离长、带载能力强、建设成本低以及扩展性好等优势，被现代高速公路行业高度认可，并得到广泛应用，为高速公路提供了高效、稳定、高品质的电力供给，保障了高速公路沿线各类用电设备的正常运行。随着智慧供电的深入研究应用，高速公路电力供给将更加高效，智慧高速的发展将得到更加有力的支撑。

[参考文献]

[1] 李明霞.高速公路供电方案的研究探讨[J].山西交通科技，2022（3）：127-130.

[2] 秦庆飞.远距离供电技术在公路工程项目中的应用研究[J].通信电源技术，2019，36（10）：1-4.

[3] 段阳阳，安林轩.浅谈高速公路远距离供电技术[J].中国交通信息化，2022（增刊1）：358-361.

[4] 罗陵.湖南省高速公路全网供电改造方案探讨[J].中国交通信息化，2021（11）：127-132.

[5] 赵强.智慧供电系统在高速公路机电工程中的应用[J].工程建设与设计，2022（21）：120-123.

[6] 顾汶泰.智慧供电在高速公路中的应用探讨[J].中国设备工程，2022（10）：26-28.

[7] 张皓垣，江婷.高速公路智慧供电技术浅析[J].中国交通信息化，2022（增刊1）：356-357.

收稿日期：2023-04-26

作者简介：葛礼春（1987—），男，安徽巢湖人，高级工程师，主要从事高速公路机电与信息化建设和管理工作。