淺析高速公路沿線監控外場設備的供電方案及方案選擇

摘要：高速公路監控系統的供電方案直接影響到外場設備的供電質量及項目的建設成本，選擇適合于項目外場設備分布特點的供電方案尤為重要。本文對高速公路監控系統常見的供電方案進行淺析及對比。

關鍵詞：高速公路;監控系統;供電質量;建設成本

高速公路的變電站一般設置在沿線的管理中心、收費站、服務區 、停車區、養護工區內或者是隧道口，變電站間隔一般小于40kM。傳統的高速公路供電系統具有一些特點，如距離長、負荷小、供電點分散等。根據2019年交通運輸部下發的《交通運輸部辦公廳關于印發<全國高速公路視頻聯網監測工作實施方案>和<全國高速公路視頻云聯網技術要求>的通知》要求，新建、擴建高速公路的視頻監測設施按每2公里1對的標準一次性建設;伴隨我國高速公路的快速發展，智慧高速逐漸成為高速建設的趨勢。

隨著監控外場設備種類，用電負荷及點位分布的變化，供電方式的選擇問題日益突出，如何選出適合于項目特點且系統穩定性高，建設成本小的供電方案是 個值得思考的問題。

1.高速公路中常見的沿線監控外場設備及用電量

沿線監控外場設備主要包括視頻監控設備、信息采集設備、信息發布設備等。

1.1視頻監控設備

視頻監控設備主要是沿線的外場攝像機。

1.2信息采集設備

信息采集設備主要包括車輛檢測器、能見度檢測器、氣象檢測器、事件檢測設備等。

1.3信息發布設備

信息發布設備主要包括大型可變信息標志、小型可變信息標志。

1.4沿線監控外場設備用電量

2.常見的高速公路監控外場設備供電方案

在高速公路中監控外場設備通常呈帶狀式分布，用電負荷一般小于15kVA，而其變電站一般設置在管理中心、收費站、服務區、養護工區內或隧道口，變電站間隔為小于40kM。

根據《標準電壓》（GBT 156-2017 標準電壓），我國推薦的標準電壓有：380V、660V、1000V等。

目前傳統的供電方式大多采用低壓電力電纜直接供電的方式，若取電點遠時，為了保證供電的質量，需要增加供電電纜的截面積。增加電纜的截面積會使供電成本大大增加，電纜的敷設難度也會增加。如何在不增加供電成本的同時，選取適合項目特點、保證供電系統穩定可靠的供電方案十分重要。若沒有穩定可靠的供電方案，沿線建設的監控外場設備也形同虛設。

在輸送相同電能的情況下，采用越高的電壓供電，線路的電能損耗就越低，更能保證電業的質量。但不能一味的追求高壓，還要考慮系統的性能價格比，力求降低系統的投資。

2.1低壓電力電纜直接供電方案

該方案是采用低壓電力電纜直接從就近變電所或箱式變電站（收費站變電所、服務區變電所、隧道洞口變電所或箱式變電站等）低壓配電柜引出回路，向外場設備供電。

具體方案如圖1所示：

2.2高壓10KV箱變/埋地變間接供電方案

由P=U×I可知，在傳輸一定的電能量時，電壓值越高，電流值越小。再根據ΔU=I2R，電流越小則壓降越小。故提高傳輸電壓可以減小電壓降。

高壓10KV間接供電方案是從變電所或箱式變電站的高壓配電柜側引出，將10kV電壓傳輸至負載較集中位置，在此處安裝10kV/0.4kV變壓器，將10kV變壓為380V/220V，再將380V/220V進行二次配電，向附近的設備供電。

具體方案如圖2所示：

2.3低壓升降壓供電方案（380V/660V）

低壓升降壓供電方案是近些年常用的一種外場設備供電方案，該方案電源取自變電所或箱式變電站的低壓配電柜側，通過在變電所設置升壓變壓器，然后將三相380V電壓升至三相660V，最后傳送至負載較集中的位置。在設備終端處通過降壓變壓器降壓至三相380V，向附近的負載供電。該方案將輸送電壓從380V提高至660V，電壓提高了1.73倍，由ΔU=I2R可知，電壓降變為原來的（1/1.73）2，負荷矩（kW·m，指線路的有功負荷與輸送距離的乘積）相同的情況下，壓降可以減少3倍，輸送距離可以提高3倍。

具體方案如圖3所示：

2.4直流遠供供電方案

直流遠供系統由發送端和接收端組成。

直流遠程供電系統在發送端采用AC-DC交直流變換器進行隔離轉換，將交流電源經過變換裝置變換為直流電源，并把電壓升高，該設備一般設置在就近的變電所。

接收端主要由變換部分（DC/AC、DC/DC）組成，電能通過電纜將發送端輸出的電能傳輸給遠端的接收設備，遠端接收設備將該電能進行降壓，遠端裝置由DC-DC或DC-AC轉換器構成，遠端設備根據實際使用情況將直流電轉換成交流電或直流電，供給外場負載使用。

直流傳輸供電原理就是將220V交流電源整流成直流并把電壓升高通過線纜進行電能傳輸，到末端用電點處再進行逆變成220V交流，給現場設備供電。

2.5交流遠供系統供電方案

該方案采用三相380V（10kV或6kV可選）輸入，通過上端電源柜輸出單相1KV（660V～10kV可選）電壓。通過電纜進行遠距離傳輸，將電力輸送到各用電點。在用電點（一個、多個）再通過下端電源柜將1KV電壓轉變為380V/220V電壓向負載供電，如圖5所示。

上端電源柜一般安裝于配電房，根據事先設定輸出一定電壓，當負載電流發生變化時，對電壓調進行自動均衡調節，始終保持在下端電源柜允許的輸入電壓的范圍。

下端電源柜主要是將上端電源柜遠距離傳輸的單相交流電或三相交流電進行調壓處理，為負載提供相應電壓等級的電能，同時能夠監測用電負載的用電狀態。

3.幾種供電方案的優缺點分析

3.1低壓電力電纜直接供電方案優缺點

低壓電力電纜供電方式下的線電壓通常為220V/50Hz，相電壓為380V/50Hz。在具有電阻、電感和電容的電路里，有對交流存在阻礙作用的阻抗，阻抗的存在使得輸電線路必然有線路壓降。按現行的國家電力標準，供電線路的末端電壓降應不超過5%。根據380V三相交流供電電壓降計算公式： （其中M為負荷矩，C為計算系數，A為電纜的截面積），低壓電力電纜供電距離一般在3KM范圍內，對于管理中心、收費站等距沿線變電所或箱變較近的機電設備，可通過低壓供電方式進行供電，該情況下此供電方式具有明顯優勢。

若沿線監控外場設備多，負荷大，距離供電點遠，需增大電纜的截面積來控制壓降，保證供電質量。電纜截面積的增加會快速增加建設成本，且會給施工增加難度。若距離過遠（大于5KM），電損耗大，線路壓降大，供電質量差。

綜上所述，當沿線分布眾多且距取電點較遠的監控外場設備時，此方案不合適。

3.2高壓10KV箱變/埋地變供電方案優缺點

高壓10KV箱變/埋地變供電方案可以解決距供電點較遠外場設備的供電傳輸問題，該方案供電能力強，傳輸距離遠，帶載能力強。

雖然該方案可以傳輸較遠距離，但是電壓越高，該供電傳輸系統需要敷設的供電電纜和配置的設備耐壓等級要求越高，設備、電纜造價也會增加，10KV電纜、埋地式變壓器等用電設備造價也較高。另外間接供電需要二次配電，在10KV電壓通過變壓器降壓為380V之后，仍需配置電纜傳輸到附近的用電設備。此時會造成電纜重復敷設，且電纜重復敷設比例較高，增加成本。對于沿線監控設備負荷小，分布分散的情況，配置一套10KV變電設備可能只為了幾十瓦至幾百瓦的設備供電，而且每隔2-3km就有一處點位需要供電。

綜上所述，該方案供電距離遠，帶載能力強。但綜合造價高，施工難度大，維護成本高。

3.3低壓升降壓供電（380V/660V）方案優缺點

該方案簡單、經濟、可靠，通過升壓和增大電纜的截面積有效的解決了5-6km范圍內情報板等功率較大（相對于攝像機）監控外場設備的供電問題。相比于380V低壓電力電纜直接供電方案，供電能力較強，供電距離較遠;相比于10KV間接供電方案，該方案供電電纜和設備耐壓等級要求降低，成本降低;跟10KV供電方案相比，設計和施工的難度均降低。

這種方案相當于將低壓380V供電方案進行了一定范圍的延伸。由于在電壓輸送等級上有所提高（提高1.73倍），則電壓降相應的減少了1.732的平方倍，即3倍，供電距離可以提高到3倍。該方案的供電范圍為4km～10km，對于中距離、中負荷的監控外場設備，此方案有明顯優勢。但若所需要供電距離較長（超過10km），特別是在大小負荷混合供電的需求下，該方案存在不足。在用電點的電壓除了和升壓端外電電壓有關還與沿線負荷產生的線路壓降有關，當線路中存在較大負荷并動態變化時，末端電壓就很難穩定，即很難保證供電的質量，由于三相供電需要平衡，也存在一定范圍的二次配電和電纜重復敷設的問題，如果低壓電纜數量較多，則綜合工程造價也較高，故此方案對監控系統的供電也存在一定的局限性。

3.4直流遠供供電方案優缺點

直流遠供系統其實是采用固定升降壓的方式，在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220V。在供電范圍超過10Km時，該方案具有明顯優勢。

本方案一般適用于小負載長距離下的設備供電，但直流遠供供電方案系統柔性不強，很難實現大功率設備和小功率設備的混合供電;該方案主要靠斬波振蕩逆變實現穩壓，大量使用電子設備，本身設備又都是在戶外運行，電子設備受環境的影響較大，所以裝置可靠性差;直流供電方式系統容量通常都不大，難以滿足未來擴展的需要。由于此供電方式首末端都沒有穩壓設備，因此很難保證用電端電壓波動范圍在±5%，對供電質量無法保證。

該系統運行的項目較少，且通常是給攝像機供電，大小負荷混合供電能力較弱。

3.5交流遠供系統供電方案優缺點

交流遠供是采用三相380V輸入，將三相電轉化為單相電，再通過上位機輸出單相3.3KV電壓，通過電纜將電輸送至各個用電點，在用電點通過下位機將3.3KV電壓轉變為220V電壓向負載供電。該方案傳輸距離在4～30km，在用電設備距供電點較遠時具有明顯優勢，且帶載能力強。由于系統是采用單相電壓輸送，因此可以減少電纜的芯數，節約成本，且負載端無需三相平衡。

4.方案對比

根據上節對各供電方案的分析，做出以下對比分析表，如表2。

表2 ?常見的高速公路外場設備供電方案對比分析表

低壓電力電纜直接供電高壓10KV箱變/埋地變間接供電低壓升降壓供電直流遠供供電交流遠供系統供電供電距離4km15km10km30km30km電纜芯數4芯3芯4芯2芯2芯建設成本低高較高較高較高大小負荷混合供電能力優較優差差優用電質量穩定較穩定不穩定不穩定穩定

通過以上對比可知，在供電距離短，用電負荷小的情況下，選擇低壓電力電纜直接供電方案合適，;在供電距離較遠，用電負荷單一的情況下，可選擇直流遠供或交流遠供方案;在供電距離遠，需大小負荷混合供電的情況下，選擇交流遠供方案合適。

5.結束語

“新基建”推動了智慧高速公路建設的到來，高速公路機電設備建設規模也將不斷擴大，選擇滿足高速公路監控系統用電特征的供電方案顯得尤為重要。在選擇供電方案時，從負荷容量、供電距離、建設成本施工難度等幾個方面綜合考慮，才能提供安全可靠且經濟適應的供電方案。

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作者簡介：馬若蘭，1994.10.10，女，漢族，河南焦作，碩士，助理級工程師，公路機電設計，中交基礎設施養護集團有限公司。