王敏

（中交四航局江门航通船业有限公司，广东江门 529145）

0 引言

从1988年我国修建的第一条约20km的上海沪嘉高速公路开始，经过三十多年的发展，如今我国高速公路通车总里程已经突破150 000km，数据仍在不断刷新中。高速公路按照专业划分，大致可以划分为土建工程（包括路基、桥梁、隧道）、路面工程、机电工程、交安工程、绿化房建工程等。本文所讨论的沿线监控设施即为机电工程的一个分部。本文以笔者参与建设的广西贵隆高速、开春高速、广连高速为背景，对高速公路沿线监控设施远距离供电的不同方案进行探讨，对不同的项目选择何种供电方式提供参考。

1 高速公路沿线监控设施

高速公路常见的沿线监控设施有监控摄像机、可变情报板、车辆检测器等设备，图1分别为监控摄像机、车辆检测器和悬臂式可变情报板，沿线监控设施主要为高速公路使用者提供及时的路况信息或为高速公路运营单位提供道路运行状态信息，及时处理各类突发事件，保障高速公路为用户提供良好的服务。

图1 几种常见的高速公路沿线监控设施

高速公路往往选在地处相对偏远、人口不太密集的地方，用电负荷不密集，电网接入难度大。本文将逐一对沿线监控设施的供电方式进行介绍。

2 几种高速公路沿线供电方案分析

2.1 直接供电

2.1.1 直接供电设备适用范围

高速公路沿线能够提供电网接入的地方，主要集中在管理中心（处）、收费站、隧道口、服务区、停车区、养护工区（居住区）等处所。高速公路沿线的监控设施如果距离上述处所附近，一般2km以内，便可考虑采用从变电所市电直接供电，变电所内的柴油发电机组作为应急电源，当市电中断之后，能够及时提供应急电力保证。

2.1.2 直接供电优缺点

上述各类处所从公路建设成本和实际需求考虑，不会太密集，因此，由上述各类处所，即市电接入点相距往往超过4km，更有超过30km的情况。由于供电压降和电缆成本的因素，供电半径小，直接供电的处所无法覆盖高速公路沿线所有的监控设施，直接供电设备覆盖率不高。另外，由于直接供电电缆往往需要沿着高速公路路肩挖沟直埋埋设，需采用带铠装的供电电缆，提高了供电电缆的采购成本。设备采用直接供电，供电回路不需额外的设备投入。

2.1.3 关于直接供电的压降计算

如前所述，直接供电的供电半径小，主要是由于负载负荷不变的情况下，线路越长，电缆线径如果不增加，供电压降越大，当压降超过5%时，就无法满足供电压降允许要求，压降计算的可变量涉及线芯的材料（铜导体或铝导体、导线截面积、供电距离、用电设备容量）等。线路压降情况比较复杂，还与使用的线缆材料质量、线缆运行温度等均有关系，下文对日常使用的单相AC230V和三相AC380V供电以及分别使用铜缆或铝缆的情况下的压降进行计算分析。

（1）单相AC230V供电时

单相供电时，线路电压损失率百分数可按下式计算：

式（1）中：ΔU%为电压损失百分数，如为2，则电压损失率为2%；P为用电设备容量（负荷功率）（W）；l为输送距离（供电距离）（m）；γ为导体电阻率（20℃时），[铜导体为54m/（mm²·Ω），铝导体为32m/（mm²·Ω）]，另外，在20℃时，铜导体和铝导体最大直流电阻值见表1；S为导线截面积（mm²）；U为线路额定电压230V（此处为固定值）。

表1 几种常见截面积铜导体和铝导体在20℃时最大直流电阻值

通过式（1）可以看出，其他条件不变的情况下，线路压降（ΔU%）与负载功率（P）以及线路长度（l）成正比，与导线的截面积（S）成反比。

以型号为YJV22 2×6mm²的铝电缆为例，供外场监控摄像机P=100W，应用计算式，在5%压降下，供电距离l铝=ΔU%·γSU2/（2P·100）=5×32×6×230²÷（2×100×100）=2539m。若使用YJV22 2×6mm2的铜电缆，则供电距离l铜=ΔU%·γSU2/（2P·100）=5×54×6×230²÷（2×100×100）=4285m。

（2）三相AC380V供电时

若整条线路的导线截面、材料、敷设方式都相同，且功率因素cos∅≈1时，线路电压损失率百分数可按下式计算：

式（2）中：ΔU%为电压损失百分数，如为2，则电压损失率为2%；∑M为总负荷矩（kW·m），∑M=∑PL；P为总负荷（kW）；L为线路全长（m）；S为导线截面积（mm²）；C为电压损失系数，根据电压和导线材料而定，具体见表2。

表2 电压损失系数C

①表中C值为假设线芯工作温度为50℃，γ为导体电阻率，铜导体γ=48.5m/（mm2·Ω），铝导体γ=28.8m/（mm2·Ω）时。

②Uel为额定线电压（kV）。

③导体工作温度不同时，C值会略有差异。

2.2 风能太阳能供电

2.2.1 风能太阳能使用条件

在风能、太阳能丰富的高速公路沿线地区，可采用小型的风力发电机、太阳能光伏板或两者结合的风光互补的方式。单个外场监控设备的负荷功率不大，例如监控摄像机，普遍不到100W，节能型的摄像机可低至20W左右。因此，在高速公路沿线分布的监控设备，在远离市电接入的区域使用风能、太阳能或风光互补的供电方式，是一种不错的选择。

2.2.2 风能太阳能供电优缺点

风能太阳能供电的优势在于无需长距离敷设供电电缆，施工便捷，可快速投入使用。距离市电接入点越远，优势就越明显。同时风能太阳能属于绿色能源，与国家推行的低碳环保目标相符。以一台外场摄像机0.1kW计算，每年节省的电能W=0.1×24×365=876kWh，还未计算线路上的损耗，当外场设备多，功率更大时，风能太阳能供电系统节省的能源就比较可观了。

但风能太阳能供电方案的劣势也很突出。首先，机会成本高。以广东地区为例，在广东地区，早期沿线监控设施使用风光互补的方式，而现在主要以太阳能供电的方式为主。由于风能在时间维度分布不均，且有最低风速要求，太阳能供电则在广东的梅雨季节，有时长达一个月见不到阳光，对太阳能供电系统是一个考验。

2.3 交流升降压远供

相较于前文所述的集中供电方式，高速公路沿线监控设施交流远供方案主要是升压后的母线电压等级不同。有升压至AC660V、AC800V或升压至AC3.3kV等不同电压等级的方案。根据项目的负载大小和供电距离情况，选取合适的电压等级，升压后的母线采用两芯电缆。交流远供系统在变电所将交流电源通过升压变压器和一系列保护电路，或称为电源发生装置（上位机），将母线电压提升至所设计的电压等级，然后在沿线监控设备附近设置下位机设备，通过降压变压器和相应的稳压保护电路，将母线电压降至设备所需的电压，如230V。1kV是常规定义高压和低压的分界线，日常接触较多的是低压的电器产品，包括母线电缆，低压供电电缆工作电压0.6/1kV即可，但如果远距离供电的系统电压超过1kV，常规的低压供电电缆耐压无法满足要求，需要选择和供电系统工作电压相适应的高压电缆。

2.4 升降压远距离远供

升降压远距离供电是近年来很多高速公路沿线监控设施供电的首选方案，随着设备防护技术的不断提升，供电可靠性也得到了保障。其优势在于供电距离远、供电容量大，降低供电线缆的导线截面后，能够降低供电线缆的成本，同时为供电电缆吹缆施工敷设创造条件，大幅降低了高速公路沿线施工难度，确保施工质量和电缆敷设后的成品保护。

升降压远距离供电也存在一些不足，首先是升压远距离供电电网谐波的问题，由于沿线监控设施大部分自带电源适配器，最终将交流转换为低压直流给设备本身，因此负载中存在着大量的整流电源。大量的整流电源属于非线性负载，在供电线路产生了过量的谐波（THD），加之升降压远距离供电的电源发生装置（上位机）容量有限，因此整个升降压供电网络中的THD含量往往过大，易对供电网络中的元器件造成损坏、设备工作异常的情况，因此当供电网络中THD过大，如超过5%时，需要考虑增加滤波装置，提升电源质量。

3 结语

综上所述，市电接入点密集、供电距离不大的情况，可以采用直接供电的方式。对于已经建成的高速公路增加沿线监控设施，推荐使用风能太阳风供电的方式。而对于大里程新建高速公路，使用升降压远距离供电的方式更为合适。应根据不同高速公路建成里程的规模、沿线市电接入的密集程度，选择合适的供电方式，并推广采用新的电缆敷设工艺。