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高速公路电流供电系统

交通工程系统中的供配电系统设计既不同于工矿企业的供配电设计，也与电力系统内部供配电设计有所区别。在高速公路交通工程中供电方式呈带状式供电，供电距离长，负荷小而分散。其变电站一般设置在管理中心、收费站、服务区或养护工区内，供电间隔为20—30公里。目前传统的供电方式大多采用10千伏或380伏的供电方式。对于距变电站5公里以内的用电设备通常采用低压直接输送电源(为了解决压降问题有时还会将出口电压提高)。但对于距离变电站5—20公里路段如果存在用电设备，其供电问题将难以很好地解决。更多的时候是采用一个小型箱式变电站解决，有时我们也会采用埋地式变压器，但就其实质是采用电力电缆将6一l0千伏的电源送到供电点，再通过降压埋地式变压器变换成220伏电源。但无论是采用高压供电还是低压供电都存在以下缺点：首先，都需要大量使用高低压电缆，因此随着原材料的涨价工程造价很高；其二，由于高速公路地域空旷，较长的供电线路很容易遭受雷击和供电系统的操作过电压；其三，高速公路地处野外，高低压电缆经常被盗，为此还需要安装电缆防盗系统。 

　　最近几年也有方案提出对于远距离的外场设备利用太阳能或风能来供电，这固然是一个很好的解决办法，但也存在明显的不足：首先是供电质量不稳定，无论是太阳能还是风能都会受到天气状况的影响。第二，在高速公路的建设工程中所使用的太阳能和风能受到建设规模的影响，其发电容量都很有限，无法和线缆供电的能量相比拟；第三，采用这两种方式建设投资也相当昂贵，通常是普通供电方式的几倍到十几倍。利用太阳能和风能对于解决较远， 

　　无法供电地方的小容量外场设备用电是一个很好的解决办法，但对于中长距离的外场设备也许可以有一种更加方便实用的解决办法。 

　　为此，根据我们多年来使用电流环供电的实际经验，提出一种适合于高速公路上长距离(5—20公里)，小容量(<30千伏安)的电流环供电方式。采用此方式可以有效地降低工程造价，同时由于是电流方式可以有效抑制过电压，因此有一定的防雷击作用；当电缆断线时会及时发出报警信号。 

　　目前高速公路的供电方案 

　　低压380伏供电系统，即通过变电站，配电房向外场设备供电，由于低压系统是相对较为经济的供电方式，我们将它作为电流环供电系统的主要参比对象。 

　　在低压供电系统中，相电压为380伏／50赫兹，线电压为220伏／50赫兹，由于存在线路阻抗，输电线路会存在线路压降。以35mm2的铜导线为例，如果需要给5公里处的设备供电，供电线路综合阻抗为3．39欧，按照现行电力标准，在供电线路的末端电压降不应超过5％。因此，工作电流不应大于1．8安。考虑到功率因数，实际输送功率约为300瓦。不能完全满足高速公路用电的需求。低压供电系统中电压与供电距离的关系示意图如图1。

图1低压供电系统中电压与供电距离的关系示意图
　　图中阴影为合格的电压范围220士l0％。当出口电压为220伏，电流为I时，供电距离约为6.5公里，为了增加供电距离，通常在出口端会适当增加出口电压，由此在电流不变的情况下可以增加供电距离如图中I1，但在运行中电流会时刻变化，当电流增大到I2时，供电距离显著缩短。为了改善长距离供电的质量，提高供电效率，在长距离供电实际应用中通常会采取如下措施： 

　　1、增大导线截面积，减小导线阻抗。此方法可以提高供电能力，但是也会快速增加成本，如13X35+1X16的电缆价格为85元／米，而3X50+1X35的电缆价格为125元／米。 

　　2、提高出口电压。 

　　电流环供电方案 

　　采用电流环供电方式通常有恒流源发生器，供电电缆(2G)，隔离变压器，其结构如图2所示。

图2 电流环供电方式结构示意图
　　在变电站内通过升压隔离变压器将电流环供电系统与供电系统隔离，通过配套的控制器输出恒定电流源，通常设定在6．6安(根据需要还可以实时调整)，但出口电压根据负载情况变化；当满负荷输出30千伏安功率时其出口电压约为5千伏，当输出为10千伏安时，出口电压约为1．6千伏。由于供电电缆的通过的电流仅为6．6安，所用电缆为JDYJY一6KV2×6ram2这种线缆由于其线径仅为6ram，因此造价也相当便宜。 

　　恒流电流源通过供电电缆将电源输送到用电点。由于是采用电流环供电，回路中任何一点的电流均相等，不会存在电压供电方式的电压降，因此实际的供电距离可以很长而不会出现线路压降。但过长的线路会由于线路损耗增大出口处的开口电压。目前在我国民航系统中采用此方案的供电距离为5公里。但通过我们的试验表明，实际的供电距离还可以更长，甚至可以达到10—20公里。 

　　在用电点(可以是一个，几个或一连串的用电点)再通过隔离变压器将电流源转变为需要的电压，这时只要电流源恒定，电压就一定恒定。 

　　由于雷击或操作过电压是通过瞬间电压信号作用于输电线路，因此采用电流环供电可以有效地防止雷击干扰。 

　　在高速公路机电系统施工以及运行过程中，经常会出现盗窃现象。窃贼先分别剪断各相电缆，然后再整体拉出电缆，并不会产生报警信号。因此，只有发现用电设备不正常时才能发现电缆被盗，往往错过了抓捕窃贼的时机。在采用电流环供电系统中，只要窃贼一剪断电缆中的任何一根，都会导致开口处的输出阻抗增加到无穷大，这时开口电压也会增大，由于恒流源设备设有过电压保护，这时会启动过电压保护，立即发出跳闸命令并发出报警信号。这种动作时间通常是以毫秒来计算。因此，该系统具有很好的防盗作用。 

    电流环供电系统的主要设备 

　　恒流源设备 

　　恒流源通常有如下型号：LSA一30KVA、LSA一25KVA、LSA-20KVA、LSA一15KVA、LSA一10KVA、LSA一7．5KV、LSA一5KVA、LSA一4KVA。 

　　主要技术特点：控制箱与升压变压器一体化设计、安装，兼容性好；特种干式升压变压器，噪音小，温升低，免维护；按照标准预先设定各个光级的电流，无需现场调试；数字显示电流、电压及累计工作时间；采用精细电流调整技术，电流调节平稳，冲击小，精度达1％；软开机、软关机，大大延长灯泡的使用寿命；具有开路保护功能、过流保护功能，负载适应力强，30％隔离变压器开路及负载从零到满载维持恒流；上电自动投入功能，来电无须重新启动和调整光级；实时检测回路绝缘电阻，根据设定报警界线报警；控制器互换特性好，可在任意回路使用；线路全部进行防潮处理，适于潮湿地区使用；专用工业级开关电源，保证系统长期可靠运行；设有避雷器，防止雷电损坏设备；设有遥控和通讯接口，方便与计算机控制系统连接；软件和硬件均采用大量抗干扰技术，抗干扰能力强；自诊断功能，便于用户发现和排除故障；电缆防盗功能，有电缆被切断发出警报，并确定大体位置。 

　　现场隔离变压器 

　　隔离变压器的主要技术性能： 

　　◇外绝缘性能：变压器线包采用环氧无溶剂绝缘浸渍漆进行绝缘浸渍处理，外壳采用新型特殊材料模压封装，具有良好的耐水性和很高的抗电强度，在高温高压下在盐碱水中进行96d,时浸泡试验，试验后绝缘电阻最小为38G，可在一55℃到+7O℃的潮湿环境中或浸在水中连续工作。 

　　◇内绝缘性能：变压器绕组和铁芯之间，初、次级绕组之间采用特殊密封材料和结构隔离，使绕组和铁芯之间，初、次级绕组之间完全绝缘，当初级绕组在额定的电流和频率下，次级绕组在短路、开路和额定负载条件下能长期工作。 

　　◇电性能：经过优化设计和严格控制的隔离变压器电流比稳定、效率高、功率损失小、温升低，在次级短路、开路和额定负载条件下长期工作，温升不超过50~C。 

　　◇抗冲击性能：隔离变压器能经受加载、冲击、振动和温度冲击(一55一+7O℃)，能经受各种存贮和运输环境而不损坏。 

　　◇接插件保护：在运输和安装期间为了保护接插件的配合表面，防止油、泥等进入，在每个接插件上配置了符合相关规范的防护帽。 

　　供电电缆 

　　JDYJY --6KV2×6及以下交联聚乙烯绝缘机场助航(灯光)电缆适用于电流环输电系统。电缆的长期允许工作温度≤90℃，电缆导体短路温度≤250~C，持续时间≤5s，电缆敷设时温度不得低于一20℃，电缆的允许弯曲半径≥15倍电缆外径。 

　　应用案例分析 

　　现以高速公路上一个门型情报板为例分析该供电方式的特点。假设该门型情报板距离服务区变电站约为10公里，用电负荷为10千瓦，如果采用低压供电，则应采用3X185+90电缆，工程造价约为300万元；如果采用高压供电，则不论是采用内部供电还是重新外接电源，不仅施工难度大，而且造价也会远远高于300万元。如果采用电流环供电方式，则恒流源发生器约为12万元，JDYJY电缆约为35元／米，电缆总价为35万元，10千瓦隔离变压器约为2万元，则工程总价约为49万元。同时还可以兼顾到沿途摄像机，小型情报板的供电，所以大大节省了工程造价。 

　　结束语 

　　综上所述，在高速公路的建设过程中应根据具体的情况综合考虑供电解决方案，本文所提出的电流环供电方式只是众多解决方案中的一种，它对于解决中长距离(5—20公里)的外场中小容量设备的用电问题是一种很好的解决方案，特别是它具有的众多优点也非常适合高速公路应用。 

    本文作者介绍：江西路通科技有限公司 王恺 吴丽芳　

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