（贵州高速公路集团有限公司 贵州贵阳 550000）
摘要：我国高速公路近年来得到了迅速的发展，本文以贵州省为例，2015年底全省通车高速公路累计里达到5100公里，实现县县通高速公路，对高速公路实行有效的监控管理，是保证高速公路快捷高效的手段。对于贵州这样的高原省，崇山峻岭，高速公路特大桥、长下坡、弯道等是事故的高发地段，因此，需要在这些地方安装外场监控及信息发布设备，而供电问题一直是制约这些设备安装使用的主要因素。
关键词：高速公路；供电系统；设备
1、概述
近年来也有提出对于远距离的外场设备利用太阳能或风光互补来供电，对于小负荷的用电现场，这也许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供电都会受到天气等环境因素的影响；其次，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，通常只有数百瓦，无法满足高速公路上可变信息显示标志等较大负荷用电设备的需求。
贵州省高速公路近年来使用了一种“浮动电压”供电方式，适合于在高速公路中实现长距离（1000m～20km）、小容量（<20kVA）的应用场合，该系统供电电压可以根据负载电流的变化适时浮动，满足了符合高速公路供电特点的长距离小容量的供电需求，该供电系统结构简单，施工方便，并可有效地降低工程造价。
2、系统原理
低压0.4kV直接供电当距离较远时，低压供电方式难以满足应用需求，其原因主要是线路压降过大。
在低压供电系统中，线电压为380V/50Hz，相电压为220V/50Hz，由于存在线路阻抗(直流阻抗、容抗和感抗)，输电线路会存在线路压降，△U=I*R（I为负荷电流，R为线路阻抗）。以10mm2的铜导线为例，根据电缆手册可知其阻抗约为1.9Ω/km，在低压系统中电缆感抗和容抗约为0.09Ω/km，约为阻抗的1/30，可以忽略不计。如果需要给5km处的设备供电，供电线路综合阻抗为5*1.9Ω/km*2=19Ω，按照现行电力标准，在供电线路的末端电压降不应超过5%（即220*5%=11v）。因此，工作电流不应大于11V/19Ω=0.58A。不考虑功率因数，实际输送功率约为127W。难以满足高速公路更大功率和更远距离的用电需求。
用电设备需用的电压范围220±10%，假如当出口用电电压为220V，电流为I=0.5A时，供电距离约为6.5km。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。
但在实际运行中电流会随着用电设备的运行时刻变化，当电流在会在一定的范围内变化时，在10km处供电电压会在180V~220V之间变化，180V已经低于供电质量的要求。实际上随着距离的加大和负荷的加大，这种变化可能会有数百伏的波动。因此，单纯抬高首端电压（即升降压方案）无法解决供电过程中因负荷变化而产生的电压波动问题。
3、恒流源供电方式
整个系统系由恒流源发生器、供电电缆（2芯），隔离变压器等组成。
在变电站内通过配套的电源发生器，通常初始电流设定在6A（根据需要还可以实时调整），出口电压可根据负载的实际情况发生变化。当满负荷输出15kVA功率时其出口电压约为2.5kV；当输出为10kVA时，出口电压约为1kV。由于供电电缆通过的电流仅为10A，可采用JDYJY-1kV2×10mm2电缆。
电源通过供电电缆将电源输送到用电点。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于是采用电流源浮动电压供电，回路中任何一点的电流均等，供电距离可以很长。但过长的线路会由于线路损耗增大出口处的开口电压升高。
在用电点再通过隔离变压器将电流源转变为需要的电压，这时只要恒定电压，系统根据供电总负荷，选择一个合适的电流I1，恒流源发生器实时通过调节电压，维持供电回路电流恒定。在设定用电负荷为PL，则负荷额定等效阻抗为RL=Ue2/P(一般用电设备的额定电压为220V，同时也可以看出负载的阻抗与负载功率成反比)。为了在变流器T1的副边得到合适的电压，需要有合适大小的电流I2=Ue/RL，则变流器的变比就应为n=I2/I1。当系统正常运行过程中，负载功率不应大于额定功率，只会变小。因此在运行中负载等效阻抗也会相应增大，如果电流I2一定，当阻抗变大时，负载电压就会上升，这时控制器通过检测负载两端的电压，控制器就会改变开关K1的占空比，从而减小流过负载的电流达到恒定电压目的。
虽然通过变换器从恒流得到了恒定的电压。但因为变流器的原边匝数不能多（否则阻抗会变大，这样会使恒流源发生器的输出电压升高）。如果I2>I1，根据变流器的特点在副边的匝数就更少。为了获得相应的传递功率，变流器铁心就需要很大。在上述分析中假设开关K1为理想开关，在实际中由于存在开关接通阻抗，电子开关消耗功率为P=I2Rk，因而开关发热较大。而且以上分析都是基于纯阻抗，在实际运行中基本为感性负载，电流相位滞后，也会导致设备发热，需要处理好设备散热。但经过几个项目运行效果看，虽然满足了高速公路供电要求，但系统总体运行效率不高，设备发热温升高，体积大，设备成本很高，而且在设计中需要诸多参数配合好，设计难度较大，需要反复调试。
4、电压电流复合远距离供电方式
根据以上分析，采用恒流源方式供电的原因主要是想通过浮动电压来抵消线路压降，如果能在采用低压供电方式的基础上适当浮动电压抵消线路压降，将极大满足高速公路长距离小负荷的供电需求，电压电流复合远距离供电方式型远距离供电系统就是基于这种想法设计的。
该系统主要包括电源发生器、隔离变换器、和供电电缆，用电设备直接接入隔离变换器，隔离变换器则采用串联的方式怀电源发生器相连。
系统中电源发生器会根据输出负载电流的变化及时调整输出电压，输出电压范围为（0.2kV-1kV,在需要时可以扩展到2kV，但此时电缆需要定制，经济性可能不高），同时负载侧的隔离变换器，会根据线路上的电流自身调节输出电压保证输出电压稳定。
5、长距离供电系统设备
电源发生器根据事先设定输出一定电压，当负载电流发生变化时，根据输出电流反馈，调节升压变压器输出，使电压满足负载需要。当负载电流上升时，意味着线路压降增大，这时就需要适当升高出口电压，当负荷电流下降时，线路压降也就减小，这时就可以适当减小出口电压。出口电压的上升和下降必须满足系统内各点隔离变换器最大可允许输入电压的范围。当负载电流变化引起各点电压变化在隔离变换器允许范围内时，隔离变换器总是优先调节并稳压输出，只有当电流变化大，无法满足各点隔离变换器输入电压要求时才需要调节电源发生器的输出电压。
电源发生器采用PWM精细电压调节技术，减小冲击，具有过流、过压保护功能，软件和硬件均采用抗干扰设计，提高抗干扰能力；并且设有遥控和通讯接口，方便与计算机控制系统连接。
隔离变换器从供电线路上同时取得电压和电流，当线路负荷变大，线路电流变大，线路电压降也将变大，这时通过取得的电流来调大输入电压，使得后级稳压电源的输入能满足要求。当线路负荷变小时，线路压降也将变小，这时也可以通过电流来调节降低输入电压，使其符合后级稳压器的输入。因此，隔离变换器主要由输入变压器、电流变换器、控制器、后级稳压器等几个部分构成。
隔离变换器具有输出精度高，波形失真小，响应时间短以及负载短路自动保护、隔离、滤波、双向抗干扰等多种特殊功能，能有效滤除线路及负载所产生的各种频率的正负脉冲和浪涌电压的冲击，大大提高了供电设备的长期运行稳定性、可靠性和安全性。
6、结语
以上介绍的供电方式在贵州省高速公路是得到了较为广泛的应用，也可应用于其他类似的长距离、小负荷供电需求中。
论文作者:龚彦
论文发表刊物:《电力设备》2016年第4期
论文发表时间:2016/6/2
标签：电压论文; 变换器论文; 电流论文; 负载论文; 阻抗论文; 线路论文; 高速公路论文; 《电力设备》2016年第4期论文;