侯军健
（山西交通控股集团有限公司晋中高速公路管理公司，山西 晋中 030811）
引言我国高速公路目前已基本实现全程监控，高速公路沿线设置了监控外场设备，整体上呈带状分布，与设置在服务区、收费站、高速公路管理中心的变电站之间有着较长的距离，对供电方式的要求相对较高。传统10 kV/220 V 供电方式施工难度大、电能消耗量大、成本较高。太阳能供电方式节能环保、施工简单，但后期维护难度较大。LCP 供电是一种适用于小容量、长距离的“浮动电压”供电方式，具有施工方便、结构简单、造价较低等诸多优势，在高速公路监控系统中有着良好的应用价值[1]。
1 高速公路监控系统低压供电方式的不足低压380 V 直接供电是高速公路系统目前常用的一种供电方式，也是最为简捷的一种供电方式，其适用范围为变电站附近500 m 之内，主要采用变电站配电室进行供电，收费广场、收费站、高速公路管理中心的机电系统设备，可采取低压380 V 直接供电方式进行供电[2]。
高速公路的监控外场设备与变压站之间的距离较远，因此低压380 V 直接供电方式无法满足监控外场设备的供电需求，主要原因在于线路压降过大。通常情况下，低压供电系统中的线电压、相电压分别为220 V/50 Hz、380 V/50 Hz，因此，直流阻抗、感抗、容抗等线路阻抗的存在，导致输电线路出现了线路压降。
线路压降（△U）的计算公式如下：
式中：I 为负荷电流，R 为线路阻抗。以铜导线为例，截面积为10 mm2的铜导线，阻抗为1.9 Ω/km，低压供电系统中电缆的容抗、感抗约为0.09 Ω/km，仅为铜导线阻抗的1/30，因此容抗、感抗可忽略不计。假设监控外场设备与变压站之间的距离为5 km，对监控外场设备进行供电的时候，供电线路的综合阻抗为5 km×1.9 Ω/km×2=19 Ω。供电线路末端电压降，根据现行电力标准的要求，不可超过5%，即220 V×5%=11 V。鉴于此，工作电流不可超过11 V/19 Ω=0.58 A。不考虑功率因数的情况下，实际输送功率为220 V×0.58 A=127.6 W，无法满足监控系统更远距离、更大功率的用电需求。低压供电系统中供电距离、电压之间的关系如图1 所示。
图1 中阴影部分为合格电压范围220 V±22 V（220 V×10%）。电流（I）为0.5 A、出口电压为220 V的时候，供电距离约为6.5 km。为延长供电的距离，一般情况下，会在出口端适当增加出口电压，从而在电流保持不变的前提下实现供电距离的增加，如图1中，I1=0.5 A。但实际上，随着用电设备的不断运转，电流也时刻发生着变化，电流在I1～I2 之间变化的时候，10 km 处的供电电压在180～220 V 之间变化，180 V不符合供电质量的要求。相关研究指出，随着负荷、距离的加大，供电电压的变化可能高达数百伏。面对这样的情况，单纯采取提高出口端出口电压的方式，即升降压方式，不能解决供电过程中由于负荷改变而导致的电压波动现象。为实现长距离供电质量、供电效率的提高，实际进行长距离供电的时候，通常是采取加大导线截面积、降低导线阻抗的方式。虽然这种方式可以有效增强供电能力，但施工难度较大、成本较高。因此，需要采取一种更为科学、合理的供电方式。
2 LCP 供电方式在高速公路监控系统中的应用2.1 LCP 供电方式的原理LCP 供电方式是一种适用于小容量（＜30 kVA）、长距离（500 m～20 km）的“浮动电压”供电方式。基于低压380 V 直接供电方式存在的线路压降过大的问题，可采取浮动电压来对部分线路压降进行抵消，以满足高速公路监控系统小负荷、长距离的供电需求。LCP 供电系统便是基于这样的需求为被研发出来的，通过应用隔离变换器、交流电源发生器来代替升降压变压器，随着负载电流的改变电压也会适时浮动，可以实现小容量、长距离供电，与高速公路监控系统的供电需求相符合[3-5]。
2.2 LCP 供电系统的设备LCP 供电系统主要由三部分组成，即电源发生器、隔离变换器和供电电缆。电源发生器、隔离变换器发挥着重要的作用。
1）电源发生器由输出绕组、控制调节绕组、变压器固定绕组和电流采样可调节控制回路等部分组成，根据输出负载电流的变化情况，对输出电压进行及时调整。电源发生器运行中，主要是按照提前设定好的数值来输出电压，如果负载电流出现改变，根据接收到的输出电流反馈，调节升压变压器输出，从而使电压可以满足负载需要。如果负载电流降低，线路压降也会降低，应当将出口电压调低。如果负载电流提高，线路压降也会提高，便要将出口电压升高。出口电压降低、升高的幅度，应控制在LCP 供电系统中各点隔离变换器可允许输入电压的限值之内。如果因为负载电流发生改变导致各点电压的变化情况在隔离变换器的允许范围之内，则隔离变换器便会优先调节、稳压输出。只有电流出现剧烈变化，且不能满足各点隔离变换器输入电压要求，方可需要对电源发生器的输出电压进行调节。
2）隔离变换器由控制器、电流变换器、输入变压器和后级稳压器等部分组成。隔离变换器设置在负载侧，可根据线路上的电流，对输出电压进行调节，以确保输出电压保持稳定。隔离变换器可同时在供电线路上获取电流、电压的数据。线路负荷降低的情况下，线路压降也会降低，此时可借助获取的电流，实现输入电压的降低。线路负荷上升的情况下，线路电流降、电压压降也会提高，此时可借助获取的电流，实现输入电压的增加，确保后级稳压器的输入可以满足要求。
3 高速公路监控系统中LCP 供电方式的适用性分析3.1 成本分析采取低压380 V 直接供电方式，为降低线路压降，通常应用增加电缆线径的方法，粗线径的电缆成本较高，且在高速公路边坡等部位进行敷设的时候难度较大。采取LCP 供电方式，可使用小线径电缆，成本较低、便于施工、且重量相对较轻，还可以穿管敷设。
3.2 供电质量分析采取低压380 V 直接供电方式，供应同样负荷的情况下，升压后可降低用电电流，进而实现线路压降的减小。但由于升降压的变换比是固定的，因此，实际运行中往往会因用电负荷改变，使用电端电压发生波动。同时，升降压比是固定的，电网电压波动会给用电侧的输出电压带来干扰。两种因素叠加，导致电压波动的加剧，尤其是夜间，过电压可能会导致设备发生损坏。采取LCP 供电方式，以用电负荷电流为依据，电源发生器可对输出电压进行随时调节，负荷电流固定的情况下，电源发生器处于稳定状态，以更好地满足输出电压的要求。负荷电流发生改变的情况下，电源发生器处于调压状态，外电电压波动不会给系统带来干扰。隔离变换器、电源发生器均是根据负荷电流来调节变比，在输出端的超宽范围进行稳压。因此，将输出电压稳定在5%以下，且不受外界因素的干扰，可确保设备安全。
3.3 节能性分析采取低压380 V 直接供电方式，能耗的组成部分包括升压变压器、降压变压器和线路消耗。虽然其运行效率可达到90%以上，运行电能消耗相对较小，但线缆的生产能耗较大，导致其整体能耗较大。采取LCP 供电方式，能耗的组成部分包括电源发生器、隔离变换器和线路消耗。电源发生器、隔离变换器的运行效率约为88%，相对较低，运行电能消耗相对较大，但线缆的生产能耗较小，因此整体能耗也比较小。
3.4 扩展性分析采取低压380 V 直接供电方式，需要对系统中各点的电压进行仔细核对，如果用电设备的位置改变，便要重新进行核算，有时甚至还要更换设备。由此可见，这种供电方式下，系统的扩展性较差，如果未来需要增加、减少用电设备，不仅要重新核算、规划，还可能更换设备。采取LCP 供电方式，在系统负荷允许的范围之内，可任意增加负荷、移动设备，扩展性较好。
4 结语高速公路监控系统供电具有小容量、远距离的特征，低压380 V 直接供电这一固定升降压的供电方式无法满足高速公路监控系统的供电需求，应采取LCP供电这一“浮动电压”的供电方式，以满足高速公路监控系统小容量、远距离的供电需求，保障高速公路监控系统的正常运行，充分发挥监控系统的作用，确保高速公路的长期安全稳定运营。