高速公路ETC门架系统供电方案研究

徐联祺， 周 京， 杨 晨， 郑玲娇， 赵 恺

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司, 湖南 长沙 410200)

0 引言

ETC门架系统是实现高速公路不停车收费的重要设施，在供电要求上属于一级负荷供电，一旦断电将会影响收费系统的正常运行，造成经济损失。因此，ETC门架系统供电方案及智能运维方案将在取消省界收费站项目中起到至关重要的作用。本文通过对比分析，提出了切实有效的供电方案选择原则。

1 ETC门架负荷

收费站ETC门架系统供电情况有3类(见表1)。

表1 ETC门架系统供电情况分类收费站带ETC门架数量/个负荷/kW具体情况2 7～9 收费站单侧有ETC门架414～17收费站双侧有ETC门架/单侧省界ETC门架621～25收费站双侧有ETC门架,其中一侧为省界站

本研究为保证设备可靠供电，暂未将ETC门架系统以外的其他负荷接入供电系统。同时，根据取消高速公路省界收费站相关要求，为确保ETC门架系统供电稳定可靠，ETC门架系统专电专用，不利用监控系统的远距离供电系统。

2 供电方式比选

参考高速公路机电系统的常规供电方式：对于距变电站2 km以内的用电设备通常采用低压380 V/220 V直接供电，对于2 km以上的设备通常采用远距离升压的方式对机电设备进行供电。

根据供电负荷与供电距离，考虑门架系统设备允许压降以及功率因数，对直接供电和远距离升压供电方案进行比较(见表2)。

表2 直接供电和远距离升压供电方案比较两个ETC门架单侧供电距离/km直接供电(允许压降5%、功率8.3 kW、功率因数0.85、三相380 V)4芯不等截面铝合金电缆线径/mm2电缆单价/(万元·km-1)每侧电缆造价/万元双侧电缆造价/万元1.55081 64012.2524.491.870121 29021.8343.66270111 96022.3944.782.295149 50032.8965.782.395149 50034.3968.772.595149 50037.3874.753120165 36049.6199.22

续表2 直接供电和远距离升压供电方案比较2个ETC门架单侧供电距离/km直接供电(允许压降7%、功率8.3 kW、功率因数0.85、三相380 V)4芯不等截面铝合金电缆线径/mm2电缆单价/万元·km-1 每侧电缆造价/万元双侧电缆造价/万元1.53560 1909.0318.061.85081 64014.7029.3925081 64016.3332.662.25081 64017.9635.922.370121 29027.9055.792.570121 29030.3260.65370121 29036.3972.772个ETC门架单侧供电距离/km远距离供电2芯不等截面铝合金电缆线径/mm2电缆单价/万元·km-1 每侧电缆造价/万元远距离供电发射器与转化器造价/万元造价合计/万元1.52530 1864.5319.535.061.82530 1865.4319.536.8722530 1866.0419.538.072.22530 1866.6419.539.282.32530 1866.9419.539.892.52530 1867.5519.541.0932530 1869.0619.544.11

综合考虑供电点的距离情况，从节省造价、便于施工、可靠运营等方面考虑，ETC门架系统供电方案推荐了： ① 2个ETC门架单侧供电和4个ETC门架双侧供电:2.2 km以内采用直接供电，2.2 km以上采用远距离升压供电；②6个ETC门架双侧供电和4个ETC门架单侧省界供电建议采用远距离升压供电(因省界站侧距离较远，暂不考虑直接供电)。

3 远距离供电方式比较

在远距离升压供电方案前提下，直流与交流供电方式的优劣比较，见表3。

表3 直接供电和远距离升压供电方案比较序号比较项目直流供电方式交流供电方式1实现原理采用固定升降压方式。首段将电压升高到一定范围,用电端再通过整流逆变将电压变成220 V。系统柔性不强,很难实现大功率设备和小功率设备的混合供电采用浮动电压技术供电。电源发生器根据线路负荷电流在一定范围内自动实时调节输出电压,用电侧隔离变换器同样根据用电负荷电流自动调整降压比,然后再经过二次宽稳压输出。采用二次稳压技术,输出电压稳定,各用电负荷之间不相互影响,大小功率设备可混合使用,且对今后扩容、负载调整灵活方便

续表3 直接供电和远距离升压供电方案比较序号比较项目直流供电方式交流供电方式2供电质量由于此供电方式首末端都没有稳压设备,因此很难保证用电端电压波动范围在±5%以内,供电质量无法保证电源发生器根据用电负荷电流调节输出电压。当负荷电流固定时,电源发生器实际工作在稳压状态,以满足输出电压要求;当负荷电流变化时,工作变为调压状态。因此系统不会受到外部电电压波动的影响。因为电源发生器和隔离变换器均根据负荷电流调节变比,加上用电端输出端的超宽范围稳压,可确保用电电压稳定在±3%以内,不受外界因素影响。供电质量高,可以保证用电设备安全3安全性,可靠性此供电方式现场端主要靠斩波振荡逆变实现,使用了大量的电子设备,电子设备受环境影响较大,装置可靠性差。且此供电方式现场端设备按规定外壳应接地,导致与变电所供电设备的接地点构成回路,容易产生环流,装置防雷性能差系统采用浮动电压原理,浮动电压最高为800 V。属于低压供电范围,所有开关设备、接线端子、电缆都可以按照低压供电设备标准,维修配件易于采购。运行维护只需普通低压电工即可,符合高速公路管理运行模式。设备投运后基本上属于免维护状态。运行简单,维护方便,操作安全4节能比较比传统供电方案节能,运行电能消耗略小 。由于使用大量电子设备,虽然供电质量不高,但损耗也很小比传统供电方案节能,由于在用电段增加电源变换和二次稳压设备,设备消耗略有增加,但增加量极小,几乎可以忽略

综上分析，并结合项目实际情况，推荐采用交流升压远距离供电方式。

4 其他

4.1 电缆

推荐采用铝合金铠装电缆，电缆选用特定颜色标识(建议为橙色)。与铜电缆相比，造价低、减少被盗风险。

4.2 路由

电缆及光缆沿路侧敷设，全线采用25 cm×12cm的C15混凝土包封，过水沟采用钢管保护C15混凝土包封；跨普通路面采用切割路面钢管保护，钢管采用φ89和φ83型号。

4.3 后备电源

根据《高速公路ETC门架系统技术要求》(交办公路函(2019)856号)相关内容，ETC门架系统需要7×24 h不间断进行供电，由于门架与收费站有一定距离，在供电线路出现故障时需要有后备电源来保障系统的正常运行。每个ETC门架处设置后备电源，采用N+l冗余方式，备用时间为4 h。

5 结论

根据ETC门架系统的负荷要求，在保证门架系统设备稳定可靠运行的前提下，比较了不同距离、不同供电方式的工程造价，最终确定了ETC门架系统供电方案的选择原则，为工程项目的顺利实施，奠定了良好的基础。