高速公路主线直流供电照明系统方案探讨

廖景怀

（广东省公路建设有限公司,广东 广州 510630）

0 引言

随着我国高速公路里程不断增长，高速交通流的不断恢复，整体道路交通事故维持较高的水平。根据广东省珠三角核心区域某高速的数据显示，该路段2021 年日均车流10 万辆，处于四级服务水平，2021 年路段的百万车公里事故率约1.23%，夜间事故比例超过了20%，且主要以夜间视线不良造成追尾为主，大交通流下的事故问题日益凸显。高速公路主线照明是减少夜间事故数量的主要措施之一，按照系统的传统方案一般造价水平为每公里200 万元左右，投资建设成本高，也成为制约高速营运单位推广使用的因素之一。因此，确保高速公路主线照明系统安全稳定运行，满足设计规范要求的前提下，如何通过应用新技术、新系统实现节约整体实施成本，降低工程造价，对于主线道路照明的推广发挥着重要作用。

1 照明设计原则

1.1 主要功能

（1）为车辆驾驶员夜间行驶创造良好的视觉环境，保证道路行车安全。

（2）提高公路的夜间诱导性，增加夜间行车的安全感和舒适感，提高通行能力和交通运输效率。

（3）点亮道路，美化城镇环境。

1.2 主要设计指标

照度、亮度、均匀度、眩光控制等技术指标均应达到或超过国家有关道路照明标准的规定，根据《公路照明技术条件（GB/T 24969—2010）》要求，以普通双向六车道高速公路为例，按照规范规定的公路照明等级二级标准设计，具体包括道路平均照度Eav ≥20 Lx（匝道≥30 Lx），平均亮度Lav ≥1.5 cd/m2，亮度均匀度Lmin/Lav ≥0.4，纵向均匀度：Lmin/Lav ≥0.6，分合流区域平均照度Eav ≥30 Lx，道路节能LPD ≤0.85（计算值取0.62），另公路照明的维护系数按0.7 计算，道路照明具有良好的诱导性[1]。

1.3 采取节能技术，降低电能消耗

1.3.1 照明灯具

设计方案首选采用LED 灯具，主要技术指标包括IP65 的防护等级及密封等级，电气绝缘一级，3 500~4 000 K 的色温，灯具电源或驱动使用寿命不低于30 000 h，整灯光效不低于150 lm/W，其中，灯珠光源平均寿命不应低于50 000 h，光源在其使用末期，光通量应不低于初始值的70%。同时，考虑安全性因素，灯具应配置检测控制模块、通信模块、智能调光模块，以便于实现灯具的亮度控制。当调光系统故障时，延时10 min 后灯具亮度应自动调节到100%，以确保道路通行安全环境。结合新技术的发展，可进一步探讨灯具采用分布式直驱芯片驱动LED 方式，提高照明系统的节能效率。

1.3.2 调光控制系统

该次设计采用LED 电源，供配电系统在照明控制柜内设置灯具调光控制器，可在灯具亮度的0%~100%范围内对全线路灯进行无极调节，在车流量较小的下半夜通过调节灯具亮度实现节能。调光控制系统具备时间控制、集中远控、就地控制3 种控制功能，并可实现全部灯具同时调光功能。道路照明开关灯的天然光照度水平均为20 Lx。

1.3.3 照明控制平台功能模块

（1）GIS 地图功能。可查询地图上照片电缆部署以及各路灯集中器位置信息。

（2）设备管理与控制功能。系统支持对集中控制器、灯杆、单灯控制器、开关模块、开关、电表模块、电表、智能电表、输入量模块、输入量、防盗单灯控制器等设备进行管理，实现远程开关功能、分组控制功能、多样化控制。

（3）数据查询功能。支持单播、广播、组播的方式查询灯具状态、灯具亮度、灯具实时数据，实时数据支持电压、电流、有功功率、功率因数、漏电压等参数，集中控制器电表数据查询功能[2]。

（4）故障报警功能。系统支持故障路灯精确地在地图上定位并显示出具体的故障原因。报警信息可以通过上位机实现报警，还可通过手机短信系统支持报警历史查询。

（5）数据统计功能。系统支持节能量统计功能，能统计每个开关控制箱的节能信息，并且根据电价直接计算出节省的电费费用。

（6）用户管理。系统支持管理用户的新增、修改、删除，对账户的管理、权限设置及日志管理。

1.4 经济型照明布设方案

结合新型LED 照明灯具的应用，提出主线照明的经济型布设方案：

（1）一般路基段照明，采用12 m 单臂低杆路灯在两侧护栏外侧对称布置，光源为220 W 的LED 灯，间距为40 m。

（2）桥梁段照明，采用11 m 单臂低杆路灯在两侧护栏对称布置，光源为220 W 的LED 灯，间距为40 m。

（3）匝道段照明，采用10 m（桥梁段为9 m）单臂低杆路灯在道路单侧均匀布置，光源为140 W 的LED 灯，间距为25 m。

（4）展宽段，采用12 m（桥梁11 m）单臂低杆路灯在两侧护栏对称布置，光源为250 W 的LED 灯，间距为40 m。

2 供配电系统方案

2.1 设计原则

（1）体现“技术先进、经济合理、节省能源、维修方便”以及“先进性与实用性相结合、安全性和可靠性相结合、标准化与统一化相结合、开放性和扩充性相结合”的原则，满足安全、可靠、优质、经济的要求。

（2）该系统的构成依据路段照明系统的具体要求，遵照相关专业标准进行设计。

（3）供电设计以供电可靠性为前提，结合国内较先进的技术、工艺和当前电力发展水平[3]。

（4）整个系统应按照经济、合理的原则，并考虑远期冗余。

2.2 供电系统

2.2.1 高压系统

原则上可根据负载均匀设置箱式变电站，变电站高压侧采用单路10 kV 供电方式，电源应结合地方电网设置情况就近引入，并尽可能地采用供电部门业扩方式，减少投资和后期的营运维护工作。

2.2.2 传统交流供电存在问题

交流供电方案中，高速公路沿线电缆、灯具接头均存在漏电风险，同时灯杆接地不良或者被雨水浸透容易造成漏电事故。

同时，LED 灯具需配置AC/DC 驱动电源，导致灯具的结构和功能复杂，可靠性不强。

2.2.3 直流供电系统组成

直流供电系统，即多脉冲高压直流集中供电系统，核心技术是航空系统采用的多脉冲变压整流技术（TRU）。一般来说，系统架构为集中式整流及分布式驱动，首先在前端将AC380 V 交流电转变为高压直流（DC400 V 或DC750 V），通过正负极两线供电至LED 照明灯具处，这样LED 灯具不再需要将交流转换直流的电路设计，只需要DC/DC 电路，将直流降压恒流供给LED，具体系统示意如图1 所示。

图1 直流DC400 V 供电系统示意图

2.2.4 直流供电系统优势

（1）损耗低供电距离远。采用直流供电，综合无线路感抗容抗以及电流集肤效应的影响，提高了供电半径，使得整体损耗降低，供电距离相比交流供电更具优势。

（2）安全性高。采用直流悬浮（隔离）供电模式，单极漏电不触电，与交流供电相比，安全性高，漏电触电风险低。

（3）寿命长。直流供电技术的驱动电源采用无电解电容设计，从根本上解决了寿命瓶颈问题，整灯寿命延长1~2 倍，节省后期运营成本。

（4）效率高灯具驱动电源效率可高达98%，多脉冲集中电源效率可高达96%。

（5）可靠性高。采用航空电源常用的多脉冲变压整流技术，可靠性等同于变电站内变压器。

（6）环境适应性强。核心组件为多脉冲变压器，实质为工频变压器，其环境适应性更强，可适应户外-40~60 ℃高低温环境[4]。

2.3 主要关键设备

2.3.1 箱式变电站

（1）主要功能。箱式变电站高压电源线进线前设有跌落式高压熔断器、避雷器等高压保护设备。高压出线柜采用熔断器和带接地刀闸负荷开关组合柜。变压器采用SC(B)15 系列干式变压器。低压柜内设有低压电容自动补偿柜，以减低运行中的无功功率损耗。在箱变附近设置照明控制柜，柜内设有照明节能控制装置，可分段投切负荷，同时可进行人工、时间自动控制、光敏控制，时控开关和光控开关可根据时间和环境自动开关灯具，同时还可以实现调光功能，照明控制柜内还应设置交通信号灯等用电的电源进线和出线开关设备。

（2）技术指标。变电站应满足《高压/低压预装式变电站》（GB 17467—2020）和《高压/低压预装箱式变电站选用导则》（DL/T537—2018T）的要求。变电站应满足GB 17467 和DL/T537 的要求。

变压器：采用SC(B)15 系列干式电力变压器，变压器应满足《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB20052—2020）要求，其能效不低于二级标准。

配电柜应符合GB7251.1《低压成套开关设备和控制设备》的规定。

2.3.2 直流配电柜

（1）主要性能要求。多脉冲直流远程供电系统局端机采用多脉冲变压整流技术，其核心部件是一个绕组结构经特殊设计的变压器。为保证可靠性和稳定性，主功率变换电路中不得采用可控半导体元件。

（2）主要技术指标：

额定输入电压：AC380 V±15%，50 Hz；

额定功率：60 kW/90 kW；

额定输出电压：DC750 V±20%；

输出纹波电压（峰—峰值）：≤3%；转换效率：96%≤30%~100%负载的效率≤99%；功率因数PF：0.96 ≤30%~100%负载的功率因数≤0.99；

总谐波畸变率THD：≤10%（50%~100%负载）；软启动时间：<1 s，无过冲；

交流输入防雷参数：Up ≤2.8 kV，In=60 kA；

保护功能配置：具有缺相，偏相，过欠压，直流短路，过载，过温，直流输出绝缘监测保护；供电模式：悬浮供电（隔离）；

整流方式：多脉冲变压器整流，为确保可靠性，主功率变换电路中不得采用可控。

（3）元器件组成。应配置有整流变压器、半导体元件、空气开关、防雷器、智能仪表等部件。

2.3.3 低压配电柜

配电柜应符合《低压成套开关设备和控制设备》（GB7251.1）的规定。

3 防雷接地系统

3.1 防雷设施

低压配电柜低压电源总进线回路、照明控制箱内母线：各箱变低压电源总进线开关下端需要安装能防御10/350 us 波形雷电流幅值的开关型的电涌保护器SPD1，其雷电测试电流Iimp=15 kA，响应时间ta ≤1 us，电压保护水平Up ≤2 kV。

低压配电柜其他供电回路：电容无功补偿装置、低压配电柜各段母线（每段母线1 套）、应急电源回路，均需要安装能防御10/350 us 波形开关型和能防御8/20 us波形限压型的复合式电涌保护器SPD2。限压型电涌保护器要求最大放电电流Imax=40 kA，响应时间ta ≤25 ns，保护电平Up=2 kV。

3.2 接地设施

电力系统接地采用T-T 系统，工作、防雷和保护接地共用。接地系统应保证电气连接通畅。变电站和路灯采用人工接地体和照明线路连续设置的PE 线连接作为防雷和保护接地网。路灯低压电缆采用三相四线五芯电缆，电缆PE 保护线将所有路灯接地极连接起来，并与每杆灯杆底板焊接组成保护接地系统，以保证设备运行和人身安全。系统接地电阻不得大于4 Ω，照明灯杆的接地电阻不得大于4 Ω，所有焊接必须牢固、无虚接，接地线应防止发生机械损伤和化学腐蚀[5]。

4 结语

该文介绍了高速公路主线道路照明系统化方案，全面梳理了照明系统、供配电系统、防雷接地系统的设计内容，并探讨了已在数据中心、轨道交通、轮船、航空领域广泛使用的直流供电系统的技术引入应用的系统化方案。在整体建设成本上，一方面减少了10 kV 外电系统的引入，从而降低建设成本，综合建设成本降低约20%，同时对沿线布置低压供电电缆，运营维护人员不再需要高压相关证件，减少运营方面的技术人员成本。