中远海运科技股份有限公司 上海 200135
摘要：随着取消全国高速公路省界收费站的项目开展，以为高速公路分段计费设备提供现场配电的ETC门架智能机柜的供电线路为研究对象，根据现场的供电需求，对供电方式及供电线路线径、长度进行设计，力争在为现场机电设备提供可靠供电能力的同时，兼顾经济和适用性。
关键词：供电线路；供电需求；经济和适用性
Design of power supply circuit for ETC gantry intelligent cabinet
CHEN Min
（COSCO SHIPPING Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200135，China）
Abstract：With the cancellation of the national highway provincial boundary toll station project，the power supply line of ETC gantry intelligent cabinet which provides on-site power supply for expressway section charging equipment is selected as the research object.According to the on-site power supply demand，the power supply mode and the line diameter and length of the power supply line are designed，so as to provide reliable power supply capacity for the on-site mechanical and electrical equipment，and take into account the economic and social benefits Applicability.
Key words：Power supply line；Power supply demand；Economy and applicability
1.引言
《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站实施方案》指出，为贯彻落实党中央、国务院决策部署，进一步深化收费公路制度改革，加快取消全国高速公路省界收费站，实现不停车快捷收费，力争2019年底前基本取消全国高速公路省界收费站，提升人民群众的获得感、幸福感、安全感。上海市积极贯彻落实党中央、国务院决策部署和交通运输部工作要求，明确了2019 年底前完成取消高速公路省界收费站工作。
本文主要以取消全国高速公路省界收费站为背景，选取为高速公路分段计费设备提供现场配电的ETC门架智能机柜的供电线路为研究对象，根据现场的供电需求，对供电方式及供电线路线径、长度进行设计，力争在为现场机电设备提供可靠供电能力的同时，兼顾经济和适用性。
2.ETC门架智能机柜供电系统需求
深化收费公路制度改革，加快取消全国高速公路省界收费站，实现不停车快捷收费后。原有基于入口收费站与出口收费站之间简单的收费里程计费模式已不适用，取而代之的是将各收费高速公路按简单取费条件，划分为一个个小的分段计费单元，在此基础上，通过将车辆实际通过的各分段计费单元进行累计，从而根据车辆实际通过的里程长度进行收费的模式。为了实现分段计费的目标，就要求各个小的计费单元必须能够准确的标识通过的车辆信息并将信息及时传递到收费清算中心。目前我们已在各计费单元路段上设置了对应的ETC门架，通过在门架上安装ETC天线交易和车牌识别两套系统，实现对经过车辆的ETC天线标记和车牌标记。在标记信息传输到收费清算中心后，通过ETC天线标记信息可以实时扣费，当ETC天线标记信息丢失时，可以通过车牌标记辅助还原车辆行驶路径，实现事后的稽查管理事务。
为了保证ETC门架上计费相关设备的正常运行，除了通信保障外，还需要提供稳定可靠的供电系统。目前我们采取在ETC门架就近设置ETC门架智能机柜的方式，向门架设备提供电力供应。
综合考虑门架设备供电重要性和设备数量后，供电需求整理如下：
1．收费系统业务很重要，对门架设备的供电必须可靠，对于可能接触设备的人员必须保证接触安全，因此一般情况下应具有在室外一定的故障下保证人员接触安全的能力；
2．门架设备用电需求
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合计：5.58KW≈6KW，负荷计算电流：6000/（380*1.732）＝9.11≈10A。
3.ETC门架智能机柜供电线路设计
针对ETC门架智能机柜一般情况下应具有在室外一定的故障下保证人员接触安全的能力的需求，我们主要从供电系统接地方式进行设计。
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之前收费设备主要安装在收费站内，收费站内环境简单，人员流动性小，供电系统的接地方式除了考虑设备的正常运行外，还要考虑可能与设备接触的人员的安全，因此通常采用TN-S接地系统。本次ETC门架设备主要的安装地点处于高速公路封闭路段，设备除了安装在智能机柜内的设备外，其余设备都安装在ETC门架上，其中ETC门架智能机柜在高速公路地面道路段的安装位置在高速公路的护坡边，日常除了专业的巡检和维修人员外，附近的居民也能抵达，因此保证设备在故障情况下不对附近居民造成触电伤害成为接地系统设计的主要参考因素。因此，我们在综合对比了TN-S、TT、IT接地系统后，选择TT接地系统作为本次ETC门架智能机柜供电系统的接地方式。TT接地系统，可以保证设备在发生一般的接地故障的情况下，电气设备的金属外壳带电（相线碰壳或设备绝缘损坏而漏电）时，由于有接地保护，可以大大减少触电的危险性。但由于整体的电位升高，与设备连接的相线与零线间因为电位整体的升高幅度相同，在设备端仍能获得符合工作要求的工作电压输入，因此供电线路不能通过低压断路器立即断开，造成漏电设备的外壳对地电压高于安全电压，属于危险电压，为此在线路中需要针对小的漏电电流加装漏电保护器作保护，在故障发生后，通过对线路泄漏电流值的监控，可以在故障发生后，及时切断供电线路并安排人员进行故障排除，为供电线路及早恢复正常争取时间。
针对门架设备已知的用电和今后可能的系统扩充后新增设备对用电量的需求，我们以每套ETC门架智能机柜6KW供电容量、供电电压380V为需求值，对ETC门架智能机柜的供电线路进行设计。
由于ETC门架智能机柜供电需求相比高速公路上一般的用电设备（摄像机、可变情报板等）高，高速公路上已有的供电线路无法满足ETC门架智能机柜的用电需求，因此需要考虑自高速公路上就近的收费站、服务区和立交下的无人值守变电站就近取电，满足供电需求。
供电线路选用YJV-22四芯电缆、穿管敷设。在电缆规格和长度选择方面，主要从线路压降、热稳定性、经济性三个方面进行核算（功率因素取0.9）[1]，根据核算结果，综合考虑选取相应的电缆进行线路敷设。
1.线路压降
电压降是指电流通过阻抗负载时的电位降的大小，标准值为不大于5%。
三项平衡负荷线路线路的压降计算式为：
△u%=（2/10U²）（Rcosδ+Xsinδ）*I*l
其中U：标称线电压，R、X：三项线路单位长度的电阻和感抗；I：负荷计算电流；l：线路长度。[1]
导线截面积为25mm²时，每Km电压降为0.373*10＝3.73％；
导线截面积为35mm²时，每Km电压降为0.271*10＝2.71％；
导线截面积为50mm²时，每Km电压降为0.194*10＝1.94％；
导线截面积为70mm²时，每Km电压降为0.143*10＝1.43％；
由计算结果可知，随着电缆线径的增加，在计算电流值不变时，每Km电压降减少，此时，当导线截面积为70mm²时，为满足电压降不小于5%的条件，线缆最大敷设长度可以达到3.5Km。
2.热稳定性
电缆载流量是指一条电缆线路在输送电能时所通过的电流量，在热稳定条件下，当电缆导体达到长期允许工作温度时的电缆载流量称为电缆长期允许载流量。
在35℃条件下，以计算电流的1.45倍：14.5A选择电缆截面积，可以得知电缆截面积大于2.5mm²的导线[1]，都能满足热稳定性的要求。
3.经济性
导线截面影响线路投资和电能损耗，为节省投资，要求导线截面小些；为了降低电能损耗，要求导线截面大些。综合考虑，确定一个比较合理的导线截面，称经济截面积，与其对应的电流密度称为经济电流密度
经济截面积与电价、一年内工作时间、计算电流三个参数有关。
本地工商业电价：峰时段（6-22时）0.976元，谷时段（22时-次日6时）0.465元，计算得出综合电价为（0.976*16＋0.465*8）/24=0.806元；
一年内工作时间：24*360=8640小时；
计算电流：14.5A。
根据上述三个参数，可以计算得出：
导线截面积为6mm²时，经济电流上限值为10.3A[1]（不满足要求）；
导线截面积为10mm²时，经济电流上限值为17.1A[1]；
可以得知电缆截面积大于10mm²的导线[1]，都能满足经济性的要求。
结合上述三个核算指标的验算结果，我们可以获知，满足线路压降在合理范围是本次供电线路电缆截面取值的决定性因素。
考虑到在高速公路（特别是高架道路）上导线截面积超过70 mm²的电缆施工工作十分艰巨，因此，我们以截面积为70 mm²的电缆为上限，制作了以下电缆选择参考表。
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当供电距离超过3.5Km时，建议采用直接就近申请市电接入的的方式。
4.实施过程中的注意事项
1．在供电系统的实施过程中，可以考虑将距离不远的机柜汇总为一条供电线路敷设，以一条供电线路为两个或最多为四个机柜同时供电为标准，ETC门架智能机柜最远供电接入点的选择可见下表：
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此时，随着同时供电机柜数量的增加，电缆线路的供电距离成倍下降，因此在实施过程中，对机柜供电线路的合并，必须谨慎，最好不超过2个。
2．由于供电系统接地方式采用TT系统，因此在供电系统电缆的敷设过程中，必须严格控制电缆的绝缘电阻值和ETC智能机柜的接地电阻值。其中，绝缘电阻应大于标准要求值10MΩ，接地电阻如采用单独接地，值应小于标准要求值4Ω，如采用联合接地，值应小于标准要求值1Ω。
5.结语
进行供电线路设计首先需要深入了解设备的用电需求、结合现场的实际环境，在线缆选择前务必根据用电需求和现场条件做好对线缆各项性能条件的参数验算，以验算结果作为参考，结合现场实际特点制定合适的系统接地方案，确保证人员的安全是供电设计首先要考虑的问题，在此基础上兼顾设备的正常持续运行的要求。
随着社会对精细化管理要求的提高，在高速公路上作为前段数据采集和现场管理的机电设备安装数量将不断增加，如何在室外为这些设备提供稳定、可靠的供电需要运用科学的方法进行事先论证，最大程度降低供电系统隐患、节约建设投资。
本文对高速公路室外设备的供电线路设计具有一定的参考意义。
参考文献：
[1]工业与民用供配电设计手册（第四版）
作者简介：
陈旻（1978-），男，江苏南京人，电气工程师（供配电）、一级建造师（机电）、一级造价工程师（安装）主要从事主要从事城市信息化和数据中心规划、建设工作。