城市軌道交通工程供電系統設備國產化的分析與思考北京市城建設計研究院 于松偉(100037)序言 本文完成于1999年初，基于當時的設備狀態，對城市軌道交通供電設備國產化進行了分析。從當時的情況來看，除直流快速開關外，其他設備基本上實現了國產化。當時發表本文的主要目的是加速和推動直流快速開關的國產化進程。文中曾斷言：“直流快速開關肯定會實現國產化，這個民族工業的空白，一定會被有識之士填補，這一天不會太遠！”。現在這一美好愿望，即將變成喜人現實。 在2001年4月和11月，上海新聯直流電器有限公司(由原上海立新電器廠改制而成)通過兩年多的發奮努力，相繼研制成功了QDS8型直流快速開關(1250A/1500V)－相當于瑞士SECHERON公司的UR6，以及DS16 型直流快速開關(4000A/1500V)－相當于瑞士SECHERON公司的UR40。2002年3月，這兩種開關已成功地完成了型式試驗。而且，UR6型開關已應用于成都青城山磁懸浮列車地面供電系統。 另外，江蘇長江電器集團，自1998年與瑞士SECHERON公司簽訂合作生產協議后，現在通過引進SECHERON公司的直流快速斷路器等核心部件，已經形成在國內批量生產直流快速開關柜的能力，并且已經向長春輕軌工程、武漢軌道交通工程等供貨。 總而言之，在本文發表后的兩年多時間里，直流快速開關的國產化工作，又向前邁進了一大步。可以說，“直流快速開關”的國產化，已經露出了曙光。只要企業、業主、設計單位等共同努力，“直流快速開關”就會象早晨的太陽在東方蓬勃升起！現在，北京城建設計研究院，擬將此文收入“院論文集”，特做此序，以珍視歷史，激發未來。本文作者：于松偉，2002年6月，北京。內容提要：本文從國家對城市軌道交通設備國產化的要求談起，介紹了城市軌道交通工程供電系統設備的特點；分析了供電系統設備國產化現狀，認為主變壓器用有載調壓開關可以采用國內產品，明確了直流系統所采用交流電力電纜的電壓等級；著重對直流快速開關的國產化問題進行了思考：開發回顧、研制現狀、應用前景、有關建議，目的在于倡導有識之企業，抓住機遇，加大投入，加速直流快速開關柜全面實現國產化。關鍵詞：供電系統 設備 國產化分析 直流快速開關 國產化思考一、前言(兼談國家對城市軌道交通設備國產化的要求)1、供電系統設備國產化的意義 城市軌道交通工程供電系統(以下簡稱供電系統)，是城市軌道交通機電設備中除車輛以外的最大輔助設備系統。供電系統設備國產化的實施，其工程意義不僅在于能有效降低供電設備自身投資，還有助于“確保全部軌道車輛和機電設備的平均國產化率不低于70％”總體目標的實現，加快城市軌道交通設備國產化進程，促進城市軌道交通業健康發展。同時，供電系統設備國產化還具有發展我國民族工業的長遠歷史意義。2、供電系統設備國產化的方式 國家鼓勵采取自主開發、聯合研制、消化吸收引進技術、系統集成等多種方式實施國產化。城市軌道交通設備國產化開發及產業化專項以國家批準的建設項目為依托，以承擔重點領域設備國產化任務的企業為專項的主要實施單位，配合整個工程的進度開展工作。在具體實施中，要兼顧當前項目建設的需要和今后軌道交通設備的技術發展趨勢。3、供電系統設備國產化的原則 以九十年代先進技術水平為目標，以我國現有的成熟機電設備為基礎，采用我國機電工業已掌握的先進技術，先易后難，重點突破，穩步前進，逐步形成我國城市軌道交通供電系統的設備系列。二、城市軌道交通工程供電系統設備的特點1、供電系統概述 城市軌道交通工程供電系統，由以下幾部分組成：主變電站(對于集中式供電)、牽引供電系統、動力照明系統、牽引網系統、電力監控(SCADA)系統。 我國牽引網系統，根據系統標稱電壓不同，又分為750V DC牽引網系統、1500V DC牽引網系統。2、供電系統設備組成2.1變壓器類2.1.1主變壓器 用于主變電站；常用的電壓級有110/35kV，110/10kV，110/35/10kV，63/10kV等；容量在20～31.5MVA左右；帶有有載調壓開關。2.1.2牽引整流變壓器 用于牽引變電所；常用電壓等級有10/0.61kV、35/1.22kV；容量在2000～4400kVA左右；聯結接型式有單機組12脈波(如Dy5/Dd0)、雙機組等效24脈波(如：D(-7.5°)y11d0與D(+7.5°)y1d2)。2.1.3配電變壓器 用于動力照明變電所；常用電壓等級有10/0.4kV、35/0.4kV；單臺容量一般在1600kVA以下。2.2牽引整流器 用于牽引變電所；硅二極管三相橋式整流；容量在1800～4000kW左右；空氣自然冷卻。2.3開關設備類2.3.1 110kV交流開關柜 用于主變電站；GIS開關柜。2.3.2 35kV交流開關柜 用于主變電站、牽引變電所、動力照明變電所等；35kV真空開關柜或35kVSF6開關柜；35kV充氣式C－GIS開關柜正在研制。2.3.3 750V或1500V直流快速開關柜 額定電壓750V DC或1500V DC；額定電流一般在6000A以下；額定斷流容量一般不超過80kA；全分閘時間約為20～30ms。2.3.4 0.4kV交流開關柜 MNS型或GCK型或GCS型抽出式開關柜。2.4變電所控制保護設備 對于高中壓交流開關柜、750V或1500V直流快速開關柜，多采用電子保護裝置；對于低壓交流開關柜多采用電磁保護裝置。2.5變電所輔助電源裝置 交流輔助電源裝置，進線一般要求雙路電源，且自投自復；直流輔助電源裝置，一般設有交流進線開關、充電機及電壓調整裝置、電池組、直流饋出開關等；電池可選用鎘鎳電池或鉛酸免維護電池，容量一般在100AH左右。2.6電纜電線類 110kV交聯聚乙烯電力電纜 35kV交聯聚乙烯電力電纜 10kV交聯聚乙烯電力電纜 0.6/1kV交聯聚乙烯電力電纜 500V控制電纜電線 750V或1500V直流電纜2.7接觸軌或柔性架空接觸網2.7.1接觸軌 接觸軌系統有上部接觸型式、下部接觸型式；接觸軌系統包括接觸軌、絕緣瓷瓶或絕緣支架、防護罩、底座基礎、以及隧道開關柜、供電接線箱等。2.7.2柔性架空接觸網 柔性架空接觸網包括以下設備：(1)線材：接觸線、承力索、饋線、架空地線(2)主要零部件：支柱、腕臂結構、吊弦、中心錨結、補償器、軟(硬)橫跨、饋線肩架等(3)主要設備：隔離開關、分段絕緣器、絕緣子、避雷器等2.8電力監控系統 電力監控系統由電力監控中心、執行端(RTU)、通道構成。電力監控中心，一般采用局域網結構。如果電力設備與系統間以模擬信號通信，則執行端一般由繼電器屏、變送器屏、RTU屏和UPS組成；如果電力設備與系統間以數字信號通信，則執行端可簡化為RTU屏和UPS；執行端也可以利用變電所自動化系統。 電力監控系統一般自成系統；根據工程特點，也可以與車站設備監控系統(BAS)、防災報警系統(FAS)組成綜合監控系統。三、供電系統設備國產化分析1、實現國產化的設備 從我國機電設備現有的技術水平、制造工藝、產品質量、運行經驗來看，下述設備完全可以實現國產化：l 主變壓器l 牽引整流變壓器l 配電變壓器l 牽引整流器l 110kV交流開關柜l 35kV交流開關柜(真空或SF6開關)l 10kV交流開關柜(真空或SF6開關)l 0.4kV交流開關柜l 變電所控制保護設備l 變電所輔助電源裝置l 110kV交聯聚乙烯電力電纜l 35kV交聯聚乙烯電力電纜l 10kV交聯聚乙烯電力電纜l 0.6/1kV交聯聚乙烯電力電纜l 500V控制電纜電線l 接觸軌系統l 電力監控系統2、柔性架空接觸網(1)線材 銀銅接觸線：國內試制成功 承力索、饋線、架空地線：成熟產品(2)主要零部件 腕臂結構：改進中 吊弦：改進中 中心錨結：改進中 補償器：試制成功(3)主要設備 手動隔離開關：國內試制成功 電動隔離開關：國內試制，建議從國外引進 分段絕緣器：建議近期從國外引進，遠期國內開發試制 絕緣子、避雷器：國內試制3、750V或1500V直流電纜 交流電力電纜可以應用于直流系統。根據SIEMENS電力電纜及其應用手冊，在具有最大運行電壓高達Ubmax＝1.8kV的直流系統中，VDE標準允許使用額定相電壓U0＝0.6kV交流電力電纜。另外，從IEC502有關電壓試驗的規定來看，當使用直流電壓試驗時，所加的電壓應為工頻試驗電壓的2.4倍。據此，標稱電壓為750V及1500V的直流系統中的電纜，均可以采用0.6/1kV的交流電力電纜。伊朗德黑蘭地鐵工程1＃、2＃線，直流系統的標稱電壓為750V，其中直流系統電纜采用的是沈陽電纜廠生產的0.6/1kV的交流電力電纜。4、主變壓器的有載調壓開關 當今國內市場對有載調壓開關的需求，從資金角度來說，約有一半資金購買國外產品，一半資金購買國內產品；由于國外產品價格約是國內產品的4倍左右，因而從產品數量來說，國內產品的市場占有率約為80％左右。可以說，國產的有載調壓開關已經成熟；貴州遵義長征電氣集團長征開關一廠、上海華明電力設備制造有限公司等企業，都有良好的用戶使用業績；而且，貴州遵義長征電氣集團長征開關一廠還擁有德國MI公司的生產許可證。因此，建議城市軌道交通工程供電系統，主變壓器所用的有載調壓開關可以采用國內產品。四、750V或1500V直流快速開關柜的國產化思考1、直流快速開關開發回顧 60年代，北京地鐵一期工程上馬時，采用了上海整流器廠仿蘇的DS1型直流快速開關。 70年代，上海立新電器廠為地鐵開發研制了DS9、DS10型直流快速開關，但遺憾的是因種種原因DS9、DS10型開關沒有發展完善起來。后來，西安電器設備制造廠推出了DS11、DS14等直流開關。 1991年西安電器設備制造廠，籌劃聯合北京地鐵公司、北京市城建設計研究院等單位，準備以北京地鐵為依托，進一步研制用于地鐵的DS系列直流快速開關，但因研制經費沒有得到落實，進一步研制工作擱淺。 1995年上海立新電器廠與瑞士賽雪龍(SECHERON)合資，成立了上海SECHERON公司，原計劃利用SECHERON的技術，發展我國的地鐵直流快速開關事業，但因故上海SECHERON的產品也未能推向國內地鐵市場。 1989年，中船總武漢712所與北京地鐵公司聯合，以西門子SIEMENS的3WV直流快速開關為基礎，開始了直流快速開關的研制工作。1992年10月，推出了樣機。1993年3月，在北京地鐵一號線進行了與國外開關的對比試驗。1994年試制了幾臺直流開關，掛在北京地鐵車輛段進行運行考核。1996年工廠對上述開關改進后，又推出了8臺開關，替換了1994年的樣機，繼續掛網運行考核。2、直流快速開關研制現狀 近幾年，我國城市軌道交通工程發展迅猛，許多企業把城市軌道交通領域，作為企業效益一個新的增長點，紛紛投入到地鐵與輕軌設備的開發研制中來。最明顯的是牽引整流變壓器的開發、研制、投產。從95年至今，短短的4年中，先后有4家企業研制出干式牽引變壓器樣機；其中最突出的是廣東順德特種變壓器廠：先后研制開發出20/0.592kV單機組12脈波整流變壓器、多規格35/1.2kV雙機組等效24脈波整流變壓器，且該廠為伊朗德黑蘭地鐵提供的72臺20/0.592kV單機組12脈波整流變壓器，其中28臺已運抵現場；2500kVA的35/1.2kV雙機組等效24脈波整流變壓器在廣州一號線掛網考核運行良好。 直流快速開關的國產化步伐，雖然不如干式牽引整流變壓器，但目前也有了長足發展。 中船總武漢712所，在直流快速開關得到基本運行考核的前提下，已經完成了開關柜的成套工作(但不包括完整的保護裝置)，計劃99年10月通車的北京地鐵復八線工程，有兩個站將采用該企業的20面直流開關柜。 西安電力整流器廠，現以深圳地鐵工程為依托，計劃與FKI公司合作，通過組裝、技術引進、消化吸收等形式，逐步實現直流快速開關國產化。 西安電器設備制造廠，現利用自身的技術優勢以及積累的經驗，正在加速DS18地鐵直流快速開關的試制工作。 上海立新電器廠，也正在利用最新掌握的新技術，組織力量，準備以瑞士SECHERON的UR40為基礎，開發研制新型直流快速開關。3、直流快速開關應用前景 前不久，在北京召開的一次關于國際城市軌道交通的會議上透露，我國將有北京、天津、上海、廣州、深圳、南京、沈陽、長春、哈爾濱、重慶、武漢、杭州、合肥等15個城市計劃發展城市軌道交通。如果一條地鐵或輕軌線路按平均需要80面直流開關柜計，假定未來10年修建10條線路，那么市場需求為800面，總投資估計在1.0～1.6億元人民幣。同時，已經運行線路的備品備件也有一定的需求量。 除此之外，企業還可以靠“直流快速開關”這張王牌，增加廣告效應，強化成套優勢，將相關產品作為一個整體打入地鐵與輕軌領域。4、關于直流快速開關的建議4.1 至今未實現國產化的原因分析 正如前面介紹的那樣，雖然不少廠家及單位做過許多有價值的開發、研制、試制工作，甚至推出了直流開關柜，但直流快速開關(柜)至今未能實現全面國產化，不同廠家的原因也許不盡相同，但歸納起來主要有以下原因：l 產品應用領域單一，前一階段地鐵輕軌沒有發展起來，市場需求量較小。l 產品開發、研制、試驗費用較高。l 因地鐵輕軌運行對安全可靠性要求較高，產品樣機“掛網”運行考核的試驗條件受一定限制。l 以往有關方面對地鐵與輕軌的設備國產化認識不足。4.2直流快速開關國產化的必然性 我國城市軌道交通工程如雨后春筍，方興未艾，對直流快速開關的市場需求量急劇增加； 計劃經濟轉向市場經濟后，競爭機制為有遠見的企業提供了敢于投入資金、開發新產品的條件； 越來越多的地鐵輕軌線路將投入建設運營，直流快速開關的試驗考核場所變得越來越多。 上至政府部門下到城市地方、以及業內各方面人士，對地鐵輕軌設備國產化的必要性與重要性認識，空前提高。 從設備本身發展的必然趨勢來說，直流快速開關肯定會實現國產化，這個民族工業的空白，一定會被有識之士填補，這一天不會太遠！4.3加快直流快速開關(柜)國產化的建議 加快直流快速開關(柜)國產化的途徑有兩條：其一，國內企業通過產品組裝、技術引進、消化吸收，逐步形成國產化。其二，在直流快速開關研制工作中有技術儲備的企業，與經濟實力雄厚、敢于投入的業內企業聯合，充分發揮雙方的“技術”與“資金”優勢，早日推出完整的產品，形成設備成套能力，增加市場競爭力。 不管是那一條途徑，都離不開政府、業主、企業、設計等相關單位的緊密協作與鼎力支持。 盡管前述幾個企業對直流快速開關(柜)開發研制工作的程度不一、途徑不一，但都必須注重直流快速開關、繼電保護、開關柜體的成套工作，對眾多業主來說，繼電保護完整、施工安裝簡單、使用安全可靠、運營維護方便的成套開關柜，是更具有吸引力的。鳴謝本文撰寫過程中，得到了北京市城建設計研究院副總工程師包國興教授級高工的大力指導，以及北京市地鐵總公司、中船總武漢712所、中國西電集團及其制造廠、上海立新電器廠、廣東順德特種變壓器廠、沈陽電纜廠、上海華明電力設備制造有限公司、貴州遵義長征電氣集團長征一廠、中國電工設備總公司等單位的熱情幫助。在此，一并表示由衷的感謝！