城市轨道交通工程供电系统设备国产化的分析与思考北京市城建设计研究院 于松伟(100037)序言 本文完成于1999年初，基于当时的设备状态，对城市轨道交通供电设备国产化进行了分析。从当时的情况来看，除直流快速开关外，其他设备基本上实现了国产化。当时发表本文的主要目的是加速和推动直流快速开关的国产化进程。文中曾断言：“直流快速开关肯定会实现国产化，这个民族工业的空白，一定会被有识之士填补，这一天不会太远！”。现在这一美好愿望，即将变成喜人现实。 在2001年4月和11月，上海新联直流电器有限公司(由原上海立新电器厂改制而成)通过两年多的发奋努力，相继研制成功了QDS8型直流快速开关(1250A/1500V)－相当于瑞士SECHERON公司的UR6，以及DS16 型直流快速开关(4000A/1500V)－相当于瑞士SECHERON公司的UR40。2002年3月，这两种开关已成功地完成了型式试验。而且，UR6型开关已应用于成都青城山磁悬浮列车地面供电系统。 另外，江苏长江电器集团，自1998年与瑞士SECHERON公司签订合作生产协议后，现在通过引进SECHERON公司的直流快速断路器等核心部件，已经形成在国内批量生产直流快速开关柜的能力，并且已经向长春轻轨工程、武汉轨道交通工程等供货。 总而言之，在本文发表后的两年多时间里，直流快速开关的国产化工作，又向前迈进了一大步。可以说，“直流快速开关”的国产化，已经露出了曙光。只要企业、业主、设计单位等共同努力，“直流快速开关”就会象早晨的太阳在东方蓬勃升起！现在，北京城建设计研究院，拟将此文收入“院论文集”，特做此序，以珍视历史，激发未来。本文作者：于松伟，2002年6月，北京。内容提要：本文从国家对城市轨道交通设备国产化的要求谈起，介绍了城市轨道交通工程供电系统设备的特点；分析了供电系统设备国产化现状，认为主变压器用有载调压开关可以采用国内产品，明确了直流系统所采用交流电力电缆的电压等级；着重对直流快速开关的国产化问题进行了思考：开发回顾、研制现状、应用前景、有关建议，目的在于倡导有识之企业，抓住机遇，加大投入，加速直流快速开关柜全面实现国产化。关键词：供电系统 设备 国产化分析 直流快速开关 国产化思考一、前言(兼谈国家对城市轨道交通设备国产化的要求)1、供电系统设备国产化的意义 城市轨道交通工程供电系统(以下简称供电系统)，是城市轨道交通机电设备中除车辆以外的最大辅助设备系统。供电系统设备国产化的实施，其工程意义不仅在于能有效降低供电设备自身投资，还有助于“确保全部轨道车辆和机电设备的平均国产化率不低于70％”总体目标的实现，加快城市轨道交通设备国产化进程，促进城市轨道交通业健康发展。同时，供电系统设备国产化还具有发展我国民族工业的长远历史意义。2、供电系统设备国产化的方式 国家鼓励采取自主开发、联合研制、消化吸收引进技术、系统集成等多种方式实施国产化。城市轨道交通设备国产化开发及产业化专项以国家批准的建设项目为依托，以承担重点领域设备国产化任务的企业为专项的主要实施单位，配合整个工程的进度开展工作。在具体实施中，要兼顾当前项目建设的需要和今后轨道交通设备的技术发展趋势。3、供电系统设备国产化的原则 以九十年代先进技术水平为目标，以我国现有的成熟机电设备为基础，采用我国机电工业已掌握的先进技术，先易后难，重点突破，稳步前进，逐步形成我国城市轨道交通供电系统的设备系列。二、城市轨道交通工程供电系统设备的特点1、供电系统概述 城市轨道交通工程供电系统，由以下几部分组成：主变电站(对于集中式供电)、牵引供电系统、动力照明系统、牵引网系统、电力监控(SCADA)系统。 我国牵引网系统，根据系统标称电压不同，又分为750V DC牵引网系统、1500V DC牵引网系统。2、供电系统设备组成2.1变压器类2.1.1主变压器 用于主变电站；常用的电压级有110/35kV，110/10kV，110/35/10kV，63/10kV等；容量在20～31.5MVA左右；带有有载调压开关。2.1.2牵引整流变压器 用于牵引变电所；常用电压等级有10/0.61kV、35/1.22kV；容量在2000～4400kVA左右；联结接型式有单机组12脉波(如Dy5/Dd0)、双机组等效24脉波(如：D(-7.5°)y11d0与D(+7.5°)y1d2)。2.1.3配电变压器 用于动力照明变电所；常用电压等级有10/0.4kV、35/0.4kV；单台容量一般在1600kVA以下。2.2牵引整流器 用于牵引变电所；硅二极管三相桥式整流；容量在1800～4000kW左右；空气自然冷却。2.3开关设备类2.3.1 110kV交流开关柜 用于主变电站；GIS开关柜。2.3.2 35kV交流开关柜 用于主变电站、牵引变电所、动力照明变电所等；35kV真空开关柜或35kVSF6开关柜；35kV充气式C－GIS开关柜正在研制。2.3.3 750V或1500V直流快速开关柜 额定电压750V DC或1500V DC；额定电流一般在6000A以下；额定断流容量一般不超过80kA；全分闸时间约为20～30ms。2.3.4 0.4kV交流开关柜 MNS型或GCK型或GCS型抽出式开关柜。2.4变电所控制保护设备 对于高中压交流开关柜、750V或1500V直流快速开关柜，多采用电子保护装置；对于低压交流开关柜多采用电磁保护装置。2.5变电所辅助电源装置 交流辅助电源装置，进线一般要求双路电源，且自投自复；直流辅助电源装置，一般设有交流进线开关、充电机及电压调整装置、电池组、直流馈出开关等；电池可选用镉镍电池或铅酸免维护电池，容量一般在100AH左右。2.6电缆电线类 110kV交联聚乙烯电力电缆 35kV交联聚乙烯电力电缆 10kV交联聚乙烯电力电缆 0.6/1kV交联聚乙烯电力电缆 500V控制电缆电线 750V或1500V直流电缆2.7接触轨或柔性架空接触网2.7.1接触轨 接触轨系统有上部接触型式、下部接触型式；接触轨系统包括接触轨、绝缘瓷瓶或绝缘支架、防护罩、底座基础、以及隧道开关柜、供电接线箱等。2.7.2柔性架空接触网 柔性架空接触网包括以下设备：(1)线材：接触线、承力索、馈线、架空地线(2)主要零部件：支柱、腕臂结构、吊弦、中心锚结、补偿器、软(硬)横跨、馈线肩架等(3)主要设备：隔离开关、分段绝缘器、绝缘子、避雷器等2.8电力监控系统 电力监控系统由电力监控中心、执行端(RTU)、通道构成。电力监控中心，一般采用局域网结构。如果电力设备与系统间以模拟信号通信，则执行端一般由继电器屏、变送器屏、RTU屏和UPS组成；如果电力设备与系统间以数字信号通信，则执行端可简化为RTU屏和UPS；执行端也可以利用变电所自动化系统。 电力监控系统一般自成系统；根据工程特点，也可以与车站设备监控系统(BAS)、防灾报警系统(FAS)组成综合监控系统。三、供电系统设备国产化分析1、实现国产化的设备 从我国机电设备现有的技术水平、制造工艺、产品质量、运行经验来看，下述设备完全可以实现国产化：l 主变压器l 牵引整流变压器l 配电变压器l 牵引整流器l 110kV交流开关柜l 35kV交流开关柜(真空或SF6开关)l 10kV交流开关柜(真空或SF6开关)l 0.4kV交流开关柜l 变电所控制保护设备l 变电所辅助电源装置l 110kV交联聚乙烯电力电缆l 35kV交联聚乙烯电力电缆l 10kV交联聚乙烯电力电缆l 0.6/1kV交联聚乙烯电力电缆l 500V控制电缆电线l 接触轨系统l 电力监控系统2、柔性架空接触网(1)线材 银铜接触线：国内试制成功 承力索、馈线、架空地线：成熟产品(2)主要零部件 腕臂结构：改进中 吊弦：改进中 中心锚结：改进中 补偿器：试制成功(3)主要设备 手动隔离开关：国内试制成功 电动隔离开关：国内试制，建议从国外引进 分段绝缘器：建议近期从国外引进，远期国内开发试制 绝缘子、避雷器：国内试制3、750V或1500V直流电缆 交流电力电缆可以应用于直流系统。根据SIEMENS电力电缆及其应用手册，在具有最大运行电压高达Ubmax＝1.8kV的直流系统中，VDE标准允许使用额定相电压U0＝0.6kV交流电力电缆。另外，从IEC502有关电压试验的规定来看，当使用直流电压试验时，所加的电压应为工频试验电压的2.4倍。据此，标称电压为750V及1500V的直流系统中的电缆，均可以采用0.6/1kV的交流电力电缆。伊朗德黑兰地铁工程1＃、2＃线，直流系统的标称电压为750V，其中直流系统电缆采用的是沈阳电缆厂生产的0.6/1kV的交流电力电缆。4、主变压器的有载调压开关 当今国内市场对有载调压开关的需求，从资金角度来说，约有一半资金购买国外产品，一半资金购买国内产品；由于国外产品价格约是国内产品的4倍左右，因而从产品数量来说，国内产品的市场占有率约为80％左右。可以说，国产的有载调压开关已经成熟；贵州遵义长征电气集团长征开关一厂、上海华明电力设备制造有限公司等企业，都有良好的用户使用业绩；而且，贵州遵义长征电气集团长征开关一厂还拥有德国MI公司的生产许可证。因此，建议城市轨道交通工程供电系统，主变压器所用的有载调压开关可以采用国内产品。四、750V或1500V直流快速开关柜的国产化思考1、直流快速开关开发回顾 60年代，北京地铁一期工程上马时，采用了上海整流器厂仿苏的DS1型直流快速开关。 70年代，上海立新电器厂为地铁开发研制了DS9、DS10型直流快速开关，但遗憾的是因种种原因DS9、DS10型开关没有发展完善起来。后来，西安电器设备制造厂推出了DS11、DS14等直流开关。 1991年西安电器设备制造厂，筹划联合北京地铁公司、北京市城建设计研究院等单位，准备以北京地铁为依托，进一步研制用于地铁的DS系列直流快速开关，但因研制经费没有得到落实，进一步研制工作搁浅。 1995年上海立新电器厂与瑞士赛雪龙(SECHERON)合资，成立了上海SECHERON公司，原计划利用SECHERON的技术，发展我国的地铁直流快速开关事业，但因故上海SECHERON的产品也未能推向国内地铁市场。 1989年，中船总武汉712所与北京地铁公司联合，以西门子SIEMENS的3WV直流快速开关为基础，开始了直流快速开关的研制工作。1992年10月，推出了样机。1993年3月，在北京地铁一号线进行了与国外开关的对比试验。1994年试制了几台直流开关，挂在北京地铁车辆段进行运行考核。1996年工厂对上述开关改进后，又推出了8台开关，替换了1994年的样机，继续挂网运行考核。2、直流快速开关研制现状 近几年，我国城市轨道交通工程发展迅猛，许多企业把城市轨道交通领域，作为企业效益一个新的增长点，纷纷投入到地铁与轻轨设备的开发研制中来。最明显的是牵引整流变压器的开发、研制、投产。从95年至今，短短的4年中，先后有4家企业研制出干式牵引变压器样机；其中最突出的是广东顺德特种变压器厂：先后研制开发出20/0.592kV单机组12脉波整流变压器、多规格35/1.2kV双机组等效24脉波整流变压器，且该厂为伊朗德黑兰地铁提供的72台20/0.592kV单机组12脉波整流变压器，其中28台已运抵现场；2500kVA的35/1.2kV双机组等效24脉波整流变压器在广州一号线挂网考核运行良好。 直流快速开关的国产化步伐，虽然不如干式牵引整流变压器，但目前也有了长足发展。 中船总武汉712所，在直流快速开关得到基本运行考核的前提下，已经完成了开关柜的成套工作(但不包括完整的保护装置)，计划99年10月通车的北京地铁复八线工程，有两个站将采用该企业的20面直流开关柜。 西安电力整流器厂，现以深圳地铁工程为依托，计划与FKI公司合作，通过组装、技术引进、消化吸收等形式，逐步实现直流快速开关国产化。 西安电器设备制造厂，现利用自身的技术优势以及积累的经验，正在加速DS18地铁直流快速开关的试制工作。 上海立新电器厂，也正在利用最新掌握的新技术，组织力量，准备以瑞士SECHERON的UR40为基础，开发研制新型直流快速开关。3、直流快速开关应用前景 前不久，在北京召开的一次关于国际城市轨道交通的会议上透露，我国将有北京、天津、上海、广州、深圳、南京、沈阳、长春、哈尔滨、重庆、武汉、杭州、合肥等15个城市计划发展城市轨道交通。如果一条地铁或轻轨线路按平均需要80面直流开关柜计，假定未来10年修建10条线路，那么市场需求为800面，总投资估计在1.0～1.6亿元人民币。同时，已经运行线路的备品备件也有一定的需求量。 除此之外，企业还可以靠“直流快速开关”这张王牌，增加广告效应，强化成套优势，将相关产品作为一个整体打入地铁与轻轨领域。4、关于直流快速开关的建议4.1 至今未实现国产化的原因分析 正如前面介绍的那样，虽然不少厂家及单位做过许多有价值的开发、研制、试制工作，甚至推出了直流开关柜，但直流快速开关(柜)至今未能实现全面国产化，不同厂家的原因也许不尽相同，但归纳起来主要有以下原因：l 产品应用领域单一，前一阶段地铁轻轨没有发展起来，市场需求量较小。l 产品开发、研制、试验费用较高。l 因地铁轻轨运行对安全可靠性要求较高，产品样机“挂网”运行考核的试验条件受一定限制。l 以往有关方面对地铁与轻轨的设备国产化认识不足。4.2直流快速开关国产化的必然性 我国城市轨道交通工程如雨后春笋，方兴未艾，对直流快速开关的市场需求量急剧增加； 计划经济转向市场经济后，竞争机制为有远见的企业提供了敢于投入资金、开发新产品的条件； 越来越多的地铁轻轨线路将投入建设运营，直流快速开关的试验考核场所变得越来越多。 上至政府部门下到城市地方、以及业内各方面人士，对地铁轻轨设备国产化的必要性与重要性认识，空前提高。 从设备本身发展的必然趋势来说，直流快速开关肯定会实现国产化，这个民族工业的空白，一定会被有识之士填补，这一天不会太远！4.3加快直流快速开关(柜)国产化的建议 加快直流快速开关(柜)国产化的途径有两条：其一，国内企业通过产品组装、技术引进、消化吸收，逐步形成国产化。其二，在直流快速开关研制工作中有技术储备的企业，与经济实力雄厚、敢于投入的业内企业联合，充分发挥双方的“技术”与“资金”优势，早日推出完整的产品，形成设备成套能力，增加市场竞争力。 不管是那一条途径，都离不开政府、业主、企业、设计等相关单位的紧密协作与鼎力支持。 尽管前述几个企业对直流快速开关(柜)开发研制工作的程度不一、途径不一，但都必须注重直流快速开关、继电保护、开关柜体的成套工作，对众多业主来说，继电保护完整、施工安装简单、使用安全可靠、运营维护方便的成套开关柜，是更具有吸引力的。鸣谢本文撰写过程中，得到了北京市城建设计研究院副总工程师包国兴教授级高工的大力指导，以及北京市地铁总公司、中船总武汉712所、中国西电集团及其制造厂、上海立新电器厂、广东顺德特种变压器厂、沈阳电缆厂、上海华明电力设备制造有限公司、贵州遵义长征电气集团长征一厂、中国电工设备总公司等单位的热情帮助。在此，一并表示由衷的感谢！
