城市軌道交通工程供電系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化的分析與思考北京市城建設(shè)計研究院 于松偉(100037)序言 本文完成于1999年初，基于當(dāng)時的設(shè)備狀態(tài)，對城市軌道交通供電設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)行了分析。從當(dāng)時的情況來看，除直流快速開關(guān)外，其他設(shè)備基本上實現(xiàn)了國產(chǎn)化。當(dāng)時發(fā)表本文的主要目的是加速和推動直流快速開關(guān)的國產(chǎn)化進(jìn)程。文中曾斷言：“直流快速開關(guān)肯定會實現(xiàn)國產(chǎn)化，這個民族工業(yè)的空白，一定會被有識之士填補，這一天不會太遠(yuǎn)！”?，F(xiàn)在這一美好愿望，即將變成喜人現(xiàn)實。 在2001年4月和11月，上海新聯(lián)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(fā)奮努力，相繼研制成功了QDS8型直流快速開關(guān)(1250A/1500V)－相當(dāng)于瑞士SECHERON公司的UR6，以及DS16 型直流快速開關(guān)(4000A/1500V)－相當(dāng)于瑞士SECHERON公司的UR40。2002年3月，這兩種開關(guān)已成功地完成了型式試驗。而且，UR6型開關(guān)已應(yīng)用于成都青城山磁懸浮列車地面供電系統(tǒng)。 另外，江蘇長江電器集團(tuán)，自1998年與瑞士SECHERON公司簽訂合作生產(chǎn)協(xié)議后，現(xiàn)在通過引進(jìn)SECHERON公司的直流快速斷路器等核心部件，已經(jīng)形成在國內(nèi)批量生產(chǎn)直流快速開關(guān)柜的能力，并且已經(jīng)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(fā)表后的兩年多時間里，直流快速開關(guān)的國產(chǎn)化工作，又向前邁進(jìn)了一大步?？梢哉f，“直流快速開關(guān)”的國產(chǎn)化，已經(jīng)露出了曙光。只要企業(yè)、業(yè)主、設(shè)計單位等共同努力，“直流快速開關(guān)”就會象早晨的太陽在東方蓬勃升起！現(xiàn)在，北京城建設(shè)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(fā)未來。本文作者：于松偉，2002年6月，北京。內(nèi)容提要：本文從國家對城市軌道交通設(shè)備國產(chǎn)化的要求談起，介紹了城市軌道交通工程供電系統(tǒng)設(shè)備的特點；分析了供電系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化現(xiàn)狀，認(rèn)為主變壓器用有載調(diào)壓開關(guān)可以采用國內(nèi)產(chǎn)品，明確了直流系統(tǒng)所采用交流電力電纜的電壓等級；著重對直流快速開關(guān)的國產(chǎn)化問題進(jìn)行了思考：開發(fā)回顧、研制現(xiàn)狀、應(yīng)用前景、有關(guān)建議，目的在于倡導(dǎo)有識之企業(yè)，抓住機遇，加大投入，加速直流快速開關(guān)柜全面實現(xiàn)國產(chǎn)化。關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng) 設(shè)備 國產(chǎn)化分析 直流快速開關(guān) 國產(chǎn)化思考一、前言(兼談國家對城市軌道交通設(shè)備國產(chǎn)化的要求)1、供電系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化的意義 城市軌道交通工程供電系統(tǒng)(以下簡稱供電系統(tǒng))，是城市軌道交通機電設(shè)備中除車輛以外的最大輔助設(shè)備系統(tǒng)。供電系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化的實施，其工程意義不僅在于能有效降低供電設(shè)備自身投資，還有助于“確保全部軌道車輛和機電設(shè)備的平均國產(chǎn)化率不低于70％”總體目標(biāo)的實現(xiàn)，加快城市軌道交通設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程，促進(jìn)城市軌道交通業(yè)健康發(fā)展。同時，供電系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化還具有發(fā)展我國民族工業(yè)的長遠(yuǎn)歷史意義。2、供電系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化的方式 國家鼓勵采取自主開發(fā)、聯(lián)合研制、消化吸收引進(jìn)技術(shù)、系統(tǒng)集成等多種方式實施國產(chǎn)化。城市軌道交通設(shè)備國產(chǎn)化開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項以國家批準(zhǔn)的建設(shè)項目為依托，以承擔(dān)重點領(lǐng)域設(shè)備國產(chǎn)化任務(wù)的企業(yè)為專項的主要實施單位，配合整個工程的進(jìn)度開展工作。在具體實施中，要兼顧當(dāng)前項目建設(shè)的需要和今后軌道交通設(shè)備的技術(shù)發(fā)展趨勢。3、供電系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化的原則 以九十年代先進(jìn)技術(shù)水平為目標(biāo)，以我國現(xiàn)有的成熟機電設(shè)備為基礎(chǔ)，采用我國機電工業(yè)已掌握的先進(jìn)技術(shù)，先易后難，重點突破，穩(wěn)步前進(jìn)，逐步形成我國城市軌道交通供電系統(tǒng)的設(shè)備系列。二、城市軌道交通工程供電系統(tǒng)設(shè)備的特點1、供電系統(tǒng)概述 城市軌道交通工程供電系統(tǒng)，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(tǒng)、動力照明系統(tǒng)、牽引網(wǎng)系統(tǒng)、電力監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)。 我國牽引網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓不同，又分為750V DC牽引網(wǎng)系統(tǒng)、1500V DC牽引網(wǎng)系統(tǒng)。2、供電系統(tǒng)設(shè)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(diào)壓開關(guān)。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(lián)結(jié)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(guān)設(shè)備類2.3.1 110kV交流開關(guān)柜 用于主變電站；GIS開關(guān)柜。2.3.2 35kV交流開關(guān)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(guān)柜或35kVSF6開關(guān)柜；35kV充氣式C－GIS開關(guān)柜正在研制。2.3.3 750V或1500V直流快速開關(guān)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(guān)柜 MNS型或GCK型或GCS型抽出式開關(guān)柜。2.4變電所控制保護(hù)設(shè)備 對于高中壓交流開關(guān)柜、750V或1500V直流快速開關(guān)柜，多采用電子保護(hù)裝置；對于低壓交流開關(guān)柜多采用電磁保護(hù)裝置。2.5變電所輔助電源裝置 交流輔助電源裝置，進(jìn)線一般要求雙路電源，且自投自復(fù)；直流輔助電源裝置，一般設(shè)有交流進(jìn)線開關(guān)、充電機及電壓調(diào)整裝置、電池組、直流饋出開關(guān)等；電池可選用鎘鎳電池或鉛酸免維護(hù)電池，容量一般在100AH左右。2.6電纜電線類 110kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜 35kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜 10kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜 0.6/1kV交聯(lián)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(wǎng)2.7.1接觸軌 接觸軌系統(tǒng)有上部接觸型式、下部接觸型式；接觸軌系統(tǒng)包括接觸軌、絕緣瓷瓶或絕緣支架、防護(hù)罩、底座基礎(chǔ)、以及隧道開關(guān)柜、供電接線箱等。2.7.2柔性架空接觸網(wǎng) 柔性架空接觸網(wǎng)包括以下設(shè)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(jié)構(gòu)、吊弦、中心錨結(jié)、補償器、軟(硬)橫跨、饋線肩架等(3)主要設(shè)備：隔離開關(guān)、分段絕緣器、絕緣子、避雷器等2.8電力監(jiān)控系統(tǒng) 電力監(jiān)控系統(tǒng)由電力監(jiān)控中心、執(zhí)行端(RTU)、通道構(gòu)成。電力監(jiān)控中心，一般采用局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。如果電力設(shè)備與系統(tǒng)間以模擬信號通信，則執(zhí)行端一般由繼電器屏、變送器屏、RTU屏和UPS組成；如果電力設(shè)備與系統(tǒng)間以數(shù)字信號通信，則執(zhí)行端可簡化為RTU屏和UPS；執(zhí)行端也可以利用變電所自動化系統(tǒng)。 電力監(jiān)控系統(tǒng)一般自成系統(tǒng)；根據(jù)工程特點，也可以與車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、防災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)組成綜合監(jiān)控系統(tǒng)。三、供電系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化分析1、實現(xiàn)國產(chǎn)化的設(shè)備 從我國機電設(shè)備現(xiàn)有的技術(shù)水平、制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、運行經(jīng)驗來看，下述設(shè)備完全可以實現(xiàn)國產(chǎn)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(guān)柜l 35kV交流開關(guān)柜(真空或SF6開關(guān))l 10kV交流開關(guān)柜(真空或SF6開關(guān))l 0.4kV交流開關(guān)柜l 變電所控制保護(hù)設(shè)備l 變電所輔助電源裝置l 110kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜l 35kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜l 10kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜l 0.6/1kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜l 500V控制電纜電線l 接觸軌系統(tǒng)l 電力監(jiān)控系統(tǒng)2、柔性架空接觸網(wǎng)(1)線材 銀銅接觸線：國內(nèi)試制成功 承力索、饋線、架空地線：成熟產(chǎn)品(2)主要零部件 腕臂結(jié)構(gòu)：改進(jìn)中 吊弦：改進(jìn)中 中心錨結(jié)：改進(jìn)中 補償器：試制成功(3)主要設(shè)備 手動隔離開關(guān)：國內(nèi)試制成功 電動隔離開關(guān)：國內(nèi)試制，建議從國外引進(jìn) 分段絕緣器：建議近期從國外引進(jìn)，遠(yuǎn)期國內(nèi)開發(fā)試制 絕緣子、避雷器：國內(nèi)試制3、750V或1500V直流電纜 交流電力電纜可以應(yīng)用于直流系統(tǒng)。根據(jù)SIEMENS電力電纜及其應(yīng)用手冊，在具有最大運行電壓高達(dá)Ubmax＝1.8kV的直流系統(tǒng)中，VDE標(biāo)準(zhǔn)允許使用額定相電壓U0＝0.6kV交流電力電纜。另外，從IEC502有關(guān)電壓試驗的規(guī)定來看，當(dāng)使用直流電壓試驗時，所加的電壓應(yīng)為工頻試驗電壓的2.4倍。據(jù)此，標(biāo)稱電壓為750V及1500V的直流系統(tǒng)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(tǒng)的標(biāo)稱電壓為750V，其中直流系統(tǒng)電纜采用的是沈陽電纜廠生產(chǎn)的0.6/1kV的交流電力電纜。4、主變壓器的有載調(diào)壓開關(guān) 當(dāng)今國內(nèi)市場對有載調(diào)壓開關(guān)的需求，從資金角度來說，約有一半資金購買國外產(chǎn)品，一半資金購買國內(nèi)產(chǎn)品；由于國外產(chǎn)品價格約是國內(nèi)產(chǎn)品的4倍左右，因而從產(chǎn)品數(shù)量來說，國內(nèi)產(chǎn)品的市場占有率約為80％左右?？梢哉f，國產(chǎn)的有載調(diào)壓開關(guān)已經(jīng)成熟；貴州遵義長征電氣集團(tuán)長征開關(guān)一廠、上海華明電力設(shè)備制造有限公司等企業(yè)，都有良好的用戶使用業(yè)績；而且，貴州遵義長征電氣集團(tuán)長征開關(guān)一廠還擁有德國MI公司的生產(chǎn)許可證。因此，建議城市軌道交通工程供電系統(tǒng)，主變壓器所用的有載調(diào)壓開關(guān)可以采用國內(nèi)產(chǎn)品。四、750V或1500V直流快速開關(guān)柜的國產(chǎn)化思考1、直流快速開關(guān)開發(fā)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(guān)。 70年代，上海立新電器廠為地鐵開發(fā)研制了DS9、DS10型直流快速開關(guān)，但遺憾的是因種種原因DS9、DS10型開關(guān)沒有發(fā)展完善起來。后來，西安電器設(shè)備制造廠推出了DS11、DS14等直流開關(guān)。 1991年西安電器設(shè)備制造廠，籌劃聯(lián)合北京地鐵公司、北京市城建設(shè)計研究院等單位，準(zhǔn)備以北京地鐵為依托，進(jìn)一步研制用于地鐵的DS系列直流快速開關(guān)，但因研制經(jīng)費沒有得到落實，進(jìn)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(shù)，發(fā)展我國的地鐵直流快速開關(guān)事業(yè)，但因故上海SECHERON的產(chǎn)品也未能推向國內(nèi)地鐵市場。 1989年，中船總武漢712所與北京地鐵公司聯(lián)合，以西門子SIEMENS的3WV直流快速開關(guān)為基礎(chǔ)，開始了直流快速開關(guān)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(jìn)行了與國外開關(guān)的對比試驗。1994年試制了幾臺直流開關(guān)，掛在北京地鐵車輛段進(jìn)行運行考核。1996年工廠對上述開關(guān)改進(jìn)后，又推出了8臺開關(guān)，替換了1994年的樣機，繼續(xù)掛網(wǎng)運行考核。2、直流快速開關(guān)研制現(xiàn)狀 近幾年，我國城市軌道交通工程發(fā)展迅猛，許多企業(yè)把城市軌道交通領(lǐng)域，作為企業(yè)效益一個新的增長點，紛紛投入到地鐵與輕軌設(shè)備的開發(fā)研制中來。最明顯的是牽引整流變壓器的開發(fā)、研制、投產(chǎn)。從95年至今，短短的4年中，先后有4家企業(yè)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(fā)出20/0.592kV單機組12脈波整流變壓器、多規(guī)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(xiàn)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(wǎng)考核運行良好。 直流快速開關(guān)的國產(chǎn)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(fā)展。 中船總武漢712所，在直流快速開關(guān)得到基本運行考核的前提下，已經(jīng)完成了開關(guān)柜的成套工作(但不包括完整的保護(hù)裝置)，計劃99年10月通車的北京地鐵復(fù)八線工程，有兩個站將采用該企業(yè)的20面直流開關(guān)柜。 西安電力整流器廠，現(xiàn)以深圳地鐵工程為依托，計劃與FKI公司合作，通過組裝、技術(shù)引進(jìn)、消化吸收等形式，逐步實現(xiàn)直流快速開關(guān)國產(chǎn)化。 西安電器設(shè)備制造廠，現(xiàn)利用自身的技術(shù)優(yōu)勢以及積累的經(jīng)驗，正在加速DS18地鐵直流快速開關(guān)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(shù)，組織力量，準(zhǔn)備以瑞士SECHERON的UR40為基礎(chǔ)，開發(fā)研制新型直流快速開關(guān)。3、直流快速開關(guān)應(yīng)用前景 前不久，在北京召開的一次關(guān)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(fā)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(guān)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(jīng)運行線路的備品備件也有一定的需求量。 除此之外，企業(yè)還可以靠“直流快速開關(guān)”這張王牌，增加廣告效應(yīng)，強化成套優(yōu)勢，將相關(guān)產(chǎn)品作為一個整體打入地鐵與輕軌領(lǐng)域。4、關(guān)于直流快速開關(guān)的建議4.1 至今未實現(xiàn)國產(chǎn)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(fā)、研制、試制工作，甚至推出了直流開關(guān)柜，但直流快速開關(guān)(柜)至今未能實現(xiàn)全面國產(chǎn)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(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域單一，前一階段地鐵輕軌沒有發(fā)展起來，市場需求量較小。l 產(chǎn)品開發(fā)、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(chǎn)品樣機“掛網(wǎng)”運行考核的試驗條件受一定限制。l 以往有關(guān)方面對地鐵與輕軌的設(shè)備國產(chǎn)化認(rèn)識不足。4.2直流快速開關(guān)國產(chǎn)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(guān)的市場需求量急劇增加； 計劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向市場經(jīng)濟(jì)后，競爭機制為有遠(yuǎn)見的企業(yè)提供了敢于投入資金、開發(fā)新產(chǎn)品的條件； 越來越多的地鐵輕軌線路將投入建設(shè)運營，直流快速開關(guān)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(yè)內(nèi)各方面人士，對地鐵輕軌設(shè)備國產(chǎn)化的必要性與重要性認(rèn)識，空前提高。 從設(shè)備本身發(fā)展的必然趨勢來說，直流快速開關(guān)肯定會實現(xiàn)國產(chǎn)化，這個民族工業(yè)的空白，一定會被有識之士填補，這一天不會太遠(yuǎn)！4.3加快直流快速開關(guān)(柜)國產(chǎn)化的建議 加快直流快速開關(guān)(柜)國產(chǎn)化的途徑有兩條：其一，國內(nèi)企業(yè)通過產(chǎn)品組裝、技術(shù)引進(jìn)、消化吸收，逐步形成國產(chǎn)化。其二，在直流快速開關(guān)研制工作中有技術(shù)儲備的企業(yè)，與經(jīng)濟(jì)實力雄厚、敢于投入的業(yè)內(nèi)企業(yè)聯(lián)合，充分發(fā)揮雙方的“技術(shù)”與“資金”優(yōu)勢，早日推出完整的產(chǎn)品，形成設(shè)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(yè)主、企業(yè)、設(shè)計等相關(guān)單位的緊密協(xié)作與鼎力支持。 盡管前述幾個企業(yè)對直流快速開關(guān)(柜)開發(fā)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(guān)、繼電保護(hù)、開關(guān)柜體的成套工作，對眾多業(yè)主來說，繼電保護(hù)完整、施工安裝簡單、使用安全可靠、運營維護(hù)方便的成套開關(guān)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(shè)計研究院副總工程師包國興教授級高工的大力指導(dǎo)，以及北京市地鐵總公司、中船總武漢712所、中國西電集團(tuán)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(shè)備制造有限公司、貴州遵義長征電氣集團(tuán)長征一廠、中國電工設(shè)備總公司等單位的熱情幫助。在此，一并表示由衷的感謝！