摘要：清洁能源移动发电越来越多的取代传统火力发电，GE公司TM2500移动发电解决方案采用车载系统，燃气机、发电机、燃料等安装在4辆拖车上，而发电机出口断路器开关柜安装在发电机拖车的尾部，开关柜系统需要体积小、重量轻，满足发电机出口保护及中性点高阻接地的要求，适应户外应用环境下的高、低温，防护等级等要求，承受车载的运输、振动的要求，方便现场快速连接的要求。本文对上述要求的设计解决方案进行介绍。

1     引言

为实现2030年碳达峰、2060年碳中和的目标，传统火力发电将逐步被再生能源、清洁能源发电所取代，燃气发电具有环保、清洁、高效的特点，特别是移动燃气发电，更加具有灵活、快速响应的特点。TM2500移动发电解决方案是通用电气公司GE提供的快速、可移动、灵活性的电源装置，随时、随地按需供电；22.8MW 移动燃气汽轮发电系统，称为移动发电站并没不能展现出它的本质：它实际上更像是一台“集装箱式”的GE CF6喷气式发动机，如同一架搭载了四台CF6发动机的波音747，起飞时动力十足，可迅速达到最大输出功率，迅速满足电网的电力需求；当然，也好比喷气飞机落地的一刻，TM2500同样能快速断电。

TM2500移动发电系统采用紧凑、模块化的设计，可被拆解，几辆拖车或者一架货机就可以轻松被运走。系统由4台拖车组成，发电机出口开关柜和燃气轮机、发电机安装在同一拖车上，开关柜安装在拖车的尾部，发电机产生的电能通过开关柜连接到电力用户。

图1 GE TM2500移动燃气发电系统
在紧急情况下，运输和现场安装调试的时间非常有限，TM2500能为需要电力的地方迅速提供服务，及时响应需求。建设和调试时间只需数日，而在2020年2月，匈牙利布达佩斯郊区Veresegház的一个团队在48小时内拆解、移动重新组装并调试了一座能够为欧洲9000户家庭供电的发电站。

2       TM2500车载开关柜的要求

2.1     由于应用于发电机出口，直接与发电机相连，首先需要满足系统要求，即选用50kA发电机出口断路器作为主开关，断路器技术参数如表1所示：

表1  发电机出口断路器技术参数

电气参数	单位	值
额定短路开断电流	kA	50
额定电压	Kv	15
额定电流	A	3150
频率	Hz	50/60
额定工频耐受电压(1 分钟)	kV	38
额定雷电冲击耐受电压( 峰值)	kVp	95
操作顺序		CO – 30min - CO
故障位置		系统源短路	发电机源短路
短路电流	kA	50	25
短路关合电流（峰值）	kAp	137	54
开断时间	ms	50
最小分闸时间	ms	24.3
直流分量	%	75	130
非对称分断能力	kAp	73	36.5
关合和闭锁能力	kAp	110
短时电流	kA	50	N/A
短时电流耐受时间	s	3	N/A
额定瞬态恢复电压	kV/μs	3.5	3.5
瞬态恢复电压峰值	kV	27	27
失步开断
电压	kV	21.2	N/A
开断电流kA	kA	25	N/A
最大关合电流	kAp	40	N/A
额定瞬态恢复电压	kV/μs	3.3	N/A
瞬态恢复电压峰值	kV	39	N/A
机械寿命次		10000
噪声水平	db	<140

 

2.2     满足发电机出口的控制保护要求，即开关柜两侧配备电压互感器、电流互感器配备、以及过电压保护用的阻容吸收器和避雷器等；

2.3     发电机中性点保护电流互感器和中性点接地变压器；

2.4     由于安装在拖车上，因此需要尺寸小，重量轻；

2.5      环境要求，户外安装，需要满足NEMA 3R (IP44)要求；户外使用，所有与外部连接的地方密封，表面处理满足ISO12944C5 I/M, 15年使用寿命要求；高低温要求-39 ^O C到55 ^O C；车载运输，满足运输振动要求；

2.6      快速反应，需要快速插拔，一次电缆和二次控制系统；

2.7      标准化设计，产品的接口完全一致，如控制线路的接口，一次电缆的接口等都一致，以便客户连接；

2.8      全球应用，50/60Hz，转换开关旋择，配备具有关合能力的接地开关，产品及配套元器件需要满足IEEE/IEC/GB标准，低压连接箱CE认证。

 

3     具体实施

3.1一次方案

TM2500移动发电系统开关柜部分由6台柜子和一段母线桥组成，发电机的前后两侧分别是B03线路侧连接边柜和N01中心点侧边柜，线路侧边柜连接母线桥B02，至开关柜转接柜B01与发电机开关柜主母线相连;断路器柜由断路器柜A01和辅助柜A02组成，断路器出线侧有专门为用户连接电缆的C01电缆连接柜。一次系统如图2所示。

图2  移动发电方案开关柜一次系统

元件代号说明：

l   MSC阻容吸收器、MLA 避雷器、BKR发电机断路器、ERSS接地开关

l   TG中性点接地变压器、RG接地电阻

l   M1CT 进线侧电流互感器、M2CT出线侧电流互感器、CCCT/CT5~7中性点电流互感器

l   VT1~3 发电机侧电压互感器、VT4~6 出线侧电压互感器

发电机侧配有电压互感器、电流互感器、电容吸收器、避雷器、带电显示器及接地开关；断路器线路侧配有电流互感器、电压互感器、带电显示器；发电机中性点侧经电流互感器到接地变压器，接地电阻器实现高阻接地。

开关柜系统额定电流需要满足-39 ^O C到50 ^O C时2500A 60Hz,环境温度大于50 ^O C时降容至2200A;短时耐受电流50kA 3s，峰值耐受电流137kA。

3.2     设计方案

开关柜采用中置式断路器结构，上部母线室后部安装阻容吸收器和避雷器，下部电压互感器手车；辅助柜电压互感器手车型式，后部是接地开关，辅助柜的下部安装有接地变和接地电阻，通过高压电缆与发电机中性点侧边柜短接点连接。

辅助柜接地开关与发电机出口断路器机械钥匙联锁，保证断路器合闸时，接地开关不能操作合闸，同时也设计有挂锁机构，保证断路器不能摇进工作位置。

图3 发电机断路器柜和辅助柜布置图

 

图4  发电机断路器柜和辅助柜

由于要求满足IP44户外使用要求，母线桥是完全密封结构，2500A 温升十分困难，为减少涡流影响，母线桥采用不锈钢板焊接。

50&60Hz应用，断路器和开关柜均通过KEMA50&60Hz试验，完全适用。由于发电机在50Hz和60Hz下发出电压不同，因此电压互感器需要不同电压抽头的结构， 60Hz下发电机输出电压13.2kV，50Hz 下输出电压是11kV，采用转换开关型式，以保证可以正确输出电压。

3.3     减轻重量的设计

车载系统对重量的要求比较高，由于开关柜和发电机组在同一个拖车上，而发电机的重量很大，这就要求开关柜系统的重量小于3吨，由一次系统图中可以看出开关柜系统由6台开关柜和1段母线桥组成，元器件很多，多组电流互感器、电压互感器等元件，还有接地变等重量大的元件，2500A@50 ^O C的额定电流，双拼120x10铜排，重量很大；因此开关柜的重量需要斤斤计较以满足应用要求。

3.3.1    开关柜部分由两台开关柜拼接组成，为实现尺寸、重量要求，开关柜宽度按从2米减为1.8米，将电压互感器品字形布置，以便缩小手车宽度，使辅助柜的柜宽降低至0.8米，元器件布置紧凑；

3.3.2    传统的户外开关柜是将室内开关柜放置在户外箱内部，尺寸和重量都很大，采用开关柜贴板加框架型式的一体式防水户外箱，无需单独的立柱、底座，完全靠开关柜本体自立式结构支撑，柜前、后安装门板固定框架与柜体体相连，顶部防水盖板也与开关柜柜顶部直接连接；重量减少20%；

3.3.3    发电机中性点侧边柜每相需要4个2500/5的二次绕组电流互感器，采用环氧浇铸块状型式电流互感器LZZBJ9-17.5185b每相需要两个，共计6个环氧浇注型互感器，重量达240kg,而采用4个穿心式低压互感器则尺寸、重量仅为156kg.重量减轻35%，同时采用圆管型铜母线，即解决了低压电流互感器的绝缘问题，同时由于管形母线载流量大，重量也减轻了10%；

图5 中心点边柜电流互感器

3.3.4    发电机断路器两侧的电流互感器M1CT、M2CT也采用低压穿心式电流互感器，重量减轻了150kg。

3.3.5  发电 机中性点铜排经穿心电流互感器后短接，电缆连接到辅助柜内部的中性点变压器，变压器二次端连接到中性点电阻，采用一般的接地变压器，尺寸和重量都很大，根据中性点变压器只要求短时过载，因此采用小型美标电源互感器，重量轻。

  

3.4      环境适应性设计

3.4.1    运输振动的设计

开关柜系统需要安装在拖车上运输，开关柜通过国际建筑标准IBC抗震试验2.42g加速度试验，但安装在拖车上，考虑与发电机固定连接，设计了设计弹簧阻尼装置以减轻运输过程中振动对开关柜的破坏。

图6 开关柜结构抗震分析

3.4.2    表面处理

按照使用要求，表面处理需要满足ISO 12944C5 I/M, 15年使用寿命要求，因此采用PPG优质油漆，酸洗、磷化处理后，底漆厚度达100μm，表面喷漆160μm，经过盐雾试验证明可以满足ISO 12944C5 I/M要求。

3.4.3    快速连接及密封的设计

TM2500开关柜有一次电缆连接箱C01，每相可安装4根500平方电缆，电缆密封采用ROXTEC密封件保证完全密封，杜绝潮湿气体及小动物等进入；

低压侧则所有外部连接线连接到专用快速插拔箱内，按电流、电压等功能集中到快速插拔座内，现场只需将插拔头插入即实现连接。

 

     图 7  高压电缆接线箱         图8低压快速连接插拔端子

4    试验验证

TM2500发电机出口开关柜系统经过了严格的试验。

l   发电机出口断路器在荷兰KEMA通过了按照IEC/IEEE 62271-37-013标准的发电机出口断路器的型式试验，50kA开关柜通过了IEC62271-200的开关柜型式试验，开关柜还通过国际建筑标准IBC抗震试验；

l   温升试验，对包括发电机边柜、母线桥到电缆连接端子全回路进行温升试验，由于要求2500A@50 ^O C温度，因此试验电流2500A 60Hz温升至少有10K的裕度；

图9 开关柜系统温升试验

l   绝缘试验，同样对全系统进行了工频耐受电压38kV1分钟和95kV雷电冲击电压的耐压试验；

l   NEMA 3R 防水试验， 对开关柜进行了NEMA 3R相当于GB/T4208 IP44的防护等级包括防水的试验

l   由于TM2500应用于世界各地，因此低压接线箱通过了CE试验获得CE认证；

l   样机也发到匈牙利进行了整体联调、联试，顺利通过所有试验。

图10   发电机断路器系统联调试验

 

5          结语

燃气发电，清洁、高效，而车载移动发电更加灵活、迅速。发电机出口开关柜应用于车载移动燃气发电机系统，需要有针对性的设计、定制化设计，专业设计满足客户特殊需求，特别是重量，发电机保护需要一次元器件很多，电流、电压互感器以及中性点保护、接地系统，合理选择元器件，既满足功能要求，又要重量轻、尺寸小，安装维护方便；而开关柜系统满足环境要求，以及快速插拔、标准化配置也很重要。TM2500开关柜系统由印度生产、采用EATON发电机出口断路器售价为185k美元，中国设计生产的售价只为130k美元，只有70%，大大降低了成本。