摘 要：针对上海世博会美国馆项目，结合配电应用需求，就负荷和主接线，场馆变电所布置，电力监控管理，改善电能质量以及节能考虑各方面阐述了GE电气解决方案。
关键词：环网柜 失真功率 谐波治理 隔离变压器 变频控制 绿色理念
2010年上海世博会美国国家馆（USP）位于C05地块地上二层，为世博会临时建筑。展馆面积达6000平方米, 是最大自建馆之一，外观犹如一只展开双翅的雄鹰，迎接远道而来的客人。场馆的主题为“拥抱挑战”, 体现了未来美国城市的缩影。运用清洁能源、绿色空间和屋顶花园等元素，通过多维模式和高科技手段，四个独特的展示空间让游客踏上一段虚拟的美国之旅。
一、项目概况
GE为上海世博会美国馆提供了完整的电气设备和系统的解决方案，包括最新推出的SecoRMU环网柜和WaveproLT母线槽，节能环保的绝缘干式变压器SCB10，高效智能的变频器VAT300，技术领先的低压成套开关设备MLS以及安全可靠的UPS不间断电源系统Lanpro系列等。
1、负荷和主接线
展馆设计计算负荷为1100kVA左右，主要为展示设备，空调水泵，设备电源和照明等（负荷分布情况如图二所示）.美国馆是世博园区少数主电源采用 10kV进线的场馆，引自上级不同变电所的二路10KV供电，单母线分段，中间不设联络。而在400V低压单元站母线，中间设置联络开关以提升配电系统的灵活性和可靠性。馆内采用2台800kVA GE WaveCast干式变压器（SCB10型），高低压铜箔绕组环氧树脂浇铸。通过强迫风冷（FA），可增容40%并长期运行。根据负荷分析，增容后的一台 800kVA变压器能满足美国馆全部负荷用电。
2、场馆变电所布置考虑
为尽可能地保证展区面积，变电所采用了紧凑布局且平面不规则的设计，如图所示。GE从节省占地空间的角度,提供了小型紧凑的配电设备，包括市场上最小型, 模块化的10kV环网柜SecoRMU和低压主站MLS开关柜。其中10kv环网柜SecoRMU单台仅350mm宽，800mm深，1380mm高，V 柜（断路器柜）配置微机装置为配电变压器提供过流和速断等基本保护，省去了直流盘柜, 由计量柜中UPS电源提供系统操作电源。而低压主站MLS开关柜因地制宜采用背靠背布置和模数化插拔式回路，节省了空间。连接变压器和低压进线柜之间的密集型母线槽WaveproLT也根据设备位置进行了特别设计，包括走向，相序，和软母线接入等。
二、GE整体解决方案的几个特点
1、电力监控PMCS系统
根据美国馆的电气系统特点，设计了一款150点IED的小型化电力监控系统-GE Enervista Viewpoint Monitoring：Enervista是GE公司根据多年电力自动化系统开发经验，结合最新计算机技术，推出的新一代电能管理与监控系统软件。
该软件能自动检测所使用的装置且可以自动生成符合装置和接线配置的监视屏幕，从而节省了大量的时间和成本；通过趋势图和报表功能，可以分析系统运行趋势和查看数据的历史记录；该软件能对任何报警生成事件，并形成记录，节省故障分析的时间；即时报警可通过声、光或电子邮件的方式通知运行人员；同时，该软件具备故障录波功能，可对任何装置记录的波形故障数据进行查看和诊断。
美国馆PMCS采用分层分布式结构，系统整体上分为站控层和间隔层两层，站控层和间隔层之间采用以太网星型联结。通讯协议采用Modbus TCP。站控层由全站的通用设备组成，一般按工程最终规模配置，包括监控主站、打印机、站控层公用接口装置及网络设备等。间隔层一般指放置在各间隔中的智能设备，如继电保护装置，多功能仪表等。间隔层设备和网络结构图如图所示。
2、电能质量改善
提高电气系统的功率因数可以改善电能质量，相角功率因数一般通过设计自动投切的电容器组来改善，而由谐波引起的失真功率因数往往有所忽略。
世博会美国馆电气系统中，在变压器低压侧设置成套静电电容器自动补偿装置，以集中补偿形式将系统的功率因数提高到0.92以上。而考虑美国馆末端接入了大量单相负载（诸如单相UPS，显示设备，节能灯等）,这些负载主要产生3次谐波，因此在电容器组前配套14%的电抗器来抑制3次谐波,同时应用电抗器也避免了电容装置的接入对电网谐波的过度放大和谐振的发生。
为防止线路中的谐波（特别是高次谐波）干扰展示设备，影响视频和音响的展示效果，GE在重要的终端配电箱盘中配置了谐波保护器，该保护器能吸收各种频率各种能量的谐波干扰，随时自动跟踪电源波形，瞬时滤除电源中的谐波及尖峰杂波,改善电源波形，使得整个系统的电压波形变的光滑清洁。
另一方面采用隔离变压器和局部IT接地方式，将部分重要的展示设备接入其中，形成相对独立的单相电气系统。隔离变压器230V/230V一次绕组与二次绕组有屏蔽层，应将其接地。由于230V/230V单相隔离变压器一二次绕组间应用了屏蔽层，将其接地后能有效地减少电网线路中和变压器同级的其他设备产生的谐波电流对显示设备的影响，为变压器下级的显示设备提供一个相对干净稳定的电源系统（具体原理如右图所示）。隔离变压器的输出侧3，4两个抽头，其中一个电压较高（对地），一个电压较低引出的线可作为悬浮“零”线，而隔离变压器的末端负载在外壳侧就地接当地保护地线，则不会受到上级杂波电流的影响，该系统即形成局部小范围的IT系统。采用了IT系统以后，一旦负载设备漏电，单线触电电流极小，易于脱离，因而不易造成人身安全事故，提高了设备的安全性。在短距离供电情况下，采用IT系统方式供电可靠性高、安全性好。
3、节能考量
考虑到世博会参观人流量和展示期间的气候条件，美国馆应用了大量的空调排风设备，这样实际一天中的负荷动态变化比较大。为了解决这个问题，GE采用了变频控制，根据负载情况随之调整电机转速，转速降低，消耗的功率与之呈立方关系的降低，从而达到节能目的。另外，采用变频控制还可以降低电机的启动电流和线路电压波动。
图示为GE VAT300 最新型变频器。在美国馆项目中提供了不同规格的变频器，分别安装在就地的动力柜中。VAT300是新一代的高性能矢量控制变频器，采用最新的32位微处理器，结构紧凑，易于维护，运行可靠，应用于标准的三相交流电动机的精确速度控制，同一变频器即可实现多模式控制，塑料元件采用了无毒环保材料，符合国际环保RoHS标准，可在运行中随机地改变PWM载波频率，降低相应噪声污染，提高了变频器的工作效率，提供了完善的电动机保护、通讯和先进的应用功能。
另外值得一提的是GE WaveCast干式变压器，由于采用了更新的工艺和厚度更薄的优质硅钢片，其空载损耗大大降低。数据表明GE SCB10相比SCB9系列负载损耗最多可降低7%；空载损耗最多可降低11%以上。GE WaveCast干式变压器获得了“2008北京奥运绿色科技优秀品牌”，并运用于大量奥运
三、 结 语
展馆设计对变电所设备的要求往往是更小的占地尺寸和紧凑型的布置；为了完美地展示效果，需要有针对地进行谐波治理和电能质量改善；贯穿绿色世博理念，应进行节能方面的考量；同时考虑功能和节俭方面的需求，可配置基本型的电力监控（PMCS）系统。
通用电气公司(GE)作为上海世博会美国国家馆的首席合作伙伴，除了为场馆提供科学的配电系统，还结合GE能源、水处理、安防系统、照明等一系列绿色产品，在2010年上海世博盛会中彰显出了“绿色创想”的环保理念。