供電系統是計量實(shí)驗室最重要的基礎條件，是恒溫恒濕、潔凈等環(huán)境條件實(shí)現的前提條件，不穩定的電源輸出甚至直接損壞測試設備。隨著(zhù)國際SI單位制變革，計量科技發(fā)展對實(shí)驗室環(huán)境提出了更高的要求，高準確度的測量?jì)x器設備需要更加穩定的實(shí)驗室環(huán)境條件，傳統的供電系統已無(wú)法滿(mǎn)足現代計量對電力的需求。
本文結合中國計量科學(xué)研究院和平里院區供配電系統運行和新系統設計建設，依據國際單位制變革后計量實(shí)驗室對供電系統的需求，對計量實(shí)驗室常見(jiàn)問(wèn)題和供電系統設計進(jìn)行了分析。
一、實(shí)驗室供電系統存在問(wèn)題及用電需求分析
計量實(shí)驗室供電是一門(mén)較為復雜的綜合性技術(shù)，國家技術(shù)標準和計量法規并未對供電系統提出明確要求，設計建設只能參考《科學(xué)實(shí)驗室建筑設計規范》《潔凈廠(chǎng)房設計規范》等相近標準。傳統供電系統設計往往忽視實(shí)驗儀器用電的特殊性，導致設備運行不穩定，測量不準確，甚至損壞電氣設備，危及人員安全。國際單位制變革以后，7個(gè)基本單位全部實(shí)現由常數定義，量子化變革也對實(shí)驗室供電系統的可靠性和安全性提出了新的更高的要求。
1.高可靠性
國家計量基準如因電力故障影響標準裝置穩定運行，將帶來(lái)不可估量的損失，因此計量基準實(shí)驗室必須具備高可靠性的供電環(huán)境，具備一級重要負荷7×24小時(shí)連續供電的能力。
2.高穩定性
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計量學(xué)研究向著(zhù)更精準的方向邁進(jìn)，中國計量院研制的NIM6銫噴泉鐘B類(lèi)不確定度已達到6×10-16，電壓偏差、電網(wǎng)頻率、諧波畸變、波動(dòng)和閃變等任一電能質(zhì)量參數波動(dòng)都會(huì )給計量測試帶來(lái)影響。穩定的電源供給已成為現代計量不可或缺的基礎條件。
二、供配電系統設計案例分析
根據電力負荷分級標準，中國計量院基標準實(shí)驗室為一級負荷。根據中國計量院和平里院區計算負荷及區域供電能力，采用雙路10kV電源供電，上級電源引自三元110kV變電站。
1.變電所
根據《供配電系統設計規范》等相關(guān)標準中，變電所選址宜接近負荷中心、接近電源側和方便運輸等要求，結合中國計量院和平里院區實(shí)驗樓分布特點(diǎn)，變電所采用總降壓變電所和分降壓變電所相結合的方式設置?？傋冸娝挥谠簠^北側，負責院北區實(shí)驗室及辦公樓供電，設置1600kVA干式變壓器兩臺，預留遠期安裝位置兩臺；分變電所位于院南區負荷中心，承擔南區實(shí)驗樓供電，設置1600kVA干式變壓器兩臺(低壓負荷分配方案如圖1所示)。
2.供電系統方式及專(zhuān)用接地系統
為確保計量檢定/校準實(shí)驗室供電穩定可靠地系統接地，系統采用TN-S系統。該系統中保護線(xiàn)和中性線(xiàn)分開(kāi)，系統結構簡(jiǎn)單，PE線(xiàn)無(wú)負荷電流通過(guò)，能夠有效降低TN-C系統和TN-C-S系統存在的安全隱患。在總變電所、分變電所和各實(shí)驗樓均按照接地電阻小于1歐姆標準安裝接地極，極大降低了系統接地電阻對實(shí)驗室的影響，可滿(mǎn)足大部分校準檢測實(shí)驗室對接地電阻的要求。
針對部分科學(xué)測量?jì)x器對接地的特殊需求，設計了實(shí)驗室專(zhuān)用接地系統。專(zhuān)用接地系統采用防腐離子接地極作為接地體，多組接地極通過(guò)銅絞線(xiàn)可靠連接形成接地網(wǎng)，經(jīng)專(zhuān)用導線(xiàn)接入實(shí)驗室。專(zhuān)用接地系統具有電阻小，不易腐蝕等特點(diǎn)，系統接地電阻可實(shí)現小于0.5歐姆的標準。
3.電能質(zhì)量控制
為確保供電網(wǎng)絡(luò )電壓偏差、電網(wǎng)頻率、諧波畸變、波動(dòng)和閃變等滿(mǎn)足計量實(shí)驗室需求，系統設計了多節點(diǎn)電能質(zhì)量控制措施，以提高電網(wǎng)質(zhì)量。
在總變電所和分變電所分別配置APF有源濾波器。APF能夠對不同大小和頻率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補償，還可以通過(guò)采樣負載電流并進(jìn)行各次諧波和無(wú)功的分離，控制并主動(dòng)輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應，抵消負載中相應電流，實(shí)現動(dòng)態(tài)跟蹤補償。在變電所低壓母線(xiàn)側安裝自動(dòng)投切電容器組，根據電網(wǎng)負荷特性自動(dòng)進(jìn)行無(wú)功補償，提供系統功率因數。
在負荷側根據電源需求不同，設置動(dòng)態(tài)電壓調節器(DVR)，在(1～2)毫秒之內產(chǎn)生補償電壓，抵消系統電壓所受干擾，使負荷側電壓感受不到擾動(dòng)，保證了敏感負荷的安全可靠運行。DVR響應速度快，可以保證負荷側電壓波形為標準正弦，將電網(wǎng)電壓波動(dòng)由平均5%降至±1%以?xún)?。對于大功率感性負載，采用就地補償的原則設置電容補償裝置。
4.不間斷電源設計
中國計量院國家基準實(shí)驗室均為一級負荷，供電變壓器及不間斷電源UPS系統采用2N系統，兩組變壓器和UPS之間互為備份，當其中一組變壓器及UPS發(fā)生故障時(shí)，另一組變壓器和UPS能保證全部基準實(shí)驗室正常供電。UPS系統電池后備時(shí)間設計為15min， UPS主機可通過(guò)RS485實(shí)現遠程監控主機運行狀態(tài)，記錄設備運行參數，實(shí)施監測電池性能及充放電狀態(tài)。
5.低壓電纜敷設方案
電纜室外敷設方式主要有直埋敷設、電力管井、電力溝道和電力隧道四種方式。
直埋敷設方式電纜埋設深度一般不小于0.8m，電纜周?chē)鷳佉约毶郴蛏戏缴w上水泥保護板。直埋敷設具有實(shí)施簡(jiǎn)單，經(jīng)濟性好的優(yōu)點(diǎn)，但檢修及故障定位較難，二次敷設需重新開(kāi)挖土方，電纜有受到外力破壞和機械損傷的風(fēng)險。
電力管井適用于多條電纜敷設，路由涉及街道等不適宜開(kāi)挖路段的敷設，過(guò)路一般可采用拉管或頂管方式實(shí)現，具有減少路面施工、便于檢修和更換電纜等優(yōu)點(diǎn)，且新增電纜時(shí)無(wú)需土方開(kāi)挖作業(yè)，對運行電纜也能起到一定的保護作用。該方式投資低于電力隧道和電纜溝道，但電纜容量一般不超過(guò)14條。
電力溝道雖然建設投資比直埋大，但其便于進(jìn)行溫度監視和采取通風(fēng)降溫措施，改善其散熱條件。另外，電纜溝道還具有便于電纜檢修、新設、更換以及有利于防止外力損傷和故障定位、修復等優(yōu)點(diǎn)。單條溝道電纜敷設能力約(14～20)條。
當變電所出線(xiàn)電纜較多或并列輻射條數較多時(shí)(大于20條)，應考慮建造電力隧道。電力隧道初期投資較大，且施工難度最大，但同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)大量減少電纜線(xiàn)路所占道路斷面；(2)減少電纜遭受外力破壞和機械損傷；(3)消除土壤中有害物質(zhì)引起保護層化學(xué)腐蝕；(4)檢修或更換、新增電纜方便迅速。
中國計量院和平里院區原供電系統電纜敷設方式為直埋敷設。經(jīng)地下管線(xiàn)勘查，院區地表至埋深1.5米斷面集中敷設有電力、電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )、熱力、供水、雨污水等多專(zhuān)業(yè)管線(xiàn)，在保證現狀供配電系統運行的情況下，難以布置新的電力電纜。隨著(zhù)院內科研儀器逐年增多，各實(shí)驗樓負荷顯著(zhù)增加，新建總變電所和分變電所合計出線(xiàn)電纜64條。綜上，低壓電纜敷設方案選用電力隧道方式敷設(見(jiàn)圖2)。
三、結論
計量實(shí)驗室供配電系統設計是一項復雜的工程，既要滿(mǎn)足實(shí)驗室高可靠性和高穩定性的需求，又必須提供高質(zhì)量的電源，同時(shí)還要避免實(shí)驗室間電源污染。良好的供配電系統是實(shí)現實(shí)驗室穩定環(huán)境條件控制的基礎條件。因此，在設計計量實(shí)驗室時(shí)應充分考慮實(shí)驗室用電特點(diǎn)，從變電所選址、配電系統架構、電能質(zhì)量控制、電纜敷設方式等多方面綜合分析，不斷優(yōu)化設計方案，為計量校準檢測提供穩定的測試環(huán)境。
本文刊發(fā)于《中國計量》雜志2021年第1期
作者：中國計量科學(xué)研究院 張軍歌 王涵 李俊峰
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