供電系統是計量實驗室最重要的基礎條件，是恒溫恒濕、潔凈等環境條件實現的前提條件，不穩定的電源輸出甚至直接損壞測試設備。隨著國際SI單位制變革，計量科技發展對實驗室環境提出了更高的要求，高準確度的測量儀器設備需要更加穩定的實驗室環境條件，傳統的供電系統已無法滿足現代計量對電力的需求。
本文結合中國計量科學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驗室對供電系統的需求，對計量實驗室常見問題和供電系統設計進行了分析。
一、實驗室供電系統存在問題及用電需求分析
計量實驗室供電是一門較為復雜的綜合性技術，國家技術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《科學實驗室建筑設計規范》《潔凈廠房設計規范》等相近標準。傳統供電系統設計往往忽視實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個基本單位全部實現由常數定義，量子化變革也對實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，將帶來不可估量的損失，因此計量基準實驗室必須具備高可靠性的供電環境，具備一級重要負荷7×24小時連續供電的能力。
2.高穩定性
隨著科學技術的發展，計量學研究向著更精準的方向邁進，中國計量院研制的NIM6銫噴泉鐘B類不確定度已達到6×10-16，電壓偏差、電網頻率、諧波畸變、波動和閃變等任一電能質量參數波動都會給計量測試帶來影響。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驗樓分布特點，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。總變電所位于院區北側，負責院北區實驗室及辦公樓供電，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.供電系統方式及專用接地系統
為確保計量檢定/校準實驗室供電穩定可靠地系統接地，系統采用TN-S系統。該系統中保護線和中性線分開，系統結構簡單，PE線無負荷電流通過，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驗室的影響，可滿足大部分校準檢測實驗室對接地電阻的要求。
針對部分科學測量儀器對接地的特殊需求，設計了實驗室專用接地系統。專用接地系統采用防腐離子接地極作為接地體，多組接地極通過銅絞線可靠連接形成接地網，經專用導線接入實驗室。專用接地系統具有電阻小，不易腐蝕等特點，系統接地電阻可實現小于0.5歐姆的標準。
3.電能質量控制
為確保供電網絡電壓偏差、電網頻率、諧波畸變、波動和閃變等滿足計量實驗室需求，系統設計了多節點電能質量控制措施，以提高電網質量。
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行快速跟蹤補償，還可以通過采樣負載電流并進行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應，抵消負載中相應電流，實現動態跟蹤補償。在變電所低壓母線側安裝自動投切電容器組，根據電網負荷特性自動進行無功補償，提供系統功率因數。
在負荷側根據電源需求不同，設置動態電壓調節器(DVR)，在(1～2)毫秒之內產生補償電壓，抵消系統電壓所受干擾，使負荷側電壓感受不到擾動，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，將電網電壓波動由平均5%降至±1%以內。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發生故障時，另一組變壓器和UPS能保證全部基準實驗室正常供電。UPS系統電池后備時間設計為15min， UPS主機可通過RS485實現遠程監控主機運行狀態，記錄設備運行參數，實施監測電池性能及充放電狀態。
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，電纜周圍應鋪以細沙或上方蓋上水泥保護板。直埋敷設具有實施簡單，經濟性好的優點，但檢修及故障定位較難，二次敷設需重新開挖土方，電纜有受到外力破壞和機械損傷的風險。
電力管井適用于多條電纜敷設，路由涉及街道等不適宜開挖路段的敷設，過路一般可采用拉管或頂管方式實現，具有減少路面施工、便于檢修和更換電纜等優點，且新增電纜時無需土方開挖作業，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14條。
電力溝道雖然建設投資比直埋大，但其便于進行溫度監視和采取通風降溫措施，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、修復等優點。單條溝道電纜敷設能力約(14～20)條。
當變電所出線電纜較多或并列輻射條數較多時(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，但同時具有以下優點:(1)大量減少電纜線路所占道路斷面；(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引起保護層化學腐蝕；(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。經地下管線勘查，院區地表至埋深1.5米斷面集中敷設有電力、電話、網絡、熱力、供水、雨污水等多專業管線，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。隨著院內科研儀器逐年增多，各實驗樓負荷顯著增加，新建總變電所和分變電所合計出線電纜64條。綜上，低壓電纜敷設方案選用電力隧道方式敷設(見圖2)。
三、結論
計量實驗室供配電系統設計是一項復雜的工程，既要滿足實驗室高可靠性和高穩定性的需求，又必須提供高質量的電源，同時還要避免實驗室間電源污染。良好的供配電系統是實現實驗室穩定環境條件控制的基礎條件。因此，在設計計量實驗室時應充分考慮實驗室用電特點，從變電所選址、配電系統架構、電能質量控制、電纜敷設方式等多方面綜合分析，不斷優化設計方案，為計量校準檢測提供穩定的測試環境。
本文刊發于《中國計量》雜志2021年第1期
作者：中國計量科學研究院 張軍歌 王涵 李俊峰
加入收藏
微信公眾號
計量資訊速遞
