供電系統(tǒng)是計量實驗室最重要的基礎條件，是恒溫恒濕、潔凈等環(huán)境條件實現(xiàn)的前提條件，不穩(wěn)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(fā)展對實驗室環(huán)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(wěn)定的實驗室環(huán)境條件，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)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(qū)供配電系統(tǒng)運行和新系統(tǒng)設計建設，依據(jù)國際單位制變革后計量實驗室對供電系統(tǒng)的需求，對計量實驗室常見問題和供電系統(tǒng)設計進行了分析。
一、實驗室供電系統(tǒng)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(guī)并未對供電系統(tǒng)提出明確要求，設計建設只能參考《科學實驗室建筑設計規(guī)范》《潔凈廠房設計規(guī)范》等相近標準。傳統(tǒng)供電系統(tǒng)設計往往忽視實驗儀器用電的特殊性，導致設備運行不穩(wěn)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(xiàn)由常數(shù)定義，量子化變革也對實驗室供電系統(tǒng)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(wěn)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(huán)境，具備一級重要負荷7×24小時連續(xù)供電的能力。
2.高穩(wěn)定性
隨著科學技術的發(fā)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(wǎng)頻率、諧波畸變、波動和閃變等任一電能質量參數(shù)波動都會給計量測試帶來影響。穩(wěn)定的電源供給已成為現(xiàn)代計量不可或缺的基礎條件。
二、供配電系統(tǒng)設計案例分析
根據(jù)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(jù)中國計量院和平里院區(qū)計算負荷及區(qū)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(jù)《供配電系統(tǒng)設計規(guī)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?shù)纫?，結合中國計量院和平里院區(qū)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?？傋冸娝挥谠簠^(qū)北側，負責院北區(qū)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(qū)負荷中心，承擔南區(qū)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(tǒng)方式及專用接地系統(tǒng)
為確保計量檢定/校準實驗室供電穩(wěn)定可靠地系統(tǒng)接地，系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)。該系統(tǒng)中保護線和中性線分開，系統(tǒng)結構簡單，PE線無負荷電流通過，能夠有效降低TN-C系統(tǒng)和TN-C-S系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。專用接地系統(tǒng)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(wǎng)，經(jīng)專用導線接入實驗室。專用接地系統(tǒng)具有電阻小，不易腐蝕等特點，系統(tǒng)接地電阻可實現(xiàn)小于0.5歐姆的標準。
3.電能質量控制
為確保供電網(wǎng)絡電壓偏差、電網(wǎng)頻率、諧波畸變、波動和閃變等滿足計量實驗室需求，系統(tǒng)設計了多節(jié)點電能質量控制措施，以提高電網(wǎng)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(xiàn)動態(tài)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(jù)電網(wǎng)負荷特性自動進行無功補償，提供系統(tǒng)功率因數(shù)。
在負荷側根據(jù)電源需求不同，設置動態(tài)電壓調節(jié)器(DVR)，在(1～2)毫秒之內產生補償電壓，抵消系統(tǒng)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(wǎng)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?shù)脑瓌t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(tǒng)采用2N系統(tǒng)，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，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(tǒng)電池后備時間設計為15min， UPS主機可通過RS485實現(xiàn)遠程監(jiān)控主機運行狀態(tài)，記錄設備運行參數(shù)，實施監(jiān)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(jīng)濟性好的優(yōu)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(xiàn)，具有減少路面施工、便于檢修和更換電纜等優(yōu)點，且新增電纜時無需土方開挖作業(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(jiān)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(yōu)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(shù)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(yōu)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(qū)原供電系統(tǒng)電纜敷設方式為直埋敷設。經(jīng)地下管線勘查，院區(qū)地表至埋深1.5米斷面集中敷設有電力、電話、網(wǎng)絡、熱力、供水、雨污水等多專業(yè)管線，在保證現(xiàn)狀供配電系統(tǒng)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(tǒng)設計是一項復雜的工程，既要滿足實驗室高可靠性和高穩(wěn)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(tǒng)是實現(xiàn)實驗室穩(wěn)定環(huán)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(tǒng)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(yōu)化設計方案，為計量校準檢測提供穩(wěn)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
