供電系統(tǒng)是計量實驗室最重要的基礎(chǔ)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(shè)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(zhǔn)確度的測量儀器設(shè)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(jié)合中國計量科學(xué)研究院和平里院區(qū)供配電系統(tǒng)運(yùn)行和新系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)，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(shè)計進(jìn)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(fù)雜的綜合性技術(shù)，國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和計量法規(guī)并未對供電系統(tǒng)提出明確要求，設(shè)計建設(shè)只能參考《科學(xué)實驗室建筑設(shè)計規(guī)范》《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》等相近標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)供電系統(tǒng)設(shè)計往往忽視實驗儀器用電的特殊性，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，測量不準(zhǔn)確，甚至損壞電氣設(shè)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(zhǔn)如因電力故障影響標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定運(yùn)行，將帶來不可估量的損失，因此計量基準(zhǔn)實驗室必須具備高可靠性的供電環(huán)境，具備一級重要負(fù)荷7×24小時連續(xù)供電的能力。
2.高穩(wěn)定性
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計量學(xué)研究向著更精準(zhǔn)的方向邁進(jìn)，中國計量院研制的NIM6銫噴泉鐘B類不確定度已達(dá)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(zhì)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(chǔ)條件。
二、供配電系統(tǒng)設(shè)計案例分析
根據(jù)電力負(fù)荷分級標(biāo)準(zhǔn)，中國計量院基標(biāo)準(zhǔn)實驗室為一級負(fù)荷。根據(jù)中國計量院和平里院區(qū)計算負(fù)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(shè)計規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，變電所選址宜接近負(fù)荷中心、接近電源側(cè)和方便運(yùn)輸?shù)纫?，結(jié)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(jié)合的方式設(shè)置?？傋冸娝挥谠簠^(qū)北側(cè)，負(fù)責(zé)院北區(qū)實驗室及辦公樓供電，設(shè)置1600kVA干式變壓器兩臺，預(yù)留遠(yuǎn)期安裝位置兩臺；分變電所位于院南區(qū)負(fù)荷中心，承擔(dān)南區(qū)實驗樓供電，設(shè)置1600kVA干式變壓器兩臺(低壓負(fù)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(zhǔn)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(hù)線和中性線分開，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，PE線無負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)檢測實驗室對接地電阻的要求。
針對部分科學(xué)測量儀器對接地的特殊需求，設(shè)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。
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、波動和閃變等滿足計量實驗室需求，系統(tǒng)設(shè)計了多節(jié)點電能質(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?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，還可以通過采樣負(fù)載電流并進(jìn)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(yīng)，抵消負(fù)載中相應(yīng)電流，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤補(bǔ)償。在變電所低壓母線側(cè)安裝自動投切電容器組，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷特性自動進(jìn)行無功補(bǔ)償，提供系統(tǒng)功率因數(shù)。
在負(fù)荷側(cè)根據(jù)電源需求不同，設(shè)置動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)，在(1～2)毫秒之內(nèi)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓，抵消系統(tǒng)電壓所受干擾，使負(fù)荷側(cè)電壓感受不到擾動，保證了敏感負(fù)荷的安全可靠運(yùn)行。DVR響應(yīng)速度快，可以保證負(fù)荷側(cè)電壓波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦，將電網(wǎng)電壓波動由平均5%降至±1%以內(nèi)。對于大功率感性負(fù)載，采用就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t設(shè)置電容補(bǔ)償裝置。
4.不間斷電源設(shè)計
中國計量院國家基準(zhǔn)實驗室均為一級負(fù)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(dāng)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(zhǔn)實驗室正常供電。UPS系統(tǒng)電池后備時間設(shè)計為15min， UPS主機(jī)可通過RS485實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，記錄設(shè)備運(yùn)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(shè)方案
電纜室外敷設(shè)方式主要有直埋敷設(shè)、電力管井、電力溝道和電力隧道四種方式。
直埋敷設(shè)方式電纜埋設(shè)深度一般不小于0.8m，電纜周圍應(yīng)鋪以細(xì)沙或上方蓋上水泥保護(hù)板。直埋敷設(shè)具有實施簡單，經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點，但檢修及故障定位較難，二次敷設(shè)需重新開挖土方，電纜有受到外力破壞和機(jī)械損傷的風(fēng)險。
電力管井適用于多條電纜敷設(shè)，路由涉及街道等不適宜開挖路段的敷設(shè)，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(yùn)行電纜也能起到一定的保護(hù)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(shè)投資比直埋大，但其便于進(jìn)行溫度監(jiān)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(shè)、更換以及有利于防止外力損傷和故障定位、修復(fù)等優(yōu)點。單條溝道電纜敷設(shè)能力約(14～20)條。
當(dāng)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(yīng)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(jī)械損傷；(3)消除土壤中有害物質(zhì)引起保護(hù)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(qū)原供電系統(tǒng)電纜敷設(shè)方式為直埋敷設(shè)。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(shè)有電力、電話、網(wǎng)絡(luò)、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(yùn)行的情況下，難以布置新的電力電纜。隨著院內(nèi)科研儀器逐年增多，各實驗樓負(fù)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(shè)方案選用電力隧道方式敷設(shè)(見圖2)。
三、結(jié)論
計量實驗室供配電系統(tǒng)設(shè)計是一項復(fù)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(zhì)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(chǔ)條件。因此，在設(shè)計計量實驗室時應(yīng)充分考慮實驗室用電特點，從變電所選址、配電系統(tǒng)架構(gòu)、電能質(zhì)量控制、電纜敷設(shè)方式等多方面綜合分析，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，為計量校準(zhǔn)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(xué)研究院 張軍歌 王涵 李俊峰
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