供电系统是计量实验室最重要的基础条件，是恒温恒湿、洁净等环境条件实现的前提条件，不稳定的电源输出甚至直接损坏测试设备。随着国际SI单位制变革，计量科技发展对实验室环境提出了更高的要求，高准确度的测量仪器设备需要更加稳定的实验室环境条件，传统的供电系统已无法满足现代计量对电力的需求。
本文结合中国计量科学研究院和平里院区供配电系统运行和新系统设计建设，依据国际单位制变革后计量实验室对供电系统的需求，对计量实验室常见问题和供电系统设计进行了分析。
一、实验室供电系统存在问题及用电需求分析
计量实验室供电是一门较为复杂的综合性技术，国家技术标准和计量法规并未对供电系统提出明确要求，设计建设只能参考《科学实验室建筑设计规范》《洁净厂房设计规范》等相近标准。传统供电系统设计往往忽视实验仪器用电的特殊性，导致设备运行不稳定，测量不准确，甚至损坏电气设备，危及人员安全。国际单位制变革以后，7个基本单位全部实现由常数定义，量子化变革也对实验室供电系统的可靠性和安全性提出了新的更高的要求。
1.高可靠性
国家计量基准如因电力故障影响标准装置稳定运行，将带来不可估量的损失，因此计量基准实验室必须具备高可靠性的供电环境，具备一级重要负荷7×24小时连续供电的能力。
2.高稳定性
随着科学技术的发展，计量学研究向着更精准的方向迈进，中国计量院研制的NIM6铯喷泉钟B类不确定度已达到6×10-16，电压偏差、电网频率、谐波畸变、波动和闪变等任一电能质量参数波动都会给计量测试带来影响。稳定的电源供给已成为现代计量不可或缺的基础条件。
二、供配电系统设计案例分析
根据电力负荷分级标准，中国计量院基标准实验室为一级负荷。根据中国计量院和平里院区计算负荷及区域供电能力，采用双路10kV电源供电，上级电源引自三元110kV变电站。
1.变电所
根据《供配电系统设计规范》等相关标准中，变电所选址宜接近负荷中心、接近电源侧和方便运输等要求，结合中国计量院和平里院区实验楼分布特点，变电所采用总降压变电所和分降压变电所相结合的方式设置。总变电所位于院区北侧，负责院北区实验室及办公楼供电，设置1600kVA干式变压器两台，预留远期安装位置两台；分变电所位于院南区负荷中心，承担南区实验楼供电，设置1600kVA干式变压器两台(低压负荷分配方案如图1所示)。
2.供电系统方式及专用接地系统
为确保计量检定/校准实验室供电稳定可靠地系统接地，系统采用TN-S系统。该系统中保护线和中性线分开，系统结构简单，PE线无负荷电流通过，能够有效降低TN-C系统和TN-C-S系统存在的安全隐患。在总变电所、分变电所和各实验楼均按照接地电阻小于1欧姆标准安装接地极，极大降低了系统接地电阻对实验室的影响，可满足大部分校准检测实验室对接地电阻的要求。
针对部分科学测量仪器对接地的特殊需求，设计了实验室专用接地系统。专用接地系统采用防腐离子接地极作为接地体，多组接地极通过铜绞线可靠连接形成接地网，经专用导线接入实验室。专用接地系统具有电阻小，不易腐蚀等特点，系统接地电阻可实现小于0.5欧姆的标准。
3.电能质量控制
为确保供电网络电压偏差、电网频率、谐波畸变、波动和闪变等满足计量实验室需求，系统设计了多节点电能质量控制措施，以提高电网质量。
在总变电所和分变电所分别配置APF有源滤波器。APF能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，还可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中相应电流，实现动态跟踪补偿。在变电所低压母线侧安装自动投切电容器组，根据电网负荷特性自动进行无功补偿，提供系统功率因数。
在负荷侧根据电源需求不同，设置动态电压调节器(DVR)，在(1～2)毫秒之内产生补偿电压，抵消系统电压所受干扰，使负荷侧电压感受不到扰动，保证了敏感负荷的安全可靠运行。DVR响应速度快，可以保证负荷侧电压波形为标准正弦，将电网电压波动由平均5%降至±1%以内。对于大功率感性负载，采用就地补偿的原则设置电容补偿装置。
4.不间断电源设计
中国计量院国家基准实验室均为一级负荷，供电变压器及不间断电源UPS系统采用2N系统，两组变压器和UPS之间互为备份，当其中一组变压器及UPS发生故障时，另一组变压器和UPS能保证全部基准实验室正常供电。UPS系统电池后备时间设计为15min， UPS主机可通过RS485实现远程监控主机运行状态，记录设备运行参数，实施监测电池性能及充放电状态。
5.低压电缆敷设方案
电缆室外敷设方式主要有直埋敷设、电力管井、电力沟道和电力隧道四种方式。
直埋敷设方式电缆埋设深度一般不小于0.8m，电缆周围应铺以细沙或上方盖上水泥保护板。直埋敷设具有实施简单，经济性好的优点，但检修及故障定位较难，二次敷设需重新开挖土方，电缆有受到外力破坏和机械损伤的风险。
电力管井适用于多条电缆敷设，路由涉及街道等不适宜开挖路段的敷设，过路一般可采用拉管或顶管方式实现，具有减少路面施工、便于检修和更换电缆等优点，且新增电缆时无需土方开挖作业，对运行电缆也能起到一定的保护作用。该方式投资低于电力隧道和电缆沟道，但电缆容量一般不超过14条。
电力沟道虽然建设投资比直埋大，但其便于进行温度监视和采取通风降温措施，改善其散热条件。另外，电缆沟道还具有便于电缆检修、新设、更换以及有利于防止外力损伤和故障定位、修复等优点。单条沟道电缆敷设能力约(14～20)条。
当变电所出线电缆较多或并列辐射条数较多时(大于20条)，应考虑建造电力隧道。电力隧道初期投资较大，且施工难度最大，但同时具有以下优点:(1)大量减少电缆线路所占道路断面；(2)减少电缆遭受外力破坏和机械损伤；(3)消除土壤中有害物质引起保护层化学腐蚀；(4)检修或更换、新增电缆方便迅速。
中国计量院和平里院区原供电系统电缆敷设方式为直埋敷设。经地下管线勘查，院区地表至埋深1.5米断面集中敷设有电力、电话、网络、热力、供水、雨污水等多专业管线，在保证现状供配电系统运行的情况下，难以布置新的电力电缆。随着院内科研仪器逐年增多，各实验楼负荷显著增加，新建总变电所和分变电所合计出线电缆64条。综上，低压电缆敷设方案选用电力隧道方式敷设(见图2)。
三、结论
计量实验室供配电系统设计是一项复杂的工程，既要满足实验室高可靠性和高稳定性的需求，又必须提供高质量的电源，同时还要避免实验室间电源污染。良好的供配电系统是实现实验室稳定环境条件控制的基础条件。因此，在设计计量实验室时应充分考虑实验室用电特点，从变电所选址、配电系统架构、电能质量控制、电缆敷设方式等多方面综合分析，不断优化设计方案，为计量校准检测提供稳定的测试环境。
本文刊发于《中国计量》杂志2021年第1期
作者：中国计量科学研究院 张军歌 王涵 李俊峰
加入收藏
微信公众号
计量资讯速递
