供電係統是計量實驗室最重要的（de）基礎條件（jiàn），是恒溫恒濕、潔（jié）淨等環（huán）境（jìng）條件實現的前提條件，不穩定的電源輸出甚至直（zhí）接損壞測試設備。隨著（zhe）國際SI單位（wèi）製變革，計量（liàng）科技發展對實驗室環境提（tí）出了（le）更高的要求，高準確度（dù）的測（cè）量儀器設備需要更加穩（wěn）定的實驗室環境條件，傳統的供電係統（tǒng）已無法滿足現代計量對電（diàn）力的需求。
本文（wén）結合中國計量科學研究院和平裏院區供配電係（xì）統運行和新係統設計建設，依據國際單位製變革後計量實驗（yàn）室對供電係統的需求（qiú），對計量實（shí）驗室常見問題和供電係統設計進行了分析。
一、實驗室供電係統存在問題及用電需求分（fèn）析
計量實（shí）驗室供電（diàn）是（shì）一門較為複雜的綜合性技術，國家技術標準和計量（liàng）法規（guī）並未對供電係（xì）統提出明確要（yào）求，設計建設隻（zhī）能參考《科學實驗室建築設計規範》《潔淨廠房設計規範》等相近標（biāo）準。傳統供電係統設計往往忽視（shì）實驗儀器用（yòng）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。國際單位製變（biàn）革以後，7個基本單位全部實現由常數定義（yì），量子化變革也對實驗室供電係統的可靠性和安全性提出了新的更（gèng）高的要求（qiú）。
1.高可（kě）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（gū）量的損失，因此計（jì）量基準實驗室必須具備（bèi）高可靠性的供電環境，具備一級重要負荷（hé）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（xué）研究向著更精準的方向邁進，中國計量院研製的NIM6銫噴（pēn）泉鍾B類不（bú）確定（dìng）度已達到6×10-16，電壓偏差、電（diàn）網頻（pín）率、諧波畸變、波（bō）動和閃變等任一電能質量參數（shù）波動都（dōu）會給計量測試帶來影響。穩定的電源供給已成（chéng）為現代計量不可或缺的基礎條件。
二（èr）、供配電（diàn）係統設（shè）計案例分析（xī）
根據電（diàn）力負（fù）荷分級標（biāo）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裏院區計算負荷及區域供電能力，采用（yòng）雙路（lù）10kV電源供電（diàn），上級電源引自三元110kV變電站（zhàn）。
1.變電（diàn）所
根據《供配（pèi）電係統設計規範》等相關（guān）標準中（zhōng），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裏院區實驗樓分布特（tè）點，變電所采用總降壓（yā）變電（diàn）所和分降壓（yā）變電所（suǒ）相（xiàng）結合的方式設（shè）置。總變電所位於（yú）院區北（běi）側，負責院北區實驗室及辦公樓供電，設置1600kVA幹式變壓器兩台，預留遠期安裝（zhuāng）位置兩台；分（fèn）變（biàn）電所位於院南區負荷中心，承擔（dān）南區（qū）實驗（yàn）樓供電，設置1600kVA幹式變壓器兩台(低壓負荷分配方案如圖（tú）1所示)。
2.供電係統方式及專用接地係統
為確保計量檢定/校準實（shí）驗室供電穩定可靠地係統接（jiē）地，係統采用TN-S係統。該係統中保護線和中性線分開，係統結構簡單（dān），PE線無（wú）負荷電流通（tōng）過，能（néng）夠有效降低TN-C係統和TN-C-S係統（tǒng）存在的安全隱患。在總變電所（suǒ）、分變電所和各實驗樓（lóu）均（jun1）按照接地電阻小於（yú）1歐姆標準（zhǔn）安（ān）裝接地極，極大降（jiàng）低了係統接地電阻對實驗室的影（yǐng）響，可滿足大部分校準檢測實驗室對接地電阻的要（yào）求。
針（zhēn）對部（bù）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係統。專用接地係統采用防腐離子接地極作為（wéi）接地體（tǐ），多組接地極通過銅絞線可靠連接形成接地網，經專用（yòng）導線接（jiē）入實驗室。專用接地（dì）係統具有電阻小，不（bú）易腐蝕等（děng）特點，係統接地電阻可實現小於0.5歐姆（mǔ）的標準。
3.電能質量控製
為確保供電網絡電壓偏差、電網（wǎng）頻率、諧波（bō）畸變、波動和閃變等滿足（zú）計量實驗室需求，係統設計了多節點電能質量控（kòng）製措施，以提高電網質量（liàng）。
在總變（biàn）電所和分變電所分別配置APF有源濾波器。APF能夠（gòu）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並進行各次諧波和無功的分（fèn）離，控製並主動輸出電流的大小、頻率和相位，並且快速響應，抵消（xiāo）負載中（zhōng）相應電流，實現動態跟蹤補償。在變電所低（dī）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，提供係統功率因數。
在（zài）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（cháng）電壓（yā），抵消係統電壓所（suǒ）受（shòu）幹擾，使負荷（hé）側電壓（yā）感受不（bú）到擾動，保證了敏感負荷（hé）的安（ān）全（quán）可靠運行。DVR響應速度（dù）快，可以保證負荷側電壓波（bō）形為標準正弦，將電網電壓波動由平均5%降至±1%以內。對於大功率（lǜ）感性負載，采用就地補償的（de）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（shì）均為一級（jí）負荷，供電變（biàn）壓器及不（bú）間斷電（diàn）源UPS係統采（cǎi）用（yòng）2N係統，兩組變（biàn）壓器和UPS之（zhī）間互為備份，當其中（zhōng）一組變壓器及UPS發生故障時，另（lìng）一組變壓器和UPS能保證全部基準實驗室正常（cháng）供電。UPS係統（tǒng）電池後備時間設計為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（zhuàng）態。
5.低（dī）壓電纜敷設方案
電纜室外敷設（shè）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（fāng）式。
直埋敷設方（fāng）式電纜埋設深度一般（bān）不小於0.8m，電纜周圍應鋪以（yǐ）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（xìng）好（hǎo）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（dào）外力破壞和（hé）機械損（sǔn）傷的風險。
電力（lì）管井適（shì）用於（yú）多條電纜敷設，路由（yóu）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（fāng）式實現，具有減少路麵施工、便（biàn）於檢修和更換電纜等優點，且新增電纜時（shí）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（gāi）方（fāng）式投資低於（yú）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（rán）建設投資比直埋大，但其便於進行溫度監視和采取通風降溫措施，改善其（qí）散熱條件。另外，電纜溝道還具有便於電纜檢（jiǎn）修、新設、更換以（yǐ）及有利於防止（zhǐ）外力損傷和故障定位、修複等優點。單條（tiáo）溝道電纜敷設能力約(14～20)條。
當變電所出線電纜較（jiào）多或（huò）並列輻射條數較多時(大於20條)，應考慮建造電力隧道。電力隧道（dào）初期投資（zī）較大，且施工（gōng）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麵；(2)減少電（diàn）纜遭受外力破壞（huài）和機械損（sǔn）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（gèng）換、新（xīn）增電纜方便迅速。
中國計量院和平裏院區（qū）原供電係統電纜敷設方式為直埋敷設。經地下管線勘查，院區地（dì）表至埋深1.5米斷麵集中敷設有電力、電話、網絡、熱力、供水、雨汙（wū）水等多（duō）專業管線，在保證現狀供配電係統運（yùn）行的情況下，難以布置新的電力電纜。隨著院內科研儀（yí）器逐年增多，各（gè）實驗樓（lóu）負荷顯著增（zēng）加，新（xīn）建總變電所和分變電所合計出線電纜64條。綜上（shàng），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（shì）供配電係統設計是一項複雜的工程，既（jì）要（yào）滿足實驗室高可靠性和高（gāo）穩（wěn）定性的需求，又必須（xū）提供高質量的電（diàn）源，同時還要避免實驗室間電（diàn）源汙染。良好的供配電係統是實現實（shí）驗室穩定環境條件控製的基礎條件。因此，在設計計量實驗室（shì）時（shí）應充分（fèn）考慮實驗室用電特點，從變電所選址、配電係統架構、電能質量控（kòng）製、電纜敷（fū）設（shè）方式等多方麵綜合分析，不斷優化設計方案，為計（jì）量校（xiào）準檢測提供穩定的（de）測試環境。
本文刊發於《中國計量》雜誌2021年第1期
作者：中（zhōng）國計量科學研究院 張軍歌 王涵 李俊峰
加入收藏
微信（xìn）公眾號
計量資訊速遞
