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電氣設計中的安全及節能問題探討

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　　我國目前的配電網中，主要電壓等級包括35kV、10kV和380/220kV，其中35kV電壓等級的主要作用是進行遠距離電能的傳輸，10kV與380/220kV是配電網的主體，與用戶有著直接的聯系。電能在向用戶傳輸過程中，會經過導線、開關、變壓器等各種設備，即有可能發生安全事故，也會出現一定的損失，因此進行高質量的電氣設計至關重要。做好電氣設計工作，對未來工程建設的周期、質量及投入使用后的安全性及經濟效益起著決定作用。本人結合多年實踐經驗，對電氣設計中的安全及節能問題進行探討。
　　1、電氣設計中的安全問題探究
　　1.1 防人身電擊
　　電氣設備在運行過程中，很可能出現絕緣破損而導致導線外漏，這就容易通過直接接觸或間接接觸對人身造成電擊。為了避免此種情況出現對人身造成威脅，在進行電氣設計時，通常在電源處設計電流防護電器或漏電保護器（RCD），然而這兩種方法也存在一定的局限性。例如：對于TN系統，在PE線引入故障電壓而對人身造成的傷害不能起到有效的保護，究其原因，主要在于設備回路上并沒有剩余電流。為了彌補上述存在的弊端，在進行電氣設計時可以采用總等電位聯結方式。采用這種聯結方式后，能夠有效降低人身電擊的危險，并能消除由于外部的危險電壓而造成的危害。
　　1.2 防電氣火災
　　電氣設備或輸電線路在運行過程中，由于故障而發生的電氣火災時有耳圍。通常情況下，發生此類故障的情況有兩種：短路與接地故障。若出現短路故障，配網安裝的短路保護其能夠自動切斷電源，避免火災的發生；若出現接地故障，尤其是電弧性接地故障，由于其短路電流比較小，難以達到短路器切斷的閾值，因此具有較大的危險性。因此，在進行設計時，可在住宅電源進線處安裝額定動作電流為500mA的選擇型RCD，同時設定延時為0.2-0.4s，同時住宅總電源進線處的第二級RCD還能做為前述保護的后備保護。
　　1.3 防雷保護
　　為了避免雷擊引發事故，在進行電氣設計時通常裝設SPD。安裝SPD選型的基本原則包括以下兩個：第一，確定電壓保護殘壓，防止其超過被保護設備的耐壓等級；第二，確定最大放大電流，根據雷擊電能的不同等級進行分級保護，防止損壞電氣設備。
　　2、電氣設計中的節能問題探究
　　作為二次能源的電能，在進行設計時如何能既不損害建筑物的功能，也不盲目追加投資，達到最高的性價比是電氣設計的關鍵環節。本人結合多年的工作實踐經驗，認為電氣節能設計必須把握以下原則：滿足功能、經濟合理及技術先進。具體來說，可從以下幾個方面采取節能措施，并將其應用到實際工程設計中去。
　　2.1 變壓器的選擇
　　變壓器要進行有效的節能，關鍵是要降低有功功率的損耗。變壓器的有功功率損耗表達式如下：
　　該式中，分別表示變壓器的有功損耗、空載損耗、有載損耗及負載率。指通常的鐵損，包括渦流損耗及漏磁損耗兩部分，由制作工藝決定，與電網中負荷無關，損耗量基本為固定值，所以在進行變壓器的選擇時，設計應該首選低損耗的節能變壓器。指通常的線損，與變壓器繞組電阻大小及電流有關，據此在選擇變壓器時，應該選擇阻值相對比較小的銅芯然組變壓器，通過對求微分計算可知，當β的值為50%時的能耗最小，但是若根據此選擇變壓器，
　　存在以下兩方面弊端：第一，沒有考慮到其經濟效益；第二，僅降低了線損，并沒降低鐵損，所以沒有起到很好的節能效果。
　　綜合多種因素，筆者認為在選擇變壓器時，應該注意考慮以下幾點：第一，通常選擇在變壓器的負載率β在75%～85%為宜，這樣選擇即節省投資，又能物盡其用；第二，若負載率低于30%時，應該根據具體負荷選擇容量較小的變壓器；第三，若負載率高于80%并通過計算不利于經濟運行時，可放大一級容量選擇變壓器；第四，若容量巨大必須選擇數量較多的變壓器時，可以對負荷進行合理分配，盡量減少變壓器的數量。例如：若配電網的裝機容量為2000kVA，可以選擇兩臺容量為1000kVA的變壓器，而不選擇四臺容量為500kVA的變壓器，主要原因在于前者的性價比高于后者。
　　2.2 合理設計供配電系統及線路
　　根據配網區域負荷分布特點、供電距離等綜合因素，合理設計節能效果較好的供配電系統及供電電壓。供配電系統的選擇應該簡捷，能采用一級供電的盡量不采用兩級供電；導線橫截面的選擇通常根據單位面積經濟電流的密度來確定，但是由于通常供電線路比較長，因此供電線路的損耗在設計時必須足夠重視。線路損耗計算公式為：
　　由上式可知，為了降低輸電線路的損耗，必須考慮ρ，L，S 的影響因素。
　?。?）選用ρ較小的材質做導線。在常用的金屬導線中，銅的電導率最小，但是同時還需考慮投資成本。因此在進行具體選擇時，對于負荷較大的一、二類建筑，通常選擇銅導線；對于負荷較小的三類建筑物，通常選擇鋁芯導線。
　?。?）減少輸電線路的長度L。通?？刹扇∫韵麓胧鹤兣潆娝M可能的靠近負荷中心；供電線路盡量選擇直線，少走彎路，少走回頭線，最大限度降低線路損耗。
　?。?）增大線纜橫截面積S。若供電線路較長，可根據實際情況將線纜截面增加一級；合理調節季節性負荷、最高效的利用供電線路。
　　在進行電氣設計時，積極采取合理措施，最大限度降低電能損耗，達到節能目的。
　　2.3 提高系統的功率因數
　?。?）提高功率因數的重要性及現實意義
　　若供電線路中每相電阻為R，系統的功率損耗如下式所示：　　上式中，分別表示供電線路的功率損耗、有功功率、線電壓、線電流及負荷的功率因數。由上式可知，若P恒定，則系統的值越大，功率損耗越小，由此可知，提高功率因數能有效降低損耗，起到節能效果。若U，P恒定，改善前后的功率因數分別為，則供電系統的功率損耗可用下式進行計算：
　?。?）提高功率因數的具體措施
　　要提高系統的功率因數，可采取以下幾種措施：
　　第一，減少無功消耗，提高功率因數。具體作法如下：正確設計、合理選用變流裝置；避免電動機及電焊機的空載運轉；在條件許可的情況下，可以選擇使用功率因數比較大的等容量同步電動機取代異步電動機；熒光燈盡量選用諧波系數不超過15%的電子鎮流器等。
　　第二，采用靜電電容器進行無功補償。對于高壓供電及帶有負荷調整的用戶，高峰時的功率因數不能小于0.9.若自然功率因數難以滿足上述條件時，可進行人工無功補償。經過長期實踐表明，每千乏補償電容每年能夠節省電能為150～200kW.h，應該進行大力推廣。要特別注意的是，盡量就地安裝無功補償裝置，這樣能有效減少傳輸過程中的損耗。
　　2.4 照明部分的節能
　　在城區供電系統中，照明范圍廣、耗電量大，因此照明節能具有很大的潛力。在照明系統滿足基本的照度、色溫等基本要求后，應該從下面幾方面進行節能設計：
　?。?）選擇采用高效光源。根據不同的工作場所，選擇不同的光源。例如：對于室內照明，通常宜選擇白熾燈；對于室外場所的照明，宜選擇高光強的氣體放電燈等。
　?。?）選擇采用高效燈具及合理的照明方案。除了裝飾之外，盡量選擇直射光通比例高、配光特性穩定的高效燈具；對于照明方案的選擇，盡量選擇光通系數較高的布燈方案。
　　2.5 電動機的節能
　　電動機若選擇不合理，也會造成極大的電能損失，因此電動機的選擇至關重要。通常選擇滿足下述要求的高效電動機：第一，負載率大于0.6；第二，每年連續運行時間不低于三千小時；第三，運行過程中盡量少頻繁起動、制動；第四，單機容量相對較大。
　　綜上所述，電氣設計的安全、節能設計在整個配電網設計中起著重要作用。在進行電氣設計時必須嚴格按照標準、規范，采取有效措施避免造成傷害；在進行節能設計時，相關工作人員必須精心比較各種方案，提出切實可行的節能措施，以達到真正節能的目的。

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