电气设计中的安全及节能问题探讨

我国目前的配电网中，主要电压等级包括35kV、10kV和380/220kV，其中35kV电压等级的主要作用是进行远距离电能的传输，10kV与380/220kV是配电网的主体，与用户有着直接的联系。电能在向用户传输过程中，会经过导线、开关、变压器等各种设备，即有可能发生安全事故，也会出现一定的损失，因此进行高质量的电气设计至关重要。做好电气设计工作，对未来工程建设的周期、质量及投入使用后的安全性及经济效益起着决定作用。本人结合多年实践经验，对电气设计中的安全及节能问题进行探讨。
　　1、电气设计中的安全问题探究
　　1.1 防人身电击
　　电气设备在运行过程中，很可能出现绝缘破损而导致导线外漏，这就容易通过直接接触或间接接触对人身造成电击。为了避免此种情况出现对人身造成威胁，在进行电气设计时，通常在电源处设计电流防护电器或漏电保护器（RCD），然而这两种方法也存在一定的局限性。例如：对于TN系统，在PE线引入故障电压而对人身造成的伤害不能起到有效的保护，究其原因，主要在于设备回路上并没有剩余电流。为了弥补上述存在的弊端，在进行电气设计时可以采用总等电位联结方式。采用这种联结方式后，能够有效降低人身电击的危险，并能消除由于外部的危险电压而造成的危害。
　　1.2 防电气火灾
　　电气设备或输电线路在运行过程中，由于故障而发生的电气火灾时有耳围。通常情况下，发生此类故障的情况有两种：短路与接地故障。若出现短路故障，配网安装的短路保护其能够自动切断电源，避免火灾的发生；若出现接地故障，尤其是电弧性接地故障，由于其短路电流比较小，难以达到短路器切断的阈值，因此具有较大的危险性。因此，在进行设计时，可在住宅电源进线处安装额定动作电流为500mA的选择型RCD，同时设定延时为0.2-0.4s，同时住宅总电源进线处的第二级RCD还能做为前述保护的后备保护。
　　1.3 防雷保护
　　为了避免雷击引发事故，在进行电气设计时通常装设SPD。安装SPD选型的基本原则包括以下两个：第一，确定电压保护残压，防止其超过被保护设备的耐压等级；第二，确定最大放大电流，根据雷击电能的不同等级进行分级保护，防止损坏电气设备。
　　2、电气设计中的节能问题探究
　　作为二次能源的电能，在进行设计时如何能既不损害建筑物的功能，也不盲目追加投资，达到最高的性价比是电气设计的关键环节。本人结合多年的工作实践经验，认为电气节能设计必须把握以下原则：满足功能、经济合理及技术先进。具体来说，可从以下几个方面采取节能措施，并将其应用到实际工程设计中去。
　　2.1 变压器的选择
　　变压器要进行有效的节能，关键是要降低有功功率的损耗。变压器的有功功率损耗表达式如下：
　　该式中， 分别表示变压器的有功损耗、空载损耗、有载损耗及负载率。 指通常的铁损，包括涡流损耗及漏磁损耗两部分，由制作工艺决定，与电网中负荷无关，损耗量基本为固定值，所以在进行变压器的选择时，设计应该首选低损耗的节能变压器。 指通常的线损，与变压器绕组电阻大小及电流有关，据此在选择变压器时，应该选择阻值相对比较小的铜芯然组变压器，通过对 求微分计算可知，当β的值为50%时的能耗最小，但是若根据此选择变压器，
　　存在以下两方面弊端：第一，没有考虑到其经济效益；第二，仅降低了线损，并没降低铁损，所以没有起到很好的节能效果。
　　综合多种因素，笔者认为在选择变压器时，应该注意考虑以下几点：第一，通常选择在变压器的负载率β在75%～85%为宜，这样选择即节省投资，又能物尽其用；第二，若负载率低于30%时，应该根据具体负荷选择容量较小的变压器；第三，若负载率高于80%并通过计算不利于经济运行时，可放大一级容量选择变压器；第四，若容量巨大必须选择数量较多的变压器时，可以对负荷进行合理分配，尽量减少变压器的数量。例如：若配电网的装机容量为2000kVA，可以选择两台容量为1000kVA的变压器，而不选择四台容量为500kVA的变压器，主要原因在于前者的性价比高于后者。
　　2.2 合理设计供配电系统及线路
　　根据配网区域负荷分布特点、供电距离等综合因素，合理设计节能效果较好的供配电系统及供电电压。供配电系统的选择应该简捷，能采用一级供电的尽量不采用两级供电；导线横截面的选择通常根据单位面积经济电流的密度来确定，但是由于通常供电线路比较长，因此供电线路的损耗在设计时必须足够重视。线路损耗计算公式为：
　　由上式可知，为了降低输电线路的损耗，必须考虑ρ，L，S 的影响因素。
　　（1）选用ρ较小的材质做导线。在常用的金属导线中，铜的电导率最小，但是同时还 需考虑投资成本。因此在进行具体选择时，对于负荷较大的一、二类建筑，通常选择铜导线；对于负荷较小的三类建筑物，通常选择铝芯导线。
　　（2）减少输电线路的长度L。通常可采取以下措施：变配电所尽可能的靠近负荷中心；供电线路尽量选择直线，少走弯路，少走回头线，最大限度降低线路损耗。
　　（3）增大线缆横截面积S。若供电线路较长，可根据实际情况将线缆截面增加一级；合理调节季节性负荷、最高效的利用供电线路。
　　在进行电气设计时，积极采取合理措施，最大限度降低电能损耗，达到节能目的。
　　2.3 提高系统的功率因数
　　（1）提高功率因数的重要性及现实意义
　　若供电线路中每相电阻为R，系统的功率损耗如下式所示： 　　上式中， 分别表示供电线路的功率损耗、有功功率、线电压、线电流及负荷的功率因数。由上式可知，若P恒定，则系统的 值越大，功率损耗越小，由此可知，提高功率因数能有效降低损耗，起到节能效果。若U，P恒定，改善前后的功率因数分别为 ，则供电系统的功率损耗可用下式进行计算：
　　（2）提高功率因数的具体措施
　　要提高系统的功率因数，可采取以下几种措施：
　　第一，减少无功消耗，提高功率因数。具体作法如下：正确设计、合理选用变流装置；避免电动机及电焊机的空载运转；在条件许可的情况下，可以选择使用功率因数比较大的等容量同步电动机取代异步电动机；荧光灯尽量选用谐波系数不超过15%的电子镇流器等。
　　第二，采用静电电容器进行无功补偿。对于高压供电及带有负荷调整的用户，高峰时的功率因数不能小于0.9.若自然功率因数难以满足上述条件时，可进行人工无功补偿。经过长期实践表明，每千乏补偿电容每年能够节省电能为150～200kW.h，应该进行大力推广。要特别注意的是，尽量就地安装无功补偿装置，这样能有效减少传输过程中的损耗。
　　2.4 照明部分的节能
　　在城区供电系统中，照明范围广、耗电量大，因此照明节能具有很大的潜力。在照明系统满足基本的照度、色温等基本要求后，应该从下面几方面进行节能设计：
　　（1）选择采用高效光源。根据不同的工作场所，选择不同的光源。例如：对于室内照明，通常宜选择白炽灯；对于室外场所的照明，宜选择高光强的气体放电灯等。
　　（2）选择采用高效灯具及合理的照明方案。除了装饰之外，尽量选择直射光通比例高、配光特性稳定的高效灯具；对于照明方案的选择，尽量选择光通系数较高的布灯方案。
　　2.5 电动机的节能
　　电动机若选择不合理，也会造成极大的电能损失，因此电动机的选择至关重要。通常选择满足下述要求的高效电动机：第一，负载率大于0.6；第二，每年连续运行时间不低于三千小时；第三，运行过程中尽量少频繁起动、制动；第四，单机容量相对较大。
　　综上所述，电气设计的安全、节能设计在整个配电网设计中起着重要作用。在进行电气设计时必须严格按照标准、规范，采取有效措施避免造成伤害；在进行节能设计时，相关工作人员必须精心比较各种方案，提出切实可行的节能措施，以达到真正节能的目的。