电气设计中的安全及节能问题探讨

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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。
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