1、电气设计的节能与安全问题探讨 摘要：本文结合目前住宅对电气设计的要求，对电气设计的节能与安全问题进行了深入详细的分析和探讨，并进行了总结。 关键词：电气设计；节能方式；安全因素 1 前言 :随着经济的快速发展，节能与安全是电气设计师在设计时首先要考虑的问题。住宅电气能耗主要表现在入户前供配电系统和供电线路，因此主要考虑是节能和安全，而入户后由于电压负荷的相对固定，节能在设计时空间相对较少，设计师主要考虑室内住户的用电安全和方便。 2 供配电系统设计时的节能措施 2.1 现代住宅配电方式 配电电压是指向用户或用户内部向用电设备配电的电压等级，它分高压(35kV 110kV)、中压 (6kV 10
2、kV)和低压 (380V 660V1 配电电压。现代住宅一般采用两路 10kv 电源，一用一备， 2台变压器同时运行，分别带各自负荷。低压母线侧由 3QF联络开关联络，当一台变压器发生故障时，另一台变压器能带动全部负荷的 5O。带电梯的高层住宅还配备了应急电源或柴油发电机，电源通过 ATS实现自动切换，以保证照明供电的连续性。在电气设计时，可以从以下几个方面考虑节能措施： 2.2 简化电压等级，配电电压直接引入负荷中心 线路输送相同的功率或容量，流过较高电压等级线路的电流较小，从而功率损耗和电能损耗较小。一般情况下有限采用较高电压配电，如中压配电优先采用 10kV配电 电压，条件允许也可采用
3、35kV作为高压配电电压直接深入负荷中心的方式。用户负荷较大或用户内部区域较大时，采用中压向用户或用户建筑物配电。 确定供电方案时，采用了建一个高压配电所，通过高压配电设备及高压电缆，送配到各单位工程旁 (内 )的变配电室，取得了很好的运行效果。 2.3 配电变压器的选择和经济运行 2.3.1 变压器的选择 变压器是电压变化设备，特别是 10kV 和 35kV 电压等级的变压器，在电力和配电系统中普遍使用，数量巨大，由于使用量大，运行时间长，变压器在选择和使用上 存在着巨大的节能潜力，特别是量大面广的 10kV 和 35kV级变压器。选择高效节能产品，不但对节约能源具有重要意义，同时还可以大大
4、降低变压器的营运成本，是企业改善经济效益的重要途径。因此，选择变压器时，应选用低损耗节能型变压器，如 S9 系列或 S10 系列、 S11系列。 SL7、 S7型变压器及以前的高损耗变压器已由国家先后公布淘汰，停止其生产和销售，不再采用。对于高层建筑、地下建筑等单位及对消防要求较高场所，宜采用低损耗节能型干式电力变压器 (SG10、 SG11ch 等系列。对电网电压波动较大，为改善电能质量采用有载调压电 力变压器。变压器的效率为： 效率随负载率 和负载功率因素 COS2 化，当不变损耗等于可变损耗时，变压器的功率最高。变压器的最高效率一般设计在 =0.5 0.6处。变压器的效率曲线顶部较平坦，
5、选择变压器容量时，其负载率 一般不宣大于 0.7。 2.3.2 电力变压器的经济运行 电力变压器在电能损耗低的状态下的运行称为电力变压器的经济运行。变压器的损耗包括有功损耗和无功损耗两部分，而无功损耗也对电力系统产生的附加的有功损耗，变压器的有功损耗加上无功损耗产生的附加有功损耗，称为变压器综合 有功损耗。变压器单位容量的综合有功损耗最小时的负荷称为变压器的经济负荷 Sec.T。变压器经济负荷与变压器额定容量之比，称为变压器的经济负荷率单台变压器运行的经济负荷为 一般电力变压器的经济负荷率为 50左右。对于新型节能变压器，经济负荷率比老型号的低。若按此原则选择变压器，则使初投资加大，基本电费也
6、增多。因此变压器容量的选择要多方面增和考虑，初装负荷率大致在70左右比较适合我国国情。两台同型号同容量的变压器经济运行的临界负荷为 当变压器负荷 SSa 时，宜二台运行。 2.4 配电线 路导线、电缆的选择和节能运行 2.4.1 按最优经济电流密度选择导线、电缆截面 建设电力线路，除了必须满足安全可靠和技术要求外，还要考虑经济性。经济性既要节约投资费，又要减少年运行费。因此，存在一个按经济电流密度选择导线、电缆截面，从而使电力线路建设经济上最优。但是，经济电流密度的确定很复杂。我国目前按最大负荷利用小时数 Tmax 查经济电流密度选择导线、电缆截面。然而，多年的设计和运行表明，该经济电流密度是
7、有缺陷的，它没有考虑电力线路的电压等级和投资、负荷的功率因数等因素对经济电流密度的影响 。因此，据此选择导线、电缆截面虽经济，但不是最优。最优经济电流密度要同时考虑投资费和年运行费。电力线路的投资费 Z与导线、电缆截面有关，可近似用导线、电缆截面 S的依次函数来表示，即 Z=aS+b (4) 式 (4)中， a为投资截面系数， b 为投资常数。电力线路的年运行费 F包括线路的年折旧维护管理费 Fv和年电能损耗费 Fs。线路的年折旧维护管理费由线路的年折旧费、维护修理费和管理费组成，它们一般用线路投资费百分数计算，即 FY=KYZ (5) 线路的年电能损耗费由下式计算 式 (6)中， lmax
8、为线路最大负荷电流， 为导线电阻率， 为最大损耗时间， 为电价。最优经济电流密度的目标函数 (综合计算投资 )为 mniV=aZ+F (7) 式 (7)中， a为补偿系数， a=1/TT，为补偿年限。 由目标函数可求得最优经济电流密度为 由最优经济电流密度，可求得导线、电缆截面，达到电力线路建设经济上的最优。 2.4.2 配网的节能设计 配网的经济运行，在不考虑供电成本是使配网的有功损耗最小，其目标函数为 式 (9)中， Ri、 Ui、 li、 Pi、 Q分别为支路的电阻、电压、通过的电流、有功功率和无功功率。配网一般为闭环结构，开环运行。因此，配网的经济运行主要是确定配网的开环点。计算配网开
9、关全部合上构成环网的潮流分布，求出环网的最低电压节点和功率分点。配网以最低电压节点和功率分点为环网的环点运行。由式 (9J 可见，配网的有功损耗与运行电压的平方成反比，因此，在允许电压偏差范围内，适当提高运行电压，采用逆调压方式，也可减少有功损耗。 2.5 电压调节和无功补偿 在配网的配点变压器或用户变电所安装无功补偿装置，就地补偿无功 功率，实现电容器自动投、切控制，使配网输送的无功功率达到最低限度，可大大减少线路的有功损耗，达到降损节能的目的。在安装有截调压电力变压器的变电所，应采用电压 无功综合装置，根据电压一无功八区图，如图 1所示 (图 1八区图中 A区电压和无功都合格， I、 ll
10、区电压合格无功不合格， 、 VI 区电压不合格无功合格， V VIlI 区电压和无功都不合格 )，进行电压一无功智能或模糊或专家系统控制，实现电压一无功综合优化控制，有明显的节能效果。 3 户内电气设计时的节能安全考虑 住宅电气安全涉及到千家万户，住宅卫生 间一般均带有淋浴或洗浴设备，在国际电工标准中属于特殊场所，对住宅电气安全影响较大，在设计中更应引起重视。 3.1 住宅内电气火灾的安全防范设计 常见电气火灾起因是短路、过负荷、线路连接不良或设备布置不当。短路、过负荷一般会引起线路保护电器动作，但短路、过负荷对线路绝缘损害较大，往往引起电弧性短路或接地故障，线路保护电器如无漏电保护功能则不动
11、作，不能切除事故隐患。为此， GB500961999 住宅设计规范规定，导线应采用铜线，每幢住宅的总电源进线断路器应具有漏电保护功能，特别是 “ 总电源进线断 路应具有漏电保护功能 ” ，反响较大，因漏电引起供电中断而拆除漏电保护的情况也常常出现，因此有不少人对 “ 总电源进线断路器应具有漏电保护功能 ” 提出质疑。其实，该条的主要目的是防电气火灾，采用 300mA 或 500mA 甚至可达 1A 的动作电流量是对三相而言的，漏电电流是相量总和而不是简单相加，如果采用的产品和线路敷设没出问题，是不会起误动作的。线路的接地故障在电气火灾事故起因中位于首位，根据负荷情况，漏电保护或作用于报警或作用
12、于跳闸，对于电气火灾的防范起到了定的作用。 2.2 设计对卫生间电气安全足够重视 住宅设计规范修订版中对带洗浴设备的卫生部要求由原来 “ 宜做等电位联结 ” 改为 “ 应做等电位联结 ” ，是比较合理的。浴室内人体阻抗因皮肤浸湿而显著降低，而人体又可能接触带不同电位的金属管道和构件，电击危险甚大，等电位联结能够显著降低接触电压，而增加此部分内容对于造价增加微乎其微。目前国家标准图集 02D5012 等电位联结安装已有标准做法供参考，也为大家熟知。但规范对于浴室电气设计的相关内容不详，也为大家所熟知。但规范对于浴室电气设计的相关内容不详，参考最新 IEC柿隹 2005 年 12月 16 日的 E
13、IC603647701ED2. FDSI 简述如下。 3.2.l 浴室内的区域按电击危险程度，可划分为 A.B.C 三个区 : 1)A 区 浴盆或淋浴内部：无浴盆的浴室为平面范围与 B 区 一致，距地 10cm 的区域。 2)B 区 围绕浴盆或淋浴盆外边缘的垂直面内，其高度止于防地面2.25m 处：无浴盆的浴室为距淋浴喷头 1.2m 的垂直面内，其高度止于离地面 2.25m 处， B区 不包含 A 区。 3)C 区 B 区 至离 B区 0.6m 的平行垂直面内，其高度止于离地面2.25m 处；无浴盆的浴室无 C区。 3.2.2 防电击措施 3.2.2.1在 A区内只允许用 12V及以下的隔防特
14、低电压 SELV(即不接地的特低电压 )供电，其电源 (例如隔离特低电压变压器 )应设置在 A区以外。 3.2.2.2A区及 B区 内不允许装设插座，在 C区装设插座应符合下列条件之一： a.由隔离变压器供电； b.由特低电压 (SELV)供电，此种特低电压的回路导体不接地 ic用 .额定动作电流 ln30mA 的漏电保护器作接地故障保护。 3.2.2.3 在 A 区、 B区 及 C区内应作局部等电位联结，外露导电部分和可触及的外 界导电部分应与保护导体连接。 3.2.2.4 如用特低电压供电，仍需采取防直接接触电击措施，即应符合下列要求之一： a 设 .置防护等级不低于 IP2X 的遮拦或外
15、护物： b 采用能耐受持续 1min 的 500V 电压绝缘。 3.3 设计时电气设备、线路的选用和安装安全性措施 3.3.1.电气设备至少应具备的防水等级： A 区为 IPX7 级， B区 为 PIX4级， C 区为 PIX4 级 (在公共浴室内为 PIX5 级 )。 3.3.2 用电设备的安装要求： a在 .A 区内只允许装设专用于浴盆内的用典设备，同 时应满足相关标准及厂商要求，固定永久性连接并由交流 12V或直流 30V以下的隔离特低电压 SELV供电。 b在 .B区 内的用典设备应固定永久性连，应采用满足厂商要求适用于 B 区 的设备。 c在 .C 区内可装设电热水器和 Il 类防电
16、击类别的照明器。 3.3.3 浴室内的明敷线路和埋墙尝试不超过 50mm 的暗敷线路应符合要求a.应采用无金属外皮的双重绝缘线路，例如套绝缘管的绝缘电线或具有非金属护套的多芯电缆； b在 .A区、 B区 及 C区内不应通过与该区内用电设备无关的线路。 3.3.4开关和附件的安装要求 a： .在 A区内严禁安装开关和附件。 b.在 B区 安装的接线盒或装置应满足 2)中用电设备的安装要求。 C.在 C 区内安装：除插座外的附件；附件、插座由 SELV 或 PELV 供电，其电源设置在 A 区和 B区 以外；刮须插座：附件、包括给信息设备供电的插座应由 SELV 或 PELV供电。 d.当浴室内有成品组装式沐浴小问时，开关和插座的安装位置应至少离淋浴间的门口 0.6m。 应住宅电线大多采用暗敷设在墙或地板内，通过采取以上安全性措施，室内用电安全会有更大的保障。 4 结语 节能与安全已成为电气设计师不断研究解决 寻求创新的课题，因此无论是供配电系统，供电线路的选择还是住宅室内电气设计都应根据实际情况从技术层面上进行科学合理的验算，以实现住宅电气的优化设计，从而达到安全、节能、经济的设计要求。 注：文章内所有公式及图表请以 PDF 形式查看。
