電氣系統設計中的對立統一思想探討

沈春山，王永梅，焦俊

摘要：從唯物辯證法的對立統一學說角度考慮，有助于深入理解電氣系統的設計理論。以電氣系統設計的典型環節為例，重點討論了負荷計算，電纜選擇以及低壓安全、電機選擇、照明設計等環節中的對立統一思想。通過引入電氣系統設計中的這類哲學思考，有效地幫助了學生更加深入和系統地掌握各部分知識的本質和聯系。

關鍵詞：電氣系統;供配電;對立統一;教學

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0154-02

1 引言

科技的進步與人類對世界本源的認識密切相關，科技哲學和當今科學技術的發展是緊密聯系的[1]。在重大的產業領域，如智能農業、工業4.0等，唯物辯證法正在指導科學創新發展[2]。

理解科學技術理論背后的哲學思想，有助于我們系統掌握科學體系并發現新的問題。將唯物辯證法思想貫穿到教學設計過程中，在工學專業課程的實際教學中已經被采用并取得效果。文獻[3]剖析物理實驗課程實際案例中蘊含的哲學思想，向學生展示和傳播哲學思想。文獻[4]從對立統一關系、質量互變、否定之否定三個方面分別列舉了物理學中的典型案例，幫助學生掌握物理學定律。文獻[5]把唯物辯證法思想應用于自動控制理論課堂教學中，介紹了自動控制系統組成、分析和設計背后的哲學思想，并應用否定之否定規律不斷持續優化課程教學文件。文獻[6]挖掘橋梁檢測與加固技術課程教學中所蘊含的辯證唯物主義思想，將本質和現象、內容與形式、原因和結果、必然性與偶然性、可能性與現實性這五大范疇融入有關橋梁專業課程教學，探討工程教育的理念創新、模式創新。文獻[7]提煉工程材料課程中的唯物辯證法知識，將其與材料科學專業知識相結合，有助于提升學生綜合思維能力。

矛盾學說即對立統一規律學說是唯物主義辯證法理論的核心內容[8]，有效地指引我們認識客觀世界。電氣系統作為工業發展的重要基礎領域，應在大學培養階段，與思政課程同向同行，積極開展課程思政教學。本文探究電氣系統中的唯物辯證法思想，從矛盾的同一性和斗爭性的問題、矛盾的普遍性和特殊性問題兩個方面出發，通過分析負荷計算，電纜選擇，以及低壓安全、電機選擇、照明設計等環節中的對立統一規律，幫助學生運行唯物辯證法思想更加深入和系統地掌握專業知識。

2 矛盾的同一性和斗爭性

電氣系統設計是一個非常廣闊的概念，涉及從發輸電到供配電系統的眾多環節，例如負荷計算、電纜選擇、電壓配電安全設計、電機選擇、照明設計，以及智能化設計等。在設計過程中，通常要考慮各組成部分或者多個因素的綜合影響，這些因素彼此可能是矛盾的，既相互排斥，又相互合作，設計時需要協調彼此，尋找一個合適的狀態，以滿足系統的要求。

如電纜選擇需要考慮電壓降、載流量、熱穩定、經濟電流密度、機械強度、敷設條件等因素影響。電壓降、載流量、熱穩定是從電氣系統能夠穩定可靠運行的角度考慮電纜截面，經濟電流密度是從運營費用、節能的角度考慮電纜截面選擇，相互之間可能會有沖突。因此規范建議，在滿足電壓降、載流量、熱穩定要求的情況下，按照經濟電流密度選取，且選擇較接近的一檔截面[9]。

電機容量選擇通常經過功率初選、發熱校驗、過載、啟動、最大轉矩校驗等環節，如在功率初選階段，按公式P=M*N/9550確定初選功率，其中M為額定轉矩、N為額定轉速。在功率一定的情況下，轉矩和轉速是一對相互制約的量。

從電擊防護安全的角度考慮，低壓配電TT系統中電源側和用戶設備側的接地電阻存在矛盾關系，規范要求滿足公式RA*Ia<=50V，其中RA表示為外露可導電部分的接地電阻和保護導體電阻之和，Ia為故障回路的動作電流。但并不是說要求用戶側設備接地電阻越小越好，該公式主要是為了說明使與保護連接的設備外露可導電部分的對地電壓不超過50V，而所有與系統電源側接地極并聯的接地電阻應該越小越好[10]。

照明系統設計中非常重要的環節是平均照度設計，一般有平均照度Eav下限的要求，但同時考慮的綠色環保，對照明功率密度LPD有限制要求，Eav和LPD這時就存在制約關系，一方面滿足LPD限值就需要Eav的設置上限，而照度要求需要Eav設置下限，此時需要按照有關規范要求綜合考慮選擇燈具類型和數量[11]。

電氣系統設計中諸如此類的情況較多，需要設計者具有較高的綜合分析能力，在大學課程教學階段，引導學生利用對立統一的思想去分析和總結問題，逐步提供其綜合設計能力。

3 矛盾的普遍性和特殊性

矛盾的普遍性和特殊性涉及的概念較多，其中一個重要的概念是主要矛盾和次要矛盾，他們之間相互依存、相互影響、相互轉化。在電氣系統設計時，在分析和解決問題時，要看到主要矛盾和矛盾的主要方面，堅持和抓住重點，又要看到次要矛盾和矛盾的次要方面，全面地看問題，特別是注意兩者的轉化條件[8]。下面具體分析某負荷計算案例，闡述抓住主要矛盾的思想。

案例分析：某地區新建一棟高度為66米住宅建筑，地下一層設置10kV變電站一座，10kV部分采用單母線接線，設置10/0.4主變一臺，正常可以帶全部負荷運行。變電站0.4kV另設置柴油發電機一臺滿足重要負荷的應急供電。假設已經計算出變電站負荷中一級二級負荷為96.6kW（除消防負荷），消防負荷為118kW（其中含火災時未切除的非消防負荷12.75kW）。負荷率取1，發電機額定功率因素取0.85，總負荷的計算效率取0.8，請按照穩定負荷計算發電機組的最小容量（不考慮海拔和連續運行等降容情況）。

根據《民用建筑電氣設計規范》JGJ16-2008-3.5.1條規定，一二級負荷確定應急電源容量，這個一二級負荷也就是應急電源正常范圍內的負荷。另《工業與民用供配電設計手冊》第四版規定負荷計算時一般不包括平時使用很少的消防設備。如何確定該案例中的柴油發電機容量，我們需要從問題的主要矛盾入手。應急發電機工作時是應對緊急情況的，這種緊急情況包括變電站故障斷電、火災產生等情況，前者需要柴油發電機為所有平時工作的一二級負荷供電，如疏散照明、備用照明、普通客梯等，后者為發生火災情況下的消防設備供電，如消火栓水泵、噴淋水泵以及消防時不切除的安防系統用電設備等。負荷最大的情況，就是柴油發電機容量選擇的主要矛盾。因此《民用建筑電氣設計規范》JGJ16-2008-3.5.3條規定：（1）消防設備負荷大于火災切除的非消防設備負荷時，計算負荷取“消防設備負荷+火災時未切除的非消防設備負荷”;（2）消防設備負荷小于火災切除的非消防設備負荷時，可不計入消防設備負荷。按照上述規定，也就是柴油發電機取下述兩者情況較大值：（1）非消防設備負荷;（2）消防設備負荷與火災時未切除的非消防設備負荷之和。矛盾轉換的臨界條件就是大小比較。