电气系统设计中的对立统一思想探讨

沈春山，王永梅，焦俊

摘要：从唯物辩证法的对立统一学说角度考虑，有助于深入理解电气系统的设计理论。以电气系统设计的典型环节为例，重点讨論了负荷计算，电缆选择以及低压安全、电机选择、照明设计等环节中的对立统一思想。通过引入电气系统设计中的这类哲学思考，有效地帮助了学生更加深入和系统地掌握各部分知识的本质和联系。

关键词：电气系统;供配电;对立统一;教学

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）19-0154-02

1 引言

科技的进步与人类对世界本源的认识密切相关，科技哲学和当今科学技术的发展是紧密联系的[1]。在重大的产业领域，如智能农业、工业4.0等，唯物辩证法正在指导科学创新发展[2]。

理解科学技术理论背后的哲学思想，有助于我们系统掌握科学体系并发现新的问题。将唯物辩证法思想贯穿到教学设计过程中，在工学专业课程的实际教学中已经被采用并取得效果。文献[3]剖析物理实验课程实际案例中蕴含的哲学思想，向学生展示和传播哲学思想。文献[4]从对立统一关系、质量互变、否定之否定三个方面分别列举了物理学中的典型案例，帮助学生掌握物理学定律。文献[5]把唯物辩证法思想应用于自动控制理论课堂教学中，介绍了自动控制系统组成、分析和设计背后的哲学思想，并应用否定之否定规律不断持续优化课程教学文件。文献[6]挖掘桥梁检测与加固技术课程教学中所蕴含的辩证唯物主义思想，将本质和现象、内容与形式、原因和结果、必然性与偶然性、可能性与现实性这五大范畴融入有关桥梁专业课程教学，探讨工程教育的理念创新、模式创新。文献[7]提炼工程材料课程中的唯物辩证法知识，将其与材料科学专业知识相结合，有助于提升学生综合思维能力。

矛盾学说即对立统一规律学说是唯物主义辩证法理论的核心内容[8]，有效地指引我们认识客观世界。电气系统作为工业发展的重要基础领域，应在大学培养阶段，与思政课程同向同行，积极开展课程思政教学。本文探究电气系统中的唯物辩证法思想，从矛盾的同一性和斗争性的问题、矛盾的普遍性和特殊性问题两个方面出发，通过分析负荷计算，电缆选择，以及低压安全、电机选择、照明设计等环节中的对立统一规律，帮助学生运行唯物辩证法思想更加深入和系统地掌握专业知识。

2 矛盾的同一性和斗争性

电气系统设计是一个非常广阔的概念，涉及从发输电到供配电系统的众多环节，例如负荷计算、电缆选择、电压配电安全设计、电机选择、照明设计，以及智能化设计等。在设计过程中，通常要考虑各组成部分或者多个因素的综合影响，这些因素彼此可能是矛盾的，既相互排斥，又相互合作，设计时需要协调彼此，寻找一个合适的状态，以满足系统的要求。

如电缆选择需要考虑电压降、载流量、热稳定、经济电流密度、机械强度、敷设条件等因素影响。电压降、载流量、热稳定是从电气系统能够稳定可靠运行的角度考虑电缆截面，经济电流密度是从运营费用、节能的角度考虑电缆截面选择，相互之间可能会有冲突。因此规范建议，在满足电压降、载流量、热稳定要求的情况下，按照经济电流密度选取，且选择较接近的一档截面[9]。

电机容量选择通常经过功率初选、发热校验、过载、启动、最大转矩校验等环节，如在功率初选阶段，按公式P=M*N/9550确定初选功率，其中M为额定转矩、N为额定转速。在功率一定的情况下，转矩和转速是一对相互制约的量。

从电击防护安全的角度考虑，低压配电TT系统中电源侧和用户设备侧的接地电阻存在矛盾关系，规范要求满足公式RA*Ia<=50V，其中RA表示为外露可导电部分的接地电阻和保护导体电阻之和，Ia为故障回路的动作电流。但并不是说要求用户侧设备接地电阻越小越好，该公式主要是为了说明使与保护连接的设备外露可导电部分的对地电压不超过50V，而所有与系统电源侧接地极并联的接地电阻应该越小越好[10]。

照明系统设计中非常重要的环节是平均照度设计，一般有平均照度Eav下限的要求，但同时考虑的绿色环保，对照明功率密度LPD有限制要求，Eav和LPD这时就存在制约关系，一方面满足LPD限值就需要Eav的设置上限，而照度要求需要Eav设置下限，此时需要按照有关规范要求综合考虑选择灯具类型和数量[11]。

电气系统设计中诸如此类的情况较多，需要设计者具有较高的综合分析能力，在大学课程教学阶段，引导学生利用对立统一的思想去分析和总结问题，逐步提供其综合设计能力。

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较多，其中一个重要的概念是主要矛盾和次要矛盾，他们之间相互依存、相互影响、相互转化。在电气系统设计时，在分析和解决问题时，要看到主要矛盾和矛盾的主要方面，坚持和抓住重点，又要看到次要矛盾和矛盾的次要方面，全面地看问题，特别是注意两者的转化条件[8]。下面具体分析某负荷计算案例，阐述抓住主要矛盾的思想。

案例分析：某地区新建一栋高度为66米住宅建筑，地下一层设置10kV变电站一座，10kV部分采用单母线接线，设置10/0.4主变一台，正常可以带全部负荷运行。变电站0.4kV另设置柴油发电机一台满足重要负荷的应急供电。假设已经计算出变电站负荷中一级二级负荷为96.6kW（除消防负荷），消防负荷为118kW（其中含火灾时未切除的非消防负荷12.75kW）。负荷率取1，发电机额定功率因素取0.85，总负荷的计算效率取0.8，请按照稳定负荷计算发电机组的最小容量（不考虑海拔和连续运行等降容情况）。

根据《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008-3.5.1条规定，一二级负荷确定应急电源容量，这个一二级负荷也就是应急电源正常范围内的负荷。另《工业与民用供配电设计手册》第四版规定负荷计算时一般不包括平时使用很少的消防设备。如何确定该案例中的柴油发电机容量，我们需要从问题的主要矛盾入手。应急发电机工作时是应对紧急情况的，这种紧急情况包括变电站故障断电、火灾产生等情况，前者需要柴油发电机为所有平时工作的一二级负荷供电，如疏散照明、备用照明、普通客梯等，后者为发生火灾情况下的消防设备供电，如消火栓水泵、喷淋水泵以及消防时不切除的安防系统用电设备等。负荷最大的情况，就是柴油发电机容量选择的主要矛盾。因此《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008-3.5.3条规定：（1）消防设备负荷大于火灾切除的非消防设备负荷时，计算负荷取“消防设备负荷+火灾时未切除的非消防设备负荷”;（2）消防设备负荷小于火灾切除的非消防设备负荷时，可不计入消防设备负荷。按照上述规定，也就是柴油发电机取下述两者情况较大值：（1）非消防设备负荷;（2）消防设备负荷与火灾时未切除的非消防设备负荷之和。矛盾转换的临界条件就是大小比较。