筆者在撰寫本文期間,受組織安排到全國貧困程度最深的“三區三州”之一的XX自治縣進行為期兩年的幫助脫貧攻堅工作。在此期間,筆者看到在國家脫貧攻堅和鄉村振興戰略的帶動下,農村用電正飛速發展,同時有機會廣泛、深入地了解到目前農村用電還存在諸多亟待解決的問題。建筑電氣行業的關注點往往集中在大城市、大項目,而經濟相對落后、電力基礎設施薄弱、科學安全用電知識缺乏的廣大農村卻未得到足夠的關注,因此,擬以此文與業界同行共同分析和探討農村電氣設計思路,借國家大力推行鄉村振興戰略的良機,為農村電氣設計提供參考。

鄉村振興戰略簡述

鄉村振興戰略是2017年在黨的十九大報告中提出的國家戰略,其最終目標就是要不斷提高村民在產業發展中的參與度和受益面,徹底解決農村產業和農民就業問題,確保當地群眾長期穩定增收、安居樂業。隨著農村居民消費進入電氣化時代,農村電力能源消費比重不斷增加,即便在偏遠山區,人們生產生活對電能的依賴也并不比大城市小,電能早已成為廣大農村使用最廣泛的能源。電力已成為與農村產業發展、農民安居樂業密不可分的關鍵因素。

農村用電現狀及存在的主要問題

電力供應量不足

據國家電網公司測算,至2020年,農村居民生活用電量將達到6 184億kWh,較2014年增長56 %,年均增長7.7 %。與農村電力消費量快速增長形成巨大反差的是由于農村電力基礎設施建設薄弱,導致部分鄉鎮、農村長期電力供應不足,給當地居民的生產生活造成影響。

以XX為例,XX國土面積1939.94 km2,共有1149戶、4112人。目前,XX電力供應與外界電網完全隔離,全鄉用電靠XX和XX兩座小水電站20 kV孤網運行,處于只能靠自給,但遠遠不能自足的狀況:XX電站發電機裝機容量2×320 kW,變壓器裝設容量2×800 kVA;XX電站發電機裝機容量3×320 kW,變壓器裝設容量2×1 000 kVA;另配400 kW發電車一輛,200 kW儲能電站一座。全鄉全部供電能力2 200 kW,在用電負荷較大的冬季,江水流量較小,電站只能單機運行,發電能力更加捉襟見肘,電力供應不足情況更加嚴峻,不得不拉閘限電。2018年全鄉生產生活用電3 538 477 kWh,人均用電860 kWh / 年,而2018年全國人均用電量約4 800 kWh,XX僅為其17.9 %;2018年云南省人均用電量約3 650 kWh,XX僅為其23.6 %。

電能質量難保障

農村低壓電網電能質量問題主要體現在電壓偏低和頻率波動兩個方面。

農村電網處于電力系統的末端,發生低電壓運行的可能性較大。造成電壓偏低的主要原因有:導線截面不當,線損過大;無功負荷較高而補償容量不足;低壓供電距離過長;生產負荷季節性集中;三相負荷不平衡,引起中性點偏移等。農村電網長期低電壓運行的危害主要有以下幾方面:繼電保護動作,大量甩負荷,大面積停電;無功電力輸送增加,有功電力輸送減少;線路輸送無功增大,增加線損;電動機不能正常工作,甚至燒毀;影響家電及照明設備正常使用,壽命縮短。

造成頻率變化的原因主要是孤網自平衡能力差,較小的不平衡力矩會引起較大的發電機轉速變化,導致頻率出現較大幅度的波動,影響系統頻率變化的關鍵因素是負荷與發電機出力之間的不平衡量。頻率升高會導致電動機的轉速升高,容易過載燒毀,頻率降低會導致電動機的轉速降低,甚至不能正常工作,發電機的電動勢下降致使全系統的電壓水平大為降低,可能出現電壓崩潰現象,使整個系統瓦解,而頻率的上下波動則會導致感應式電能表的計量誤差加大,頻率改變1 %,感應式電能表的計量誤差約增大0.1 %。按照國家標準GB / T 15945 - 2008《電能質量電力系統頻率偏差》規定,正常頻率偏差限值為 ±0.2Hz,當系統容量較小時,可以放寬到±0.5Hz,但在如獨龍江這樣的孤網運行地區,供電頻率的偏差遠大于此。

用電安全存在的隱患

>>>>人身安全方面隱患

農村建筑中亂拉亂接電線現象非常普遍(如圖1所示),布線不規范、導線缺乏必要的保護,并且線路接頭處理不規范,絕緣得不到保障,增加了發生觸電事故的概率。同時,保護人身安全的剩余電流動作保護裝置并未完全普及(如圖2所示),在發生漏電時不能及時切除故障電路,一旦觸電,人身安全將受到威脅。

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>>>>設備安全方面隱患

由于電網供電質量難保證,導致用電設備長期在不正常電壓、不正常頻率狀態下運行,使用壽命大為縮短。另外,目前農村建筑幾乎沒有安裝任何浪涌保護器,加之山區雷電頻繁,生產、生活用電設備因雷擊損壞的情況較多。家用電器和電動生產工具在農村都屬于高價值商品,尤其是在貧困地區,電氣設備的非正常損壞無疑會加重村民的經濟負擔。

>>>>消防安全方面隱患

農村民居大多沒有留出足夠的防火間距,使用易燃建筑材料較多,加之火災自救能力較弱,一旦發生火災,火勢極易迅速蔓延,造成財產損失和人員傷亡。據統計,2019年,全國接報火災23.3萬起,其中52 % 系電氣原因引起,農村居民火災11.1萬起,占火災總數的32.9%,但死亡人數卻占到總數的69.6 %。目前農村建筑,特別是居住建筑在電氣火災防范方面仍存在較大隱患:一是電線亂拉亂接,絕緣老化破損,容易導致短路,引發電氣火災;二是線路直接敷設在木質材料上的情況較多(如圖3所示),短路造成局部溫升,產生火花,引發火災;三是超負荷用電,配電系統配置不合理(如圖4所示),線路得不到有效保護,筆者曾見到在4 mm2鋁芯電線供電回路中使用額定動作電流為63 A的斷路器作為保護電器的情況;四是基本沒有設置防電氣火災的剩余電流動作保護裝置。這些狀況都為農村建筑消防安全埋下了不小的隱患。

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新時代農村電氣設計思路探討

中國特色社會主義已進入新時代,農村電氣設計也要與時俱進。筆者認為,在國家大力推行鄉村振興戰略,著力提升農村生活水平的時代背景下,農村電氣設計應重點考慮以下幾個方面。

電力設施、供電網絡建設方面

2019年初,國家電網有限公司印發《關于服務鄉村振興戰略 大力推動鄉村電氣化的意見》,要求認真落實鄉村振興戰略的總體要求,利用2019 ~ 2022年4年時間,全面實施鄉村電氣化提升工程,提高農村供電服務水平,著力增強農村用電保障能力,提升農業生產、鄉村產業、農村生活電氣化水平,積極助力農業更強、農村更美、農民更富。這方面雖然更多是涉及電力部門的工作范疇,與建筑電氣設計行業關系不大,但是充足可靠的高質量供電是末端電氣設計的基礎和源頭,沒有電源側的保障,再好的建筑電氣設計也都是無源之水、無本之木。

建筑電氣設計方面

筆者認為,在新的時代背景和發展趨勢下,不能再用農村建筑就是一盞燈的陳舊思路簡單處理農村建筑電氣設計問題,而是需要從舒適、安全、經濟等多方面綜合考量。JGJ 16 - 2008《民用建筑電氣設計規范》、GB 50096 - 2011《住宅設計規范》和JGJ 242 - 2011《住宅建筑電氣設計規范》的總則中均說明上述規范適用于城鎮建筑。筆者認為,隨著家用電器在農村的日益普及,在國家尚無針對農村建筑電氣設計的系統性規范出臺的情況下,不妨可以參照上述規范要求進行設計,考慮到城鄉經濟發展水平的差異,可在一些不涉及安全的指標上適當降低。以下是筆者對于農村建筑電氣設計的幾點建議,與業界同行探討。

>>>>合理確定用電負荷指標

隨著農村生活水平的不斷提高,家用電器在農村已越來越普及,在一些寒冷地區,取暖能源也逐步由柴炭變為電,淋浴用電熱水器也被廣泛使用,農村住宅用電指標也在逐步向城市靠攏,因此筆者建議在確定單戶用電指標時可參考JGJ 242 - 2011表3.3.1。

>>>>配電系統設計

由于農村住宅多為自建房,將來擴建的可能性較大,在進線總斷路器和進線電纜的選擇上應考慮到這一因素,適當放大,為今后擴建留出裕量,并且在戶內配電箱中預留幾個出線斷路器的安裝位置。在較寒冷地區,取暖用電負荷較大并且多個房間的取暖設備會在同一時間使用,因此建議多設置幾個插座回路,考慮到建設成本,可采取多個插座回路設置一個保護人身安全的剩余電流保護器的經濟方案。如前所述農村建筑電氣火災危險較大,獨立成棟的住宅總配電箱建議裝設防止電氣火災的剩余電流保護器。由于農村電網配電變壓器一般容量都較小,其低壓側短路電流也較小,因此在末端斷路器參數選擇時,一般可選用短路分斷能力較低的產品,以合理控制成本。

>>>>線路敷設

亂拉亂接電線是農村建筑較大的安全隱患,在設計時首先應周全地考慮用電點位的設置,從源頭減少亂拉亂接的可能;其次建議在設計時盡量采用暗敷方式,減少亂拉亂接的可能性,如確實需要明敷的,應嚴格采取保護措施規范敷設。

>>>>防雷及接地

農村住宅多位于山區或曠野,雷電危害較大,除按照GB 50057 - 2010《建筑物防雷設計規范》和GB 50952 - 2013《農村民居雷電防護工程技術規范》規定確定防雷分類并采取防直擊雷措施外,考慮到家用電氣數量越來越多,價值也較高,建議在經濟條件允許時裝設浪涌保護裝置,以盡可能減少因雷電造成的經濟損失。目前農村住宅中很多都設有淋浴設備的衛生間,但對等電位聯結的必要性卻知之甚少,衛生間局部等電位聯結可以很小的經濟投入換來人身安全保障,筆者認為應當在農村住宅建筑中予以普及。

提高安全用電意識

除了在設計建設時盡量做到安全合理外,提高廣大農村居民在日常生活中的安全用電意識也是必不可少的工作,在充分了解違規用電的危害并掌握基本的安全用電常識后,方能從根本上消除用電安全隱患。

電氣設備和產品方面

農村的經濟條件、供電條件都不能和城市相提并論,加之農村電網和農村建筑電氣設計也有自身的特殊性,如果電氣設備制造商能有針對性地開發生產一系列既經濟又符合農村實際使用需求的產品,將會大大促進農村建筑電氣的發展;并且農村也是潛力巨大的市場,這無疑是雙贏之舉。

逐步改進、成效明顯

用電與人民群眾的生產生活息息相關,各級黨委政府都高度重視,大力推進農村用電提質改造,雖然短時間內難以徹底改變農村用電狀況,但隨著異地搬遷和農村危房改造項目的實施,在很多地方前文所述的種種問題已得到較好解決。

電力基礎設施逐步完善

鄉村振興,電力先行,隨著全國脫貧攻堅的收官和鄉村振興的啟動,近幾年在農村電力基礎設施建設上的投入不斷增加,仍以貢山縣為例,2019年全縣新架設20 kV電力線路14.7 km,10 kV電力線路12.22 km,0.4 kV電力線路35.2 km,新安裝變壓器31臺,增加供電容量6 650 kVA,更加完善了電能供應和供電質量。

建筑電氣設計與時俱進

在新建的易地搬遷住房和改造后的農村C、D級危房中,建筑電氣的設計已能較好滿足生活的需要(如圖5所示):一是每戶均考慮較為充裕的用電負荷,如貢山縣幸福新區異地搬遷安置點,4人戶80 m2戶型,用電負荷4 kW,6人戶120 m2戶型,用電負荷6 kW,已達到JGJ 242 - 2011表3.3.1中指標要求;二是用電安全保護裝置的配置已逐漸完善,單元配電箱內浪涌保護器、戶內配電箱內自復式過欠電壓保護裝置和插座回路保護人身安全的剩余電流動作保護裝置已基本普及。

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布線施工日趨規范

在近期新建或改造的建筑中,前文所述的亂拉亂接電線現象已有了較大改觀(如圖6、圖7所示),新建建筑基本采用穿管暗敷設的方式,改造建筑不具備暗敷條件的也采用穿PVC管明敷的方式。布線方式的進步安全美觀,同時也降低了住戶自行不規范亂接電線的隱患。

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目前,我國尚有約5.6億人口常住農村,希望廣大業界同行對農村建筑電氣設計給予更多關注。鄉村振興,電力先行,提升電力供應水平,完善農村建筑電氣設計,消除用電安全隱患,讓廣大農村地區群眾的生產生活從“用上電”向“用好電”轉變,才能不斷增強人民群眾的獲得感、幸福感、滿足感,為農村發展保駕護航。近幾年,我國農村的用電狀況和建筑電氣設計取得了飛速的進步,但同時也應客觀地看到,尤其在一些偏遠貧困的地區,農村居民的用電水平依然處于較低水平,用電安全依然存在較大隱患,需要持續關注和切實改進。建筑電氣的設計和實施除了依靠科技進步和創新外,更與經濟發展水平密不可分,相信隨著我國經濟水平不斷提升,在鄉村振興大戰略的推動下,鄉村供電能力以及建筑電氣設計和實施水平將會不斷完善,在用電安全性、可靠性、便利性上得到進一步提升。