【摘 要】 综述了电器与物理环境、电器与电磁环境、电器与节能节材的关系，分析了电器的设计、生产及运行在环境保护方面存在的问题。提出利用现代技术设计、制造、使用“绿色电器”是新世纪电器工作者紧迫的任务。
【关键词】 绿色电器 环境保护 节能 节材
1 前言
过去，当人们提到电器与环境的关系时，常指环境因素，如温度、湿度、海拔、污染等级等对电器的影响。随着人们环保意识的增强，为了保护环境，实现社会可持续性发展战略，电器与环境的关系不再是单方向的，在重视环境对电器影响的同时，也逐渐重视电器对周围环境的影响。例如，低压电器IEC委员会将修正IEC60947－1标准[1]，标准要求在进行低压电器设计、制造及使用时应考虑电器产品对环境的影响，将不利因素降低到最低水平，并提出了环境的评估、产品环保设计等有效方法。环境保护指标将成为打开世界贸易的钥匙，各生产厂商为树立企业环保形象，提高产品在国内外市场的竞争能力，纷纷将电器的节能性、环保性列为产品性能的重要指标。因此，大量的“环保电器”、“绿色电器”应运而生。虽然，目前对绿色电器还没有形成一个定量的衡量标准，但它已成为产品符合环境保护标准的标志，定性地应具有如下几个特征：1电器在制造、运行过程中对物理环境及电网环境造成的污染应在标准规定的范围之内，且寿命期后，可回收利用；2电器在运行中电能损耗尽可能低，效率达到一定指标；3电器经优化设计，使用原材料节省，性价比较高。
本文将从上述几个方面出发，阐述电器与环境之间的关系，为电器的设计、生产与使用提供参考。
2 电器与物理环境
2.1 电器设计与物理环境
随着人们对生存环境关注程度的增加，提出了“为环境而设计”（Design for Environment）的口号[2]。过去人们普遍认为，将环境因素考虑至电器的设计中将降低利润，牺牲企业利益。现这种观点已过时，可以预言，如果不实现绿色设计，即不实行以环境保护为指导思想的设计，那么产品进入国际市场的资格迟早将被取消。因此，有远见卓识的企业家将产品的环保性作为新一轮竞争的法宝，将环保指标列为设计的重要项目是企业明智的选择。
电器设计者在考虑物理环境因素时，首先应是电器材料的选择。其原则是所选材料不仅应具有良好的机械及电性能，而且应对环境无污染，且寿命期后，可回收利用。为达到这一目的，科技工作者研制出了各种环保型材料（包括绝缘材料）用以代替原先非环保型材料。如ABB、西门子、金钟－默勒等公司的电器产品均采用了巴斯夫的塑料技术，巴斯夫的阻燃尼龙66除具有低密度、低成本、高电性能外，它还是一个采用非卤素阻燃剂的环保产品。再如，在绝缘介质方面，现代开关电器已逐渐淘汰了有爆炸危险且会因泄露而造成环境污染的油介质，在中等电压等级下全面推广对环境无污染的真空开关；而在高电压等级下，采用真空介质还有一定的技术难度而不得不继续使用SF6气体介质时，人们研制了气体监控与回收体系[3]。此外，人们还在继续探索新的“绿色”绝缘介质。如国外最新研制出两种新型的环保型难燃绝缘介质：β液（Beta Fluid）及E液(Envirotemp Fr3)。它们具有燃点高、无毒、对环境无污染等特性，可用于环保型变压器及开关设备中。
2.2 电器制造与物理环境
在产品的生产制造过程中难免会产生各种废物，它们对环境的危害很大，甚至会对人类健康带来极大的危害。因此，如何减少废物的产生及如何处理废物，实现“绿色制造”是环境保护的重要方面。
由电器、仪器仪表的制造工业所带来的固体废物主要有：金属、玻璃、木材、橡胶、塑料、化学药剂、研磨料、陶瓷、绝缘材料等[4]。减少这些废物的产生，实现无废、少废的方法主要有：改革生产过程、革新工厂设备、用无害材料代替有害材料等。
我国加入世界贸易组织的日期已日趋临近，为了适应我国电器产品走向国际市场的要求，必须顺应国际环保的发展趋势，遵照国际惯例，不仅在全行业开展ISO9000质量管理体系认证，而且还要按照ISO14000标准建立环境管理体系。加强企业环境管理，减少污染物的产生和排放，减少和消除生产制造过程对环境的影响。只有这样，才能拓展国际市场，提高我国电器产品在国际市场的竞争力。
2.3 电器运行与物理环境
电器的运行有时会对人体或环境造成一定的影响，如产生有害物质污染环境，产生噪声影响人们正常生活及生产等。因此，人们正努力将电器运行时对人体和环境造成的影响降至最低水平。如前所述，由于开关的油介质会因泄露而造成环境污染，并且有爆炸的危险，危害人身安全，因此，人们已设法用其他绝缘介质代替它；再如，SF6电器设备越来越引起人们的议论，虽然SF6气体耐电强度高、灭弧能力强，是理想的绝缘和灭弧介质。但目前已查明，SF6是一种温室气体，它在电弧放电时会分解为有害的SOF2及SF4等物质。虽然有关人士就SF6对大气的影响进行了调查研究，认为SF6对整个人为温室效应的相对影响可以忽略不计，对臭氧层减少没有影响，只要采取适当措施回收利用，可保证人身安全[5]。但人们仍试图寻找新的绿色高压绝缘介质以取代SF6。
开关电器中的触头材料，如AgCdO在电弧作用下有时会产生有害的金属蒸气，造成环境污染并危害人体健康。现已研制出AgSnO2，并用之替代AgCdO触头材料。
电器运行时产生的噪声污染也是不容忽视的问题。其中较普遍、较严重的是交流电磁铁运行时发出的噪声，其根源是铁芯励磁时硅钢片产生的磁致伸缩，这些恼人的噪声不仅危害人体的身心健康，而且还降低工作效率。因此，人们采用无声运行技术以消除或减轻此类噪声。
3 电器与电磁环境
3.1 电网污染
随着电力电子技术的高速发展，越来越多的电器，尤其是电子式电器或混合式电器均采用了大功率电力电子元件，如晶闸管、BJT、MOSFET、IGBT、MCT等。这些电力电子器件工作于开关状态，电路中包含有大量高次谐波，这些高次谐波电流注入公用电网，污染电网，引起电网电压波形失真，电网电压频繁波动和闪变，致使接在同一电网上的其他用电设备无法正常运行，降低负载功率因数，产生畸变损耗，降低装置效率。鉴于这种情况，国际电工委员会（IEC）对于输入电流≥16A的设备的谐波和波动干扰作出了规定，制订了国际标准，即IEC1000－3－2和IEC1000－3－3[6]。我国也从1994年开始执行国际GB/ T14549－93《电能质量 公用电网谐波》。
为了保证公用电网的纯净程度，根据国家电网质量要求，设计新型电路，采用合理的控制方式以克服大功率电力电子装置对电网的污染是十分重要的。例如，对于产生较大干扰的设备，可考虑使用带补偿的开关电源、独立电源等[6]。
3.2 电磁污染
电器在运行时，会对周围环境产生电磁干扰，如高频电磁波干扰、电火花电弧干扰等。这种电磁干扰的存在，使该电器本身或其他电子式电器工作不稳定，甚至完全不能正常工作。即使采取有效的屏蔽措施，电磁干扰的产生、传播和接收仍无法完全消除。因此，必须进行电磁兼容设计，使电器能在规定的电磁环境中正常工作，同时不会对该环境中其他设备造成不允许的干扰。也就是说，电器应对外界的电磁干扰有一定的承受能力，而且其本身在工作中对周围环境所产生的电磁干扰不应超出一定限度。
4 电器与节能
随着现代化建设的推进及人民生活水平的提高，能源的消耗也呈较大幅度的增长。能源不足已经成为制约经济发展的重要因素。除了开发新能源外，提高电能的利用效率是重要的能源战略之一。
电器节能主要通过以下几个途径实现。
4.1 采用新型控制策略，提高电器效率
低压电器行业开展节能技术主要是通过对低压电器进行技术改造，采用新型控制策略，使之在运行期间所消耗的能量降低，最终达到运行费用降低[7]。节能技术成功与否，主要取决于技术改造成本与其所节省的能量之间的竞争。
在低压电器中，开展了对交流接触器节能技术的研究。在工业控制中，交流接触器是量大、面广的电器元件，其电磁铁一般用交流控制电源，电磁系统损耗很大。在交流接触器电磁系统消耗的有功功率中，铁芯损耗占65％～75％，分磁环损耗占25％～30％，线圈铜损耗占3％～5％。目前，我国生产的大、中容量交流接触器，其电磁系统消耗的有功功率在几十至一百多瓦，全国正在运行的大、中容量交流接触器数量很大，一年消耗的能量相当可观。
交流接触器采用节能技术后，即将交流电磁系统改为直流操作。试验结果表明，可节省铁芯和分磁环中的损耗高达90％以上。此外，采用节能运行方式，不仅能消除电磁系统的噪声，而且还大幅度地降低了电磁系统和线圈的温升，从而提高了系统的可靠性[8]。另外，减少电弧损耗能达到触头系统节能的目的[7]。因此，对大、中容量交流接触器采用节能措施是很有必要的。
4.2 使用通过电力变换的电源
电力电子器件能有效地实现对电能的高效能变换和控制，通过电力变换可以节省约1/3的电能，极大地降低能源的成本。因此，随着电力电子技术的发展，越来越多的电器设备使用的是经过电力变换的“精电电源”。发达国家电能的75％要经过电力电子技术变换和控制后使用，预计到2000年以后将提高到95％以上，而我国经过变换、控制的电能尚不足20％[9]。为了节约能源，应大力提倡使用经过电力变换的电源。
4.3 及时更换过期失效的电器产品
我国目前在电网及工厂中使用的大量电器产品还是建立在传统工艺基础上的，它们不仅性能较差，而且能耗高，运行效率低。若能逐步用新型节能电器产品替代，从长远利益看，不仅运行性能好，而且运行费用低，产品的性价比提高。美国节能委员会（ECSC）曾对智能楼宇做过调查，如果采用新型的电气装置来更换过期失效的电气设备，平均节能高达60％。
国务院决定从1998年开始分3年投入2500亿元资金加强城乡电网建设与改造[10]，其目的除了扩大内需，拉动国民经济发展外，另一个重要原因就是及时更换过期失效的设备，降低线损率，提高各电气设备的电能利用率。
4.4 采用新型铁芯材料及应用电子电器
非晶、微晶与超微晶合金在配电变压器与电流互感器上的应用，可大大降低损耗，且可提高性能。例如，100kVA、250kVA的干式三相非晶合金配电变压器与SC8型硅钢的相比，空载损耗下降68％和67％，负载损耗下降42％和43％。在负载率50％下，100kVA的变压器年节电量达4MWh/台。另外，电子电器除了具有寿命长、工作可靠等优点外，与电磁式电器相比，它还具有耗能少的优势，因此，应互补地发展和推广应用电子电器。此外，还可根据地方特色采取节能措施，如福建省具有丰富的硬磁矿产资源，将硬磁与软磁材料结合使用，可减少励磁所需的电源能量，并提高性能。
5 电器与节材
节省材料对保护资源有重大意义，尤其电器产品生产量极大，节材的意义就更显得突出。传统的电器产品设计是采用传统的经验设计法，很难获得最优方案，现代电器产品应采用优化方法进行设计。所谓优化设计是指在满足各项性能要求的前提下，使产品在经济上或技术上达到最优化。高新技术的发展使优化设计的手段越来越先进，如在CAD技术基础上采用模糊逻辑、遗传算法、专家系统等人工智能技术以及计算机可视化技术进行电器产品优化设计等。文献[11]中采用遗传算法对电磁电器进行优化，其优化方案可节铁19.4％，节铜12.1％，节能16.5％。
此外，新材料在电器行业中的应用也使电器的材料更省、成本更低。触头成本占许多电器成本的30％左右[12]，这主要是因为触头中所用的银是贵金属。据报道，全世界工业用银每年约12kt，用于电器制造业的银，电触头占了80％左右，这部分银基本上是消耗掉而难以回收利用。西方国家80年代初缺银约5kt，生产与消费之间的不平衡，迫使世界各国对节银开展研究工作[13]，如积极采用新材料，用复合银、合金银、无银等触头材料代替银触头材料，这样可大大节省银材料，实现电器行业的可持续发展。
电力电子电器不仅可节能，而且还可节约原材料。在资源短缺的当今世界，发展这种耗能少、耗材少的电力电子电器显得十分重要。
6 结束语
新世纪的经济将是以知识经济为主导地位的经济，采用先进技术是最经济、最有效地解决环境污染的措施，对电器行业也不例外。因此，如何利用现有高新技术研制，开发“绿色电器”，提高高新技术对环境保护的贡献率，是当代电器领域的重要课题之一。
参考文献
1 季慧玉.IEC低压电器标准新动态.低压电器，1999，（5）
2 Robert Ferrone.The Environment.IEEE Spectrun,1998,35（1）
3 邹积岩，王章启.初论新概念（开关）电器.高压电器，1998，（2）
4 伊武军.资源环境与可持续发展.福州大学环境与资源工程系教材，1997.11
5 吴军辉，杨纪明.SF6对大气的影响.高压电器，1998（5）
6 陈 峰，陈 伟.电器设备对电源造成的谐波及波动干扰的测量.电视技术，1998（5）
7 李 奎，张冠生，张培铭.低压电器新技术综述.电气开关，1995，（2）
8 费鸿俊，张冠生.电磁机构动态分析与计算.北京：机械工业出版社，1993.10
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