Электрика в системе электрических наук и практической деятельности

Электричество — обширнейшая область теоретического знания и практи­ческого применения (свойства, проявление, получение, преобразование, пе­редача и распределение, и, наконец, использование как материала и энергии во всех видах). Хотя слово упоминается в античные времена, лишь в XIX ве­ке была сформулирована (1800-1830 гг.) электрическая наука и создана к 1880-м годам электрическая техника. Первая превратилась в теоретические основы электротехники — ТОЭ, вторая — в электротехнику, как отрасль про­мышленности и сферу деятельности, в частности, в направление высшего об­разования.

Электротехническая промышленность всегда рассматривалась как основ­ная техническая база электрификации. При этом речь шла об изготовлении изделий, которые затем вместе с другими образуют электрическое хозяйство потребителей — электрику сегодняшнего техногенного общества. Электриче­ское хозяйство можно рассматривать поэлементно, например устройство и работу отдельного электродвигателя, затем выделять электрические цепи и си­стемы, опираясь на жесткие классические законы ТОЭ, можно также рассма­тривать как некоторое сообщество (ценоз — cenosis, coenose изделий — особей (единиц, штук), каждое из которых в определенном смысле можно считать неделимым (элементарным) и которые стали частью электрического хозяйст­ва не в одно время, поступили не от одного изготовителя, большей частью не по каким-то (пусть и классическим) формулам, но по субъективным привя­занностям, объективным обстоятельствам, а то и случайно.

Так мы приходим к задачам электрики: из сконструированных и уже изго­товленных электротехникой изделий представить некоторый образ — будущий объект, чтобы документально обосновать инвестиции и разработать рабочую документацию на электрическую часть объекта; выполнять строительные, монтажные, наладочные, приемо-сдаточные работы; осуществлять эксплуата­цию электротехнических изделий и их электроремонт; обеспечивать электро­безопасность и экологические ограничения, предусматривать утилизацию продуктов жизнедеятельности электрического хозяйства и его ликвидацию (в целом или части).

Электротехника начиналась с изготовления и экспериментов. Изобретение А. Вольтом гальванического элемента (1799 г.) и исследования (1800 г.) нака­ливания проводников током позволили предсказать появление электроосве­щения и электротермии, изучать электролиз, гальваностегию и гальваноплас-

16 Глава 1. Электрическое хозяйство потребителей

тику, открыть электрическую дугу (В. В. Петров, 1802 г.) и начать ее примене­ние для освещения, сварки, пайки. Введение А. Ампером (1820 г.) понятия о направлении тока, наряду с исследованиями Ж. Био и Ф. Савара (1820 г.) по взаимодействию тока и магнитного поля, формулировка закона Ома (1827 г.) и законов Кирхгофа (1845 г.), работы М. Фарадея по вращению проводника с током (1821 г.) и электромагнитной индукции (1831 г.), исследование Э. X. Ленцем обратимости электрических машин (1833 г.) привели к прообра­зу генератора (Фарадей, 1831 г.), изготовлению И. Пикси (по заказу А. Ампе­ра) электромагнитного генератора (1832 г.) постоянного и переменного тока, Б. С. Якоби — электродвигателя с непосредственным вращением якоря (1834 г.), Дж. Вулричем — генераторов для питания гальванической ванны (1842 г.). Самовозбуждение машин, открытое В.Сименсом (1866 г.) наряду с Г. Уайлдом (1863 г.), открытие явления вращающегося магнитного поля, со­здание системы двухфазного тока (Г. Феррарис, 1885 г.) и ее развитие (Н. Тес­ла, 1886 г.), изобретение П.Н.Яблочковым (1876 г.) и И. Ф. Усагиным (1882 г.) трансформатора, М. О. Доливо-Добровольским асинхронного двига­теля с «беличьей клеткой» (1882 г.) и трехфазного трансформатора с парал­лельными стержнями (1891 г.), изолирование провода шелком (Дж. Генри, 1827 г.), применение бесшовной резиновой изоляции проводов и кабелей (В.Сименс, 1847 г.) и кабеля со свинцовой оболочкой (Ф.Борель, 1879 г.) оп­ределили практическую очевидность электрических исследований.

Таким образом, открытия в физике и поиски технических решений пре­вратили уже к концу XIX века электротехнику во вполне значимую науку и технику. Завершенность основ электротехники отразилась в установлении на­именования электрических единиц (CGS — 1881 г., SI — 1960 г.), характе­ристик переменного тока (1889 г.), системы символов и обозначений (1893 г.), наконец, в образовании (1904 г.) Международной электротехнической комис­сии — МЭК (электротехнический отдел Русского технического общества был организован в 1880 г. Тогда же начал выходить журнал «Электричество»).

Электротехническая продукция (изделия), определяемая специфической техникой, технологией, материалами и порождающая немалое экологическое воздействие, составляет материальную основу электрического хозяйства (эле­ктрики). Но оно не может функционировать и развиваться без различных ви­дов обеспечения, прежде всего — без обеспечения электрической энергией. В нашей стране развитие электроэнергетики осуществлялось в соответствии с основными направлениями плана ГОЭЛРО: строительство электростанций по единому государственному плану, опережающее развитие тяжелой промыш­ленности, электрификация при концентрации мощностей и централизации электроснабжения, создание на предприятии единого энергохозяйства.

Именно развитие электротехники и ее экспансия во все отрасли техники, а затем и быта, привели к развитию электроэнергетики, которая сформирова­лась в 1870—1930 гг. (до этого считалось технико-экономически бесперспек­тивным создание и электродвигателя, и электрического генератора). В 1924 г. был образован МИРЭК, который начал решать проблемы «большой энерге-

/. /. Электрика в системе электрических наук

тики». Можно выделить некоторые этапы ее становления. 3. Т. Грамм (1873 г.) изготовил локомобильно-электрогенераторную установку для элект­роснабжения предприятия. Г. Уайлд исследовал синхронизацию двух генера­торов переменного тока (1868 г.). Первая заводская электростанция в России была построена на Сормовском машиностроительном заводе в 1876 г. В Пе­тербурге на Мойке в 1883 г. была включена первая в России электростанция общего пользования. Ф. А. Пироцкий исследовал передачу, а Д. А. Лачинов теоретически обосновал возможность передачи большого количества электри­чества на значительное расстояние. На Первом Всемирном конгрессе элект­риков (1881 г.) с докладом «О передаче и распределении электрических токов» выступил М. Депре, который позднее (1882 г.) построил первую линию пере­дачи постоянного тока высокого напряжения (2,4 кВ, 57 км). М. О. Доливо-Добровольский соорудил (1891 г.) трехфазную ЛЭП с междуфазным напряже­нием 13 760-15 200 В для передачи 200 кВт (генератор 210 кВА, 86-95 В, повышающий трансформатор 150 кВА) на 175 км. Дж. Лейн-Фокс (1880 г.) изобрел первые счетчики электроэнергии. В Англии были введены первые правила устройства электроустановок (1882 г.). Г. Феррарис (1884 г.) ввел по­нятие коэффициента мощности, Э. Томсон в 1886 г. применил защитное за­земление, А. Э. Кеннеди в 1889 г. получил зависимость между сечением про­водника и длительно допустимым током нагрузки. Р. Кромптон впервые применил (1891 г.) понятие коэффициента спроса при определении электри­ческих нагрузок. П. Бушеро установил (1898 г.) конденсаторы для компенса­ции реактивной мощности. В. Петерсен предложил (1917 г.) систему компен­сации емкостных токов замыкания на землю. Область устойчивости параллельной работы энергосистем в 20-х годах основополагающими теоре­тическими работами определил А. А. Горев. В. М. Монтсингер (1930 г.) сфор­мулировал основные закономерности между температурой обмотки, нагруз­кой и сроком службы силовых трансформаторов. И. А. Сыромятников внедрил (1937 г.) самозапуск электродвигателей при кратковременном пере­рыве питания.

Развитие электроэнергетики в стране осуществлялось последние 80 лет на основе принципов плана ГОЭЛРО (собственно план, рассчитанный до 1935 г., был выполнен к середине 1931 г., за который было произведено 10 687 ГВтч — меньше годового потребления крупного алюминиевого завода). Очевидна положительная роль плана ГОЭЛРО как основополагающего плана развития народного хозяйства, предусматривающего «электрификацию всей страны» (В. И. Ленин). Но если обратиться к реальной жизни большей части террито­рии России, то к началу XXI века электрификация не осуществлена. Это ка­сается не только северных и арктических регионов, занимающих 2/3 террито­рии страны (где проживает «лишь» 9 млн человек), но и Центральной части России, Северо-Запада, Урала и Поволжья, не говоря уже о Сибири и Даль­нем Востоке. В глубинке напряжение днем может зашкалить за 250 В, а вече­ром упасть до 190 В и ниже, село без света в Тульской губернии в 2001 г. с 11 апреля по 20 июля — рядовое явление. Речь идет о трансформации и рас-

18 Глава 1. Электрическое хозяйство потребителей

пределении электроэнергии через воздушную одноцепку или однотрассовую ЛЭП 35-110, 6-20 кВ, трехфазную линию 0,4 кВ, линию фаза-ноль 380/220 по поселку или между поселениями для рассредоточенных отдаленных небольших единичных нагрузок с резкими суточно-климатическими одновре­менными колебаниями нагрузки на всем множестве потребителей. Регулиро­вание напряжения по ПУЭ, осуществляемое на шинах 6—20 кВ, не обеспечи­вает у электроприемников требований ГОСТ к качеству электроэнергии. Это и технически реализуемая ныне схема электрификации от системных элект­рических сетей, фактические планово-ремонтные, аварийные, а сейчас и пла­тежные ограничения, а также предупредительные отключения и обрывы при грозе, ветре, дожде и снеге не позволяют говорить о завершенности электри­фикации. Среднегодовая продолжительность отключения сельскохозяйствен­ных потребителей 100 часов не дает возможность говорить о товарном произ­водстве, обрекает на миграцию молодежь, оставляя ее без электронной информации.

План ГОЭЛРО был правилен и необходим (без последующего разрушения в 30-х годах действовавшей сети мелких и в 50-е годы средних энергоисточ­ников), пока стояла проблема индустриализации, решить которую было не­возможно без гигантов металлургии, химии, машиностроения. Они, в свою очередь, требовали сооружения гигантов энергетики. Положение изменилось в последние десятилетия, когда приоритетными стали требования потребите­ля. Мировая электротехника давно это учла, буквально завалив потребителя не только тем, о чем он знает, но и тем, чего он и представить не мог. Перед специалистами электрики встает задача уметь формулировать требования по­требителя к изготовителям электротехнических изделий и к энергоснабжаю-щей организации, а затем и отстаивать их.

Практически это означает реализацию утверждаемого Гражданским Кодек­сом РФ равенства таких юридических лиц, как энергоснабжающая организа­ция и потребитель, переход от абсолютизма большой энергетики к тезису «по­требитель всегда прав». Для повышения эффективности использования энергии важно понять: что в настоящее время качественно отличает электри­ческое хозяйство предприятия (организации) от электрического хозяйства за­водов (комбинатов) времен начала индустриализации (об электрическом хо­зяйстве квартиры, коттеджа или офиса стало возможным говорить лишь в последние десятилетия: до 60-х годов его просто не было). Другими словами: что есть и какая будет в XXI веке электрика промышленности и быта!

Существуют пока еще мало известные широкому кругу электриков посту­латы (законы), которые обеспечивают само существование электрического хо­зяйства и указывают количественные параметры его устойчивости и эффек­тивности. Оказывается, электрическое хозяйство (мы до конца это еще не осознаем) создается (проектируется, строится), функционирует (эксплуатиру­ется и ремонтируется) и развивается (модернизируется и технически перево­оружается) не столько на основе классических законов механики и ТОЭ, сколько на основе некоторых ценологических ограничений (ограничений

/. /. Электрика в системе электрических наук

самоорганизации). Они утверждают необходимость математически определен­ных соотношений по количеству между крупным, средним и мелким, или между уникальным (единичным, ноевым) и стандартизованным (массовым, саранчёвым).

Исторический опыт свидетельствует, что новая теория, какие бы практи­ческие результаты она ни давала, а тем более — новое мышление, не сразу ов­ладевает массами. Формирование (построение) электрического хозяйства и закономерности его функционирования — сравнительно новый объект иссле­дования. Лишь в 1944 г. при Государственном комитете обороны была созда­на Госинспекция по промышленной энергетике и энергонадзору, основан журнал «Промышленная энергетика», введена должность главного энергетика на предприятиях с мощностью 1000' кВт (сейчас это по электрической нагрузке мелкое предприятие, где электрика может не быть совсем). При под­готовке студентов заговорили о внутризаводском электроснабжении, инжене­рах-электромеханиках, электрификации (по отраслям). Построение электри­ческого хозяйства первенцев пятилеток основывалось на классических представлениях, когда можно было подсчитать все режимы для каждого дви­гателя (электроприемника), а суммировав, получить электрическую мощ­ность, расход энергии, объемы энергосбережения. И это было правильно и реализуемо, если в кузнечном цехе в 30-х годах устанавливалось 11 двигате­лей, в механическом — 34, в цехе водоснабжения — 25, а в электроремонтном — 20, в теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) — 40 (на крупнейших заводах сейчас в 100 раз больше), а сортамент был единичен.

Количественное увеличение и качественное усложнение устанавливаемого электрооборудования и сетей электрики в 50—60-х годах привели к вероят­ностным системно-кибернетическим представлениям, основанным на убеж­дении в возможности получения данных по каждому электроприемнику и по­лучения результата на основе групповых коэффициентов, на существовании среднего, наличии отраслевых норм на единицу выпускаемой продукции (на­личие математического ожидания) и возможной небольшой ошибки (конеч­ность дисперсии).

Фактически же количество устанавливаемого оборудования стремительно увеличивалось (как и его разнообразие), составляя к началу XXI века тысячи двигателей для производств, десятки тысяч (и миллионы единиц НВА) для за­водов; к этому надо добавить также: а) вхождение предприятия в рыночную среду, следовательно — изготовление только пользующегося спросом (что ве­дет к разнообразию, требующему энергозатрат); б) изменение отношений с энергоснабжаюшей организацией и поставщиками оборудования; в) новый подход к инвестициям и их оценке, включая затраты на энергосбережение и повышение эффективности электрического хозяйства; г) усиление роли пред-проектных стадий и согласований, когда принимают решения, не зная в ча­стности данных по электроприемникам.

Устойчивое и качественное электрообеспечение потребителей (и не только отдаленных) разрешимо, если одновременно с сетевым строительством и

Глава 1. Электрическое хозяйство потребителей

реконструкцией будут сооружаться мелкие источники электроэнергии, рабо­тающие параллельно с энергосистемой или автономно. Фактически эти два направления (крупное как основа электроэнергетики, некрупное как состав­ная часть электроснабжения электрики) должны быть гармонично увязаны.

Строительство собственных источников электроэнергии тесно связано с тенденцией, характерной для средних и крупных металлургических, химичес­ких, машиностроительных и других предприятий, отдельных поселков и горо­дов. Налицо стремление уменьшить свою зависимость от энергосистем в обес­печении электричеством (и теплом — восстановление и строительство собственных котельных) путем использования ВЭР и установки генераторов небольшой мощности на напряжение не только 6(10) кВ, но и 0,4 кВ. На ос­новании науки электрики подобная децентрализация обостряет проблему тех­нических условий, сформулированных в 60-е годы под взятые на себя, но не выполненные электроэнергетикой обязательства обеспечить всех потреби­телей электроэнергией при минимуме приведенных затрат. «Правила пользо­вания электрической энергией» (ныне отмененные) были обязательным документом для всех пользователей (включая проектировщиков). Выдача тех­нических условий превращалась в процедуру, зачастую ущемлявшую интере­сы потребителей.

Строительство собственных источников электроэнергии, расширение и ре­конструкция электрического хозяйства, нормирование и энергосбережение во многом связаны с переходом в полном объеме ко взаимоотношениям, осно­ванным на требованиях Гражданского Кодекса РФ. Пока же равенство энер-госнабжающей организации и потребителя как юридических лиц соблюдает­ся не всегда, а переход от разрешительного на регистрационный принцип подключения лишь начинает обсуждаться. Без возможности свободной про­дажи потребителем электроэнергии от собственных источников по цене ниже тарифа в данном регионе с опорой на электростанции в единицы и сотни ки­ловатт, трудно обеспечить энергобезопасность России.

Важная проблема — качество электрической энергии. Электротехническая промышленность выпускает, например, дуговую электросталеплавильную печь и прилагаемое к ней другое сертифицированное оборудование. Электроэнер­гетика обеспечивает подачу электроэнергии также в соответствии с ГОСТом. Почему же потребитель, установивший печь, сталкивается с проблемой нару­шения ГОСТа? Это относится и к установке регулируемого электропривода, и другого электрооборудования.

Потребление энергоресурсов — особый вид купли-продажи, не относя­щийся к сфере услуг; энергоснабжение должно осуществляться по публично­му договору. Взаимоотношения потребитель—энергосистема — важнейшая, но не полностью рыночно упорядоченная область (в отличие от пары потре­битель—электротехническое изделие), которая во многом определяет эффек­тивность электрического хозяйства в целом и к которой примыкают: пробле­мы прогноза параметров электропотребления на различные временные «u^nnanw нппмипонание по пооизводствам и цехам; определение постоян-

1.1. Электрика в системе электрических наук

ной составляющей, отключений по очередям и лимитов; организация иерар­хии учета и приборно-программное обеспечение, энергоаудит; создание сис­темы энергосбережения и оценки результатов, существенно влияющих на се­бестоимость продукции.

Большое практическое значение имеет также применение нового электро­оборудования, технологий, материалов и их модернизация, включая рациона­лизацию схем электроснабжения и сетей, внедрение регулируемого электро­привода, энергосберегающего электротермического и иного оборудования.

Эффективность электрического хозяйства неразрывно связана с электроре­монтом, понимаемом как комплекс проблем, связанных с обслуживанием, ре­монтом и утилизацией электрооборудования. Электроремонт не исчезнет, но со временем он должен существенно измениться, учитывая интеллектуализа­цию техники и технологий, большую надежность поступающего сейчас обо­рудования, распространение фирменного обслуживания, изменение соотно­шения между различными формами централизации, необходимость кардинального изменения системы планово-предупредительного ремонта, по­явление новых электроремонтных технологий, изоляционных материалов и лаков, компьютеризацию информационного обеспечения электроремонта.

Проблемы электрики — проблемы потребителя. Электрика с необходимо­стью возникла вместе с электроэнергетикой. Физическая природа электриче­ства требовала этого: электричество в объемах промышленного электропо­требления хранить нельзя, а различие времени выработки от времени потребления определяется скоростью света. Само же электроснабжение в трактовке Г. М. Кржижановского и нынешней мировой энергетики понима­лось и понимается как выработка и транспортировка электроэнергии до гра­ницы раздела предприятие (квартира, офис, фирма, организация) — энерго-снабжающая организация. Энергосистему, можно утверждать, не интересует, где и как происходят дальнейшая передача и преобразование электроэнергии в другие виды энергии или в электроэнергию же, но с другими параметрами.

Таким образом, на потребителе «оказались завязанными» ключевые вопро­сы построения схемы электроснабжения внутри завода (квартиры) и эффек­тивности электрического хозяйства объекта в целом (как бы все это ни называлось в XX веке в разное время и разными учеными и практиками, осо­знавшими специфику электрической части вниз от границы раздела потреби­тель—энергосистема). На практике это привело к созданию на заводах служб главного электрика. На уровне министерств были созданы Главэнерго (по от­раслям), однако не сумевшие составить единый орган, формулирующий и от­стаивающий интересы потребителя. Различными по целям и задачам были, в частности, Энергосетьпроект, Теплопроект, Промэнерго, с одной стороны; Тяжпромэлектропроект, Электропроект, ВНИИэлектропривод, ВНИИЭТО, электротехнические отделы ГИПРО, с другой.

При вступлении в новое тысячелетие и столкновении с необходимостью управлять созданием, функционированием и развитием электрического хо­зяйства, при ожидании революции на мировом рынке энергобизнеса, заклю-

Глава I. Электрическое хозяйство потребителей

чающейся в безусловном приоритете интересов потребителя (в том числе и в результате того, что на смену электростанциям 1000—2000 МВт приходит строительство электростанций, рассчитанных на обслуживание единичных производств, организаций, домов), практически становится важен вопрос: что все это означает теоретически, что нового должно появиться в нашем знании, к чему мы должны адаптироваться.

Век электротехники опирался на классические представления Ньютона— Максвелла—Лоренца: тела (поля) и движение можно представить в идеальном виде, существуют жесткие причинные связи и следствия. Математический ап­парат — дифференциальное и интегральное исчисление. При заданных исход­ных данных решение однозначно и неотличимо от другого с такими же ис­ходными данными. Существует обратимость и независимость решения от времени производимых вычислений. Все выходившие ранее учебники по эле­ктроснабжению промышленных предприятий опирались именно на эти пред­ставления.

Век электроэнергетики имел дело уже с процессами и системами (классиче­ские представления первой научной картины мира имеют соподчиненное зна­чение). Господствующее мировоззрение — вероятностные представления, вос­ходящие к Эйнштейну—Бору, и системно-кибернетические взгляды (Богданов, Винер, Эшби, Берталанфи), реализуемые теорией больших или сложных сис­тем, системным анализом, системотехникой, исследованием операций, теори­ей надежности и массового обслуживания, многоцелевой оптимизацией. Все это основывалось на теории вероятности и математической статистике, кото­рые предполагали действие закона больших чисел и центральной предельной теоремы. Решение любой задачи определялось параметрами распределения, с заданной вероятностью находился некоторый интервал, в котором и существо­вало решение. Это мировоззрение затронуло (но в малой степени) учебники по электроснабжению промышленных предприятий.

Век электрики будет иметь дело со структурами ценозов и отбором (для техноценозов — информационным). В этом случае электрическое хозяйство есть слабо связанное и слабо взаимодействующее практически бесконечное (счетное) множество изделий (целостность), конвенционно выделяемых как сообщество (ценоз), адекватно не описываемое системой показателей, тожде­ственно не равное другому при совпадении показателей, необратимо развива­ющееся (эволюционирующее). Математический аппарат — гиперболические Я-распределения (в технике) в видовой, ранговидовой и ранговой по параме­тру формах, которые не дают решения в точке из-за теоретического отсутст­вия математического ожидания (среднего). Однако оперирование с распреде­лением в целом позволяет решать практические задачи определения параметров электропотребления, нормирования и энергосбережения, измене­ния организации электроремонта и повышения эффективности электрическо­го хозяйства в целом и по отдельным составляющим.

1.2. Основы мировоззрения электриков электрики

Дата добавления: 2015-07-17