Основы мировоззрения электриков электрики

Формирование современного мировоззрения электриков особенно важно для дальнейшей успешной деятельности и профессионального роста в изме­нившемся мире. Четверть века назад трудно было представить, насколько это актуально, потому что электрическое хозяйство (электрика) как самостоятель­ный объект исследования и управления лишь формировалась наряду с понятиями самоорганизация, фрактальность, техноценоз. Полезно было заду­маться, насколько любое утверждение, задание, решение соответствует дейст­вительности, привязано ли это к конкретному времени, месту и действию. В общем виде утверждение не сводится к числу, но оперирование не количест­венными, а качественными различиями возможно лишь при знании основ но­вого мировоззрения. Следует иметь в виду, что объяснение техноценологиче-ским законам и ограничениям не найдено, как и самому механизму формирования электрического хозяйства, что оставляет широкий простор для фундаментальных исследований.

Существуют мировые константы, например скорость света, и такие посто­янные, как масса электрона. Антропный принцип утверждает, что изменение подобных величин даже на доли процента не привело бы к появлению жизни, в том числе и человека (так что читать эту книгу Вы можете, в том числе и по­тому, что масса электрона т_э = 9,1093897- Ю^{-31 кг). Опираясь именно на посто­}янные и не меняющиеся со временем числовые параметры материального ми­ра, возникла наука, предложившая механическую (первую) научную картину мира. Наиболее логично и строго ей соответствует механика Ньютона и элек­тродинамика Максвелла. Считалось, что дифференциальными и интегральны­ми уравнениями можно описать все тела (поля) и все движения (траектории), опираясь на законы сохранения (принцип наименьшего действия).

Законы Кулона, Ома, Кирхгофа и другие есть частные решения, вытекаю­щее из постулатов первой научной картины. В некотором смысле законы де­лают явным то, что уже присутствует в начальных условиях. В динамике «все задано», ничего нового не может ни «случиться», ни «произойти». Принципи­ально, что результат полностью и однозначно определяется исходными дан­ными; он не зависит от времени (в смысле: сейчас или 100 лет назад, или че­рез 1000 лет) от решающего субъекта (понимающего формулу и умеющего считать). Так, закон Ома для участка электрической цепи постоянного тока, не содержащей ЭДС,

U = IR (1.1)

дает всегда / = 5 А при величине напряжения U = 200 В, прилагаемого к ре­зистору сопротивлением R = 40 Ом.

Обратим внимание на даты открытия законов электричества, приведенные ранее (с. 000), и дату создания уравнений Максвелла (1864 г.), математичес­кие решения которых «переоткрывают» не только все указанные законы, но и

Глава 1. Электрическое хозяйство потребителей

все другие законы электротехники, на основе которых сейчас существуют и будут существовать различные научные направления и науки, подотрасли электротехнической промышленности, десятки вузовских специальностей, сотни профессий. Собрав воедино все законы электричества и магнетизма, Максвелл создал, как отмечается в Фейнмановских лекциях по физике, «пре­красное здание, которое держится само по себе». Однако это «существование» не означает остановку и исчерпание науки об электричестве, а также отсутст­вие роста теоретического знания.

В начале XX века состоялась известная дискуссия Бора—Эйнштейна, ког­да выяснилась вероятностная картина мира (вторая научная): нельзя сказать, куда будет двигаться электрон, пройдя узкую щель, но исчерпывающе ясна дифракционная картина практически бесконечного множества «приземлив­шихся» электронов. Половина атомов радиоактивных веществ распадется за строго определенное время, но распадется ли именно этот атом — сказать нельзя. Теория вероятностей снимает проблему, вводя математическое ожида­ние и ожидаемую ошибку (дисперсию).

Обратимся к ПУЭ, которые ограничивают, например, проход по ширине и высоте в распределительных устройствах: не каждого в стесненных условиях удовлетворит ширина прохода 0,6 м. Числовые значения параметров челове­ческого роста нормально распределены и должны учитываться при размеще­нии органов управления, рабочих зон и др. Гауссово распределение для роста человека (95 % мужчин выше 163, но ниже 187 см; для женщин — соответст­венно 159 и 177 см) широко используется в самых различных областях. Открытые когда-то физико-химические свойства чистой меди постоянны, не менялись и не изменятся, пока существует наша Вселенная (это и есть клас­сическое представление первой картины). Природная медь состоит из смеси двух стабильных изотопов с массовыми числами 65 (30,96 %) и 63 (69,04 %), что определяет атомную массу 63,54, плотность 8,96 (20 °С), электрическое со­противление 1,68-Ю^-6 мкОмсм (20 °С), температурный коэффициент электри­ческого сопротивления 4,3-10~³ (0-100 °С).

В действительности множество факторов, например при выплавке меди, изготовлении провода или окислении его при эксплуатации, изменяют физи­ко-химические свойства медного проводника (так, наклепом электропровод­ность уменьшается на 1—3 %). В результате величины активных сопротивле­ний и массы цветного металла, приводимые в таблицах и справочниках, изданных разными авторами или одним, но в разное время, могут незначи­тельно различаться (во втором знаке). Например, по справочнику удельное сопротивление меди р в 1932 г. равно 0,0166 (при 15 °С); в 1954 г. р = 0,0157 (при 20 °С); в 2001 г. р = 1,62-Ю"⁸ Омм²/м (при 0 °С).

Электрики в массе своей «не заметили» перехода к представлениям второй научной картины мира, к революционным следствиям в технике и техноло­гии, связанным с этим переходом.

Специалисты знакомы с предельными теоремами теории вероятностей, ко-
------ —„.,„„,„„,,,„„^„,,,,3 _пппингапярния некоторых (статистических) законо-

1.2. Основы мировоззрения электриков электрики 25

мерностей в результате действия большого числа случайных факторов. Теоре­мы устанавливали факт и условия сходимости по вероятности тех или иных случайных величин. Все формы центральной предельной теоремы посвящены установлению условий, при которых возникает нормальный закон распреде­ления. Так как эти условия на практике весьма часто выполняются, нормаль­ный закон является самым распространенным из законов распределения, на­иболее часто встречающихся в случайных явлениях. Поэтому не надо было что-либо менять в своей практической деятельности из-за неразличимости «истинной» величины, рассчитанной согласно классической физике, и вели­чины математического ожидания (среднего), полученной экспериментально-статистически, и из-за предсказуемости ошибки (дисперсии). Значимый ре­зультат различных средних удельных расходов электроэнергии двух электросталеваров увеличивает необходимость использования второй научной картины мира для целей электросбережения.

Рассмотрим технические данные медных кабелей (массу, сопротивление, силу тока) по справочным материалам 1937 г. (табл. 1.1). Они такие же, как и в новом веке. Действительно, допустимый длительный ток для этих кабелей с сечением одной жилы 16 мм² составляет 120 А, эта величина не изменилась с начала индустриализации (тогда она называлась номинальной) и соответству­ет ПУЭ 1999 г. Этот пример и множество ему подобных демонстрируют клас­сические представления электротехники. Заметим, что в 30-х годах выпуска­лись кабели сечением 1,5; 2,5 и 4 мм², отсутствующие сейчас в ПУЭ, как и трехжильный кабель 300 мм². Эти кабели не прошли испытания информаци­онным отбором и сейчас не выпускаются: с малыми сечениями — из-за недо­статочной механической прочности; трехжильный сечением более 240 мм² — из-за трудностей монтажа (не сгибается).

В табл. 1.1 приведена также стоимость кабельных прокладок, определенная по методикам и ценам 1937 г. Очевидно, что эта величина (и ей подобные) не имеет смысла, если не зафиксирована во времени. Она никоим образом не определяет сегодняшнюю (или любого другого времени) стоимость, которая

Таблица 1.1. Показатели кабельной продукции

Показатель

1,5

Сечение одной жилы, мм²

Полная стоимость прокладки на 100 м трассы*, руб.:

при одном кабеле

при трех

при шести Масса цветного металла, кг/км Активное сопротивление при 80 °С, Ом/км Номинальная сила тока* силовых кабелей, А**

14,7	1,38	0,233	0,074
ЗО(-)	120(120)	340(340)	650(-)

Для кабеля СБС-6000 (для незаземленной нейтрали) при прокладке в земляных траншеях, включая все строительные работы.

Для кабеля СБ-1000 и СБС-1000 по ОСТ 6260 (информация Электропрома, 1936). В скобках - допустимый длительный ток для кабелей с медными жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и нестекаю-щими массами изоляцией в свинцовой оболочке, прокладываемых в земле по ПУЭ (1999 г.).

26 Глава I. Электрическое хозяйство потребителей

даже в пределах одного региона или отрасли может различаться в 2, 3, 10 и более раз. Но основное не то, что величина стоимости менялась со временем. Главное — на все виды работ существовали в высокой степени детализирован­ные единые для всей страны расценки — нормы (районные коэффициенты и различные поправки принципиально не меняли эту ситуацию, как и введение ведомственных норм). Подчеркнем - единые и одинаковые нормы для работ одинакового наименования. Так реальную жизнь пытались свести к механи­ческой картине, предполагавшей возможность все измерить, а получив одно­значные исходные данные — все рассчитать. Причем и сама методика опыта и замеров (наблюдений) была строго расписана, не допускала двойного тол­кования. Расчетные формулы, считалось, дают однозначные результаты, объ­ективно не зависящие от вычисляющего субъекта. Полагалось, что есть «ис­тинное» значение стоимости прокладки кабеля, трудозатрат на ремонт электродвигателя, времени между двумя капитальными ремонтами, величины расчетной мощности или потерь, расхода электроэнергии, объемов электро­сбережения. Предполагалось, что отличия показателей малы и аналогичны различию в величине проводимости или удельного электрического сопротив­ления меди. Следовательно, в практике проектирования и менеджмента, в ча­стности при расчете электрических нагрузок и электросбережении, ими мож­но пренебречь.

В действительности использование средних норм в таких расчетах не отра­жает истинного положения вещей. Различие (разнообразие) - фундаменталь­ное свойство, общее для всех реальностей, в том числе и электрической.

Данное положение — невозможность опираться на среднее (третья карти­на мира) — можно проиллюстрировать на примере удельных расходов элект­роэнергии Л_уд на производство основных видов продукции черной металлур­гии (табл. 1.2), составленной на основе информационного банка «Черметэлектро». Приведем еще пример по генеральной совокупности черной

Таблица 1.2. Средние и предельные значения удельных расходов электроэнергии в чер­ной металлургии, кВтч/т

А-

1975 г.

1980 г.

1985 г.

1990 г.

Чугун

Среднеотраслевая норма 10,8 13,1 12,9 15,2

Максимальное (минимальное) значение 23,1(3,0) 49,2(3,2) 41,5(3,6) 43,3(3,5)

Конвертерная сталь

Среднеотраслевая норма 26,2 29,0 32,3 33,0

Максимальное (минимальное) значение 38,1(17,7) 50,0(12,7) 54,0(13,7) 49,7(13,1)

Электросталь

Среднеотраслевая норма 683 692 727 723

Максимальное (минимальное) значение 1394(544) 1385(524) 1341(522) 1310(484)

Прокат

Среднеотраслевая норма 198 112 111 126

Максимальное (минимальное) значение 1882(38,4) 2969(37,3) 2222(36,5) 3033(40,4)

[

1.2. Основы мировоззрения электриков электрики

Таблица 1.3. Ценологический разброс показателей электроремонта

Показатель

Наименьшее значение, г= 140 (г = 139)

Наибольшее значение, г=2(г=1)

Доля электрических машин, охваченных

капитальными ремонтами, % 0,1 (0,4) 43,6 (47,2)

Доля электрических машин, охваченных

средними ремонтами, % 0,0 (0,3) 54,1 (57,5)

Удельные затраты на ремонт, руб./машина 1,8(2,7) 738,8(967,1)

Затраты на 1 кВт отремонтированной

электрической машины, руб. 0,3 (0,7) 47,2 (70,0)

металлургии, имеющей электроремонтные подразделения, за 1987 г., когда су­ществовала жесткая система нормирования и распределения. Проранжируем предприятия по каждому из параметров, характеризующих электроремонт (табл. 1.3), т. е. присвоим первый ранг г = 1 предприятию, характеризующе­муся наибольшим параметром, и так далее, так что наибольший ранг-номер будет иметь предприятие с наименьшим параметром. Различие «в разы» и на порядки по каждому из параметров (ср. Vmo ^по всем строчкам) обычно для ценологических исследований. Это значит, что любое значение ряда г— 1,...,140 нельзя принять для нашего конкретного решения без анализа кон­кретного положения на предприятии.

Различие максимальных, минимальных и среднеотраслевых значений не может быть объяснено случайностью или вероятностными отклонениями от среднего. Теоретически это означает отсутствие математического ожидания и бесконечность дисперсии. Поэтому приводимые во всех справочниках и учеб­никах таблицы с расчетными коэффициентами (использования, спроса, мак­симума, одновременности, загрузки, заполнения графика и т. д.), удельными расходами электроэнергии на единицу продукции для отраслей экономики можно использовать лишь как иллюстративный материал или как материал для учебных целей.

Пусть определены абсолютная, удельная или относительная величины по­требления энергетических ресурсов. Другими словами, получен показатель энергетической эффективности, и надо ответить на простой вопрос: кто бо­лее эффективно использует электроэнергию (в Енакиево, где на 1 т чугуна расходуют 3,5 кВтч, или в Липецке — 43,3 кВтч/т, см. табл. 1.2).

Различие на несколько порядков (в разы) — неизбежное ценологическое свойство электрического хозяйства по любому из параметров, его характери­зующих (при рассмотрении цехов — по разнообразию множества установлен­ного электрооборудования; для заводов — по величине стоимостных затрат на одну машину; величине охвата капитальными и средними ремонтами, по шта­там и др.). Это же можно отнести и к параметрам электропотребления одной отрасли или одного региона, к показателям рейтинга по электропотреблению регионов России. Например, если задаться целью определить для Липецка рентабельность и численность персонала по данным за 2000 г. по Северстали и Магнитке (29,7 и 15,5%; 44,5 и 33,4 тыс. чел.), зная объемы реализации

Оо

Таблица 1.4. Научные картины мира

Первая картина

Вторая картина

Третья картина

Классические (физические) К-постулаты

Дата добавления: 2015-07-17