694. // Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 13. К 100-летию со дня рождения проф. А.А. Фёдорова. – Технетика, 2007. − С. 24−35.
НАУЧНОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ МИРОВОЗЗРЕНИЕ
ПРОФЕССОРА АНАТОЛИЯ АНАТОЛЬЕВИЧА ФЁДОРОВА
Б.И. Кудрин
Послевоенное восстановление и развитие народного хозяйства потребовало решения проблем электроснабжения потребителя на новых основаниях. Одновременно обострилась необходимость подготовки кадров высшей квалификации в области электроснабжения промышленных предприятий, что было обусловлено общей нехваткой инженеров с высшим образованием при кратном росте электрических мощностей, формировании электрического хозяйства резко возросшим количеством устанавливаемого электрооборудования с качественно иными параметрами и требованиями технологии к качеству и надёжности электроснабжения.
В этих условиях А.А. Фёдоров буквально ворвался в практику проектирования, электромонтажа, эксплуатации своей защитой кандидатской диссертации (1946), своим учебником «Электроснабжение промышленных предприятий», Справочником электрика промышленных предприятий (1956), справочниками энергетика. Эти и другие его справочно-методические издания, наряду с деятельностью Харьковского, Московского, Ростовского Тяжпромэлектропроектов, системы Электропроектов, информационно обеспечили быстро растущий корпус инженеров электрики. Понятие электроснабжение промышленных предприятий для большинства электриков страны включало в себя электрооборудование и сети цехов, организацию эксплуатации и электроремонт.
Но главная заслуга проф. А.А. Федорова заключается в уверенности, всегда им отстаиваемой, что электрическое хозяйство потребителя есть, выражаясь сегодняшним языком, самодостаточный объект, особенности которого не позволяют свести все уровни его электроснабжения к пониманию энергосистемой «электроснабжение предприятия» как рассмотрение генерации и решение по ЛЭП до границы раздела предприятие – энергосистема (до балансовой принадлежности – шестой уровень системы электроснабжения потребителя 6УР»). Работая энергетиком на промышленных и строительных объектах в Норильске в 30-е годы, после войны – в Усть-Каменогорске, Лениногорске (ныне – Риддер), Зыряновске, ему приходилось каждодневно сталкиваться со множеством проблем, решение большинства из которых не укладывается в однозначность механики и электротехники. Опираясь на инженерные знания, развитую интуицию, организаторские способности, А.А. Фёдоров успешно решал технические и иные вопросы, руководя различными коллективами. Он знал электрику изнутри.
Именно это определило наши отношения. Как и он, я защитил кандидатскую диссертацию в 39 лет (1973), но в Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте имени С.М. Кирова на тему «Организация и управление электроремонтом элементов электрических систем» по специальности 05.14.06 – Электрические системы и управление ими. Проф. Иван Дмитриевич Кутявин при рассмотрения проекта электроснабжения Запсиба (1971) убедил меня, что специалист, возглавляющий крупнейший (свыше 100 человек) в чёрной металлургии электротехнический отдел (Сибгипромез, Новокузнецк), будет иметь преимущество во многих случаях, если защитит кандидатскую, рекомендовал в заочную аспирантуру при ТПИ, а вместе с Николаем Андреевичем Дульзоном (вторым моим научным учителем) согласовали тему из многих, которые определялись моей проектной работой (они же указали на полезность ежегодного проведения конференций, которые с 1971г. мной и проводятся; с 1996г., дополнительно, - ежегодные по ценологии). После успешной защиты кандидатской диссертация она была направлена «чёрному оппоненту», которым стал проф. Б.А. Константинов, давший положительное заключение и ставший официальным оппонентом по докторской.
Сама же докторская «Организация, построение и управление электрическим хозяйством промышленных предприятий на основе теории больших систем» по 05.14.06. – Томск: ТПИ, 1976. – 505с. была написана осенью 1976, представлена в ТПИ в декабре, рассмотрена Диссертационным советом в марте 2007г. в расширенном составе, не принята к защите, как не соответствующая профилю специализированного Совета (формально, фактически же – из-за неудовольствия Москвы, что появляется доктор, ими не одобренный).
Во время проведения XI Всемирного электротехнического конгресса (21 -25 июня 1977г.), где я выступил с сообщением о техноценозах, меня представили профессору В.А. Веникову. В состоявшейся беседе (интересующихся его взглядоми могут познакомиться с ними по рецензии 2000г. трёх профессоров МЭИ на докторскую В.В. Фуфаева) он заметил, что все вопросы режимов, пуска и самозапуска АД 5 кВт решены. На мою констатацию, что на Магнитке электродвигателей 100 тысяч штук, было сказано, что научного интереса это не представляет. Доклад у проф. Д.А. Арзамасцева в Уральском политехническом университете также встретил непонимание.
Очевидно было, что специалистам электрических сетей и систем чужды проблемы главных электриков заводов, и особенно, деятельность помощников. по электрооборудованию начальника цеха. Встреча с Фёдоровым, немереное число книг которого стояло на проектных полках, стала неизбежной. Без предварительной договорённости в конце 1977г. я зашёл к проф. А,А. Фёдорову, представился, и мы поговорили. Ясно было, что проблема разнообразия установленного и ремонтируемого ему близка: он даже по-фёдоровски улыбался, когда я приводил нелепые примеры ассортицы. Оставив диссертацию и блестящее заключение объединённых кафедр ТПИ, Фёдоров А.А. сказал, чтоб я заходил. И действительно, в январе 1978г. я выступил на заседании кафедры, и после положительного заключения, подал заявление на имя проректора по науке проф. Г.М. Уткина.
Далее всё было бы хорошо, если бы проф. Фёдоров А.А. не потребовал исключить из представленной работы две главы, а в остальных учесть замечания профессора Чеботарёва Е.В., поразившего меня по-абзацным чтением диссертации и теми ста письменными вопросами, которые он мне передал (весьма лестно отозвавшись о работе и засвидетельствовав это письменно, проф. Чеботарёв Е.В. пытался разобраться в математической стороне ценологической теории, особенно в части отсутствия среднего и бесконечности дисперсии. Но в то время мне ещё не были известны обосновывающие труды академиков Хинчина, Колмогорова, Гнеденко по бесконечно делимым распределениям, представляемым в диссертации как Н – распределение).
Два года я не мог согласиться, что главное сделанное мной – открытие закона информационного отбора, определяющего, в частности, построение, функционирование и развитие электрического хозяйства заводов, и кардинально меняющего представления естественного отбора - должно быть выброшено из диссертации. Конечно, я был не прав, если цель – защитить докторскую. В полной мере правоту Фёдорова я понял во время защиты (которая состоялась 13 ноября 1981г.), когда его установку, что защищается только проектирование электроремонтного цеха, я твёрдо и неукоснительно придерживался. Нарушение напутствия, прежде всего, упоминание открытых мной законов и закономерностей, безусловно привело бы к отрицательному результату. Впрочем, это другая история, которая, надеюсь, будет опубликована.
Прохождение в ВАК диссертации по специальности 05.09.03 - электрооборудование, названной по рекомендации проф. Фёдорова А.А. «Организация, построение и управление электрическим хозяйством металлургических предприятий», оказалась не простой. Пришла разгромная отрицательная рецензия от «чёрного оппонента», на которую по каждому из пунктов мной были подготовлены не менее резкие ответы, суммарно утверждающие, что оппонент не разобрался в существе диссертации (следует, по-видимому, опубликовать всё это как пособие молодому учёному, каким явилась, несомненно, книга «Прав ли профессор Строев», зафиксировавшая трудное прохождение докторской моего ученика В.В. Фуфаева; сейчас их семь).
И здесь в моей дальнейшей научной судьбе сыграл большую роль профессор Владимир Васильевич Шевченко. Однажды он вызвал меня и сказал, что в ближайшее время состоится Президиум ВАК, на котором, в числе прочих вопросов, будет принято решёние по моей диссертации. Помолчав, пояснил, что работу сочли слишком теоретической; многие понятия, термины, определения новы, введены автором и неизвестны специалистам (а я то полагал тогда и полагаю сейчас, что это положительные стороны, если работа логически выстроена, математически безупречна, статистически проверена), а поэтому можно говорить о недостаточном и нельзя – о широком внедрении результатов. Рекомендации по моему поведению на Заседании, которые сформулировал проф. Шевченко В.В., были предельно ясны: не вступать в дискуссию и не торопиться с ответами, стараться сводить все вопросы к практическому использованию, захватить с собой несколько новых актов внедрения.
С последним для меня, работника Гипромеза, не было
трудностей. Запроектировав электротехническую часть и участвуя в строительстве
свыше 200 крупных объектов, в части из которых я, естественно, внедрял свои наработки; разработав отраслевые нормы
по электроснабжению и электроремонту; подготавливая циркулярные письма
Главэнерго и Главпроекта Минчермета СССР; создав отраслевую информационную базу
«Черметэлектро», содержащую с
Всё время прохождения диссертации я продолжал проектировать, всё в большей степени занимаясь отраслевыми проблемами электрики, рецензируя электротехническую часть ТЭО, технических проектов и пр. - всего выполняемого для отрасли. Со временем это сделало меня главным конструктором отраслевой САПР-Чермет, в создании которой участвовало свыше 30 институтов. Возникало много новых задач, для решения которых требовалось привлечение науки. Анатолий Анатольевич, вероятно, как практик осознавал, что науку о проектировании и эксплуатации электрического хозяйства надо начинать с образования.
Таким образом, необходимость проведения исследований и подготовки
специалистов-электриков именно в этой области электроснабжения (уровни 1УР –
6УР) обусловила создание в
Кафедрой ЭПП МЭИ были разработаны методы выбора напряжений при минимальном числе трансформаций; числа, мощности и места расположения подстанций; параметров элементов систем электроснабжения с учетом динамики нагрузок; способов сохранения устойчивости двигателей при кратковременных перерывах электроснабжения; различных АВР, отдельных устройств РЗиА; подходов к оптимизации показателей качества электроэнергии. Широчайшее распространение получили учебники проф. А.А. Федорова. Электроснабжение промышленных предприятий как учебник под разными названиями издавалось 1951, 1956, 1961, 1967, 1972, 1979, 1981, 1984 гг. Учебник переведён на ряд языков, в том числе на английский (1971, тираж 11000 экз.), китайский, испанский, румынский, болгарский, арабский. Существует и ряд других его книг, пособий, справочников, написано свыше 100 научных работ. А.А. Фёдоров остаётся непревзойдённым специалистом по количеству изданных учебников и справочников. Учебник 1961г. имел тираж 25 000 экз.; 1967г. – 60 000. Справочник энергетика промышленных предприятий (1961) под его общей редакцией Госэнергоиздат напечатал тиражом 200 000 экз.
иРис. 1. Типовая схема электроснабжения, используемая в дипломном
проектировании
Отдавая дань Анатолию Анатольевичу Фёдорову как организатору, нельзя не отметить его научные достижения, главным из которых является последовательное отстаивание особости внутризаводского электроснабжения. В своей докторской «Научные основы расчёта и выбора важнейших параметров систем электроснабжения промышленных предприятий» (1972) он поставил вопрос об оптимальности выбираемого варианта схемы электроснабжения. Он предложил некоторую типовую электроснабжения (см. рисунок), которая де-факто устанавливала уровни системы электроснабжения потребителя (отметим, что эта схема составляла основу дипломных проектов чуть ли не двадесятилетия).
Уже в конце 50-х и все 60-е годы в стране стало резко расти отношение устанавливаемой трансформаторной мощности к фактической максимальной получасовой. По ряду заводов оно превысило пять, даже по трансформаторам 6-10 кВ. Фёдоров остро поставил вопрос о сокращении числа трансформаций как о резерве экономии энергоресурсов. Выступая на 3-м Всесоюзном научно-техническом совещании по экономии и оптимизации электропотребления в цветной металлургии (1974), заметил, что в связи с концентрацией промышленных предприятий в городах, с быстрым ростом и увеличением объёма строительства (а это, в конечном итоге, приводит к росту потребления электрической энергии) активизируется необходимость создания рациональных систем электроснабжения, отвечающих наиболее экономичному и оптимальному использованию энергетических ресурсов. По мере развития электропотребления усложняются и системы электроснабжения промышленных предприятий и городов. Это в большинстве случаев происходит потому, что создаваемые при реконструкции сети не соответствуют плану развития предприятия даже на ближайшие 5 лет. По этой причине на промышленных предприятиях в городах появляются сети многих напряжений. Как следствие, появляется недопустимо большое число трансформаций.
Например, на Магнитогорском металлургическом комбинате имеются напряжения 500; 220; 110; 35; 10; 6; 3; 0,5; 0,38; 0,22 кВ. Это вызывает наличие 6-8 трансформаций. Конечно, предприятие относительно старое и наличие такого большого числа напряжений и трансформаций может быть объяснено постоянным ростом предприятия и развитием технологических процессов, что вызвало необходимость реконструкции сети электроснабжения « на ходу». Но и создаваемые предприятия, например, Запсиб имеют набор напряжений: 220; 110; 35; 10; 6; 3; 0,38; 0,22 кВ. В Москве существуют, как и в других крупных городах, трансформации 500/220; 220/110; и далее 35, 10, 6 кВ. Каждая трансформация ведёт к потерям (для шести трансформаций Фёдоров называет величину 30 %).
Ссылаясь на
опыт Франции, где каждый крупный город опоясан кольцом с радиусом 20-
Проф. Фёдоров А.А. был убеждённым сторонником внедрения (перехода) на 20 кВ. На кафедре ВЗЭС МЭИ была выполнена научно-исследовательская работа «Определение рационального напряжения и схемы по Истринскому району системы электроснабжения Мособлэлектро», где рассмотрены варианты электроснабжения района на напряжениях 6; 10; 20; 35 кВ. В каждом варианте электроснабжения учитывались затраты по трансформаторам и линиям. По величине годовых суммарных затрат от величины напряжения доказана рациональность перехода работы на 20 кВ с годовой экономией топлива 40 тыс. т/год.
Фёдоров подчёркивал, что многовариантность задач систем внутризаводского электроснабжения требует проведения технико-экономических расчётов при выборе наиболее рациональной схемы. Получение удовлетворительного результата затруднено несовершенством методов определения оптимальных параметров; большим количеством вариантов, которые требуют рассмотрения; зависимостью качества решения от опыта проектировщика; отсутствием ясности по перспективе технологического и электрического развития. Фёдоров называет основные факторы, влияющие на оптимальность проекта и эксплуатации систем электроснабжения: выбор номинального напряжения; число трансформаций, включая определение числа и мощности силовых трансформаторов; решения по электрической сети, определяющие радиальное или магистральное построение (вид конструктивного исполнения внутри заводской сети, в формулировке Фёдорова); расчёт сечения проводов и жил кабелей; применение компенсирующих устройств.
Он предложил практические пути решения, возникших задач. Они заключаются, во-первых, в разработке методов расчёта, приспособленных к новым условиям; во-вторых, в постановке обучения и в подготовке кадров, владеющих новой техникой и готовых к освоению новых методов проектирования; в-третьих, в реализации схемных и установочных решений систем электроснабжения промышленных предприятий на основе типовых и блочных решений. Рассмотрение всех задач необходимо осуществлять в динамике. Это всё, и сложность, определяемая многовариантностью, дало проф. А.А. Фёдорову основания для принятия решения о скорейшем оснащении кафедры цифровой вычислительной техникой и обучения студентов работе на ней. Через издательство МЭИ им было выпущено учебное пособие «Основы технико-экономических расчётов в электроснабжении промышленных предприятий с применением ЦВМ».
Технико-экономических расчёты проводились на основе метода наименьших затрат, действовавших в стране около 40 лет, разработанных АН СССР, утверждённых Госпланом и Госкомитетом по науке и техники СССР. Выбор лучшего из двух или более вариантов осуществлялся сравнением капитальных вложений в объекты народнохозяйственного назначения (капитальное строительство сейчас называют инвестиционным процессом и включают в него формирование инвестиционного замысла и цель инвестирования, ходатайство о намерениях, обоснование инвестиций, разработку Проекта или ТЭО, бейсик-проекта, тендерной документации, затем собственно проектирование – составление рабочей документации для строительства, строительство объекта, его эксплуатация и последующая ликвидация).
Лучшим считался вариант, где были меньшими затраты, определяемые как сумма текущих издержек (себестоимости) и капитальных вложений в народное хозяйство, умноженных на нормативный коэффициент окупаемости, который (у Фёдорова) принимался равным 0,15-0,125 (отсюда срок окупаемости принимался равным 6-8 лет). Обратим внимание, что указанный подход есть подход вероятно-статистический, опирающийся на среднее, в то время как окупаемость, себестоимость, расход ресурсов есть величины ценологические, следовательно, различающиеся 2-3, в 10 раз и более. Так, окупаемость может составить месяцы, а может и годы, а то и десятилетия. Решает не средняя норма, а инвестор, который оценивает ситуацию стратегически (сейчас в России наметился возврат к нормированию энергоресурсов по среднему, а не опираясь на ценологические представления). Что касается коммерческой эффективности проектов (есть ещё общественная), то надо знать о дисконтировании денежных потоков, чистом доходе, сроке окупаемости, индексах доходности, оценке финансовой реализуемости проекта в целом.
Ключевым для взглядов и деятельности проф. А.А.Фёдорова является его участие в 50-70-е годы в решении проблемы расчёта электрических нагрузок – важнейшего раздела дисциплины «электроснабжение промышленных предприятий». Были определены все необходимые коэффициенты (использования, загрузки, одновремённости, спроса, максимума и др.) для отдельных электроприёмников и их групп и разъяснена схема расчёта «снизу – вверх». Поясним метод, переписав рис.1 в виде рис.2, где по уровням от первого до ГПП представлены места определения расчётных нагрузок. Принципиально, что для расчёта и выбора трансформатора ТП нужны ВСЕ электроприёмники первого уровня 1УР, подключаемые к магистрали «2» (справа), или ВСЕ приёмники 1УР и ВСЕ шкафы 2УР, подключаемые к щиту низкого напряжения за трансформатором.
Рис.2. Схема
характерных мест определения расчетных нагрузок в системе электроснабжения
промышленного предприятия
Фёдоров подробно описывает метод, приводя специальную схему (рис.3) для определения нагрузок в системе электроснабжения промышленного предприятия: 1 – нагрузки, создаваемые отдельными приемниками; 2 – нагрузка линии, питающей ряд приемников; 3 – нагрузка на шинах низшего напряжения цеховой трансформаторной подстанции; 4 – нагрузка на шинах высшего напряжения цеховой трансформаторной подстанции с учетом потерь в трансформаторах; 5 – нагрузки на шинах низшего напряжения ГПП, создаваемые каждой из отходящих линий, с учетом потерь в них; 6 – общая нагрузка на шинах низшего напряжения ГПП; 7 – нагрузка на шинах высшего напряжения ГПП с учетом потерь в трансформаторах; 8 – нагрузка на шинах подстанции энергосистемы, создаваемая промышленным предприятием, с учетом потерь в питающей линии
Рис.3.
Схема расчёта нагрузок
Очевидно, что метод расчёта электрических нагрузок «снизу вверх» несовместим с инвестиционным процессом. Вопрос разрешим комплексным методом расчёта нагрузок, но это требует специального рассмотрения. Для рисунков 2 и 3 характерно выделение в качестве самостоятельных уровней низкой высокой сторон любого трансформатора. Это в современных условиях не нужно. Во-первых, проводник к трансформатору (и двигателю) должен выбираться не под его расчётную нагрузку, а по номинальной мощности (точнее, под 140% мощности трансформатора). Во-вторых, потери в трансформаторе не интересуют ни энергосистему, ни потребителя (эгергосбережение здесь нами не рассматривается), если учёт энергосистемой организован на высокой стороне (потребитель платит за всё подводимое). Следовательно, на схемах указаны лишние уровни. В-третьих, магистраль или щит за трансформатором завод-изготовитель конструирует (выпускает) по току, соответствующему номинальной мощности трансформатора. Следовательно, встаёт вопрос об определении величины нагрузки участка в целом (2УР), отделения в целом (3УР). А это не требует перечня электроприёмников.
«Среди элементов систем электроснабжения, - писал А.А. Фёдоров, - особое место следует отнести шинопроводам». Он довёл до практического номографического вида расчёт динамической устойчивости шинопроводов переменного тока при коротком замыкании с учётом дополнительных усилий, возникающих от частоты собственных колебаний для случаев с жёсткими и иными изоляторами. Что касается выбора экономически целесообразного сечения кабелей и воздушных линий по минимуму годовых затрат, то проведенная интерполяция по методике Лагранж и методике Ньютона позволила построить параболическую зависимость потери электроэнергии в линии – затраты на прокладку большего сечения. Это наглядная зависимость вошла в практику принятия инженерных решений и воспроизводилась учебниками разных авторов, учитывается и сейчас.
Существенным для научной деятельности проф. А.А. Фёдорова явилось обоснование выбора местоположения ГПП, ГРП, ТП, «поскольку оптимальное размещение питающих подстанций на территории промышленного предприятия – важнейший вопрос при построении рациональных систем электроснабжения». На основе картограммы нагрузок предложено определение условного центра электрических нагрузок с нахождением зоны рассеяния как для статического, так и для динамического состояния системы электроснабжения промышленного предприятия. Считая координаты центра случайными величинами, которые подчиняются нормальному закону распределения, были найдены коэффициенты корреляции, с использованием которых определялась ориентация координатных осей, эллипса рассеяния и его построение. Сегодня ценологичность объектов электрики делает подобные расчёты излишними, хотя сам принцип размещения источника питания вблизи наибольшей нагрузки сохранился и, всего вероятнее, сохранится навсегда.
Навсегда сохранится и память об Анатолии Анатольевиче Фёдорове как специалисте, увидевшем специфику и не сводимость внутризаводского электроснабжения к электрическим сетям и системам «большой энергетики» (что и составило сущностную основу электрики), как основателе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», как организаторе науки по кафедре, подготовившей свыше 200 кандидатов и докторов для России и многих стран, как учёном и практиком, по учебника которого учились, а справочниками пользовались несколько поколений инженерно-технических работников.
Основные учебные издания.
Федоров А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий, – М.: Энергия, 1967. – 416 с.
Федоров А.А., Попов Ю.П. Эксплуатация электрооборудования промышленных предприятий. – М.: Энергоатомиздат, 1986. − С. 278.
Федоров А.А., Ристхейн Э.М. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергия, 1981. – 360 с.
Федоров А.А. Справочник электрика промышленных предприятий. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1954. – 1040 с.
Федоров А.А. Теоретические основы электроснабжения промышленных предприятий. – М.: Энергия, 1976. – 272 с.
Федоров А.А. Электроснабжение промышленных предприятий. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1961. – 743 с.