17 лекций по общей и прикладной ценологии

(применительно к электричеству)

 

Лекция 4. Электрика как развитие электротехники и электроэнергетики.

 

Мы говорим об электрике как науке и области практической деятельности, объектом изучения которой являются: 1) приобретение, установка, эксплуатация, ликвидация электротехнического оборудования, образующего производственную (завод), административно-хозяйственную (регион) или другую единицу-объект, выделяемую как единичная целостность; 2) получение (покупка) и использование электрической энергии как результат "рождения и жизни" завода, города? Речь идёт о потребителе любого электрического оборудования, для обеспечения функционирования которого он же становится потребителем электрической энергии. Двуединость определяет материальную, информационную, социальную специфику области потребления, специфику интересов, специфику проблем. И тогда правомерно рассматривать электрику как завершение развития электротехники и электроэнергетики.

Наука становится самодостаточной и признаётся самостоятельной дисциплиной, когда, во-первых, она опирается на предшествующие знания и опыт, но сталкивается с необъяснимым в прежних понятиях, случайно или осознанно (логически) приходя к новой гипотезе, новой терминологии; во-вторых, оказывается возможным выделить, определить, назвать область исследования; в-третьих, результаты наблюдений, опытов поддаются проверке, независимости повторения, воспроизведения или статистической достоверности; в-четвёртых, множество фактов укладывается в рамки новой теории, которая даёт предсказуемые результаты для явлений, процессов, необъяснимых в рамках прежнего научного знания; наконец, в-пятых, желательна формализация (по И. Канту: "…любая из естественных наук содержит в себе ровно столько науки в собственном смысле слова, сколько она содержит математики"). На все пять пунктов электрике есть чем ответить утвердительно.

Предъявим же абстрактно электрику как объект и статистически его охарактеризуем, обоснуем необходимость нового подхода и новой терминологии, предложим не применявшийся ранее ни в одной из технических наук аппарат негауссовой математики, покажем область применения нового ценологического подхода и практическую значимость предлагаемой теории.

Начнём с констатации, что потребитель как субъект электрики не отнесён ни к субъектам электротехники, ни к субъектам электроэнергетики. Федеральный закон "Об электроэнергетике" в общих положениях установил предмет регулирования и правовые основы экономических и производственных отношений в сфере электроэнергетики и определил полномочия, основные права и обязанности участвующих в процессе производства, передачи, распределения и потребления электрической и тепловой энергии.

Субъекты электроэнергетики законом определены как организации, осуществляющие деятельность в электроэнергетике, в том числе производство, поставку (продажу) электроэнергии, энергоснабжение потребителей (подчеркнём – до границы раздела), предоставление услуг по передаче, распределению и сбыту электроэнергии, услуг по диспетчерскому управлению в электроэнергетике, услуг по организации процесса купли-продажи электроэнергии и её коммерческому учёту. А что такое потребители электрической энергии? Это физические и юридические "лица, приобретающие электрическую и тепловую энергию для собственных бытовых и(или) производственных нужд". Следует согласиться с формулировками Закона в части точных и ясных определений.

С позиций теории и практики, потребитель действительно не есть субъект электроэнергетики, потому что электрическое хозяйство любой организации (предприятия) и квартиры (офиса), собственно и называемое электрикой, отличается от электроэнергетики структурой установленного электрооборудования и сетей, иным подходом к инвестициям (включая проектирование), к эксплуатации, ресурсосбережению, диспетчеризации, да и менеджменту в целом.

Может быть предложено и несколько иное определение. Потребитель (абонент) – физическое или юридическое лицо, которое осуществляет на возмездной основе как потребление электрической энергии (мощности), так и пользование услугами, оказываемыми субъектами электроэнергетики. Потребитель пользуется услугами и приобретает электрическую (тепловую) энергию (мощность) для собственных бытовых и(или) производственных нужд и нужд имеющихся у него абонентов.

По ГОСТ 19431–84 потребитель определён как предприятие, организация, территориально обособленный цех, строительная площадка, квартира, у которых приёмники электрической энергии присоединены к электрической сети и используют электрическую энергию. Для России речь идёт о 42 млн потребителей (абонентов). Вместе с тем, мы утверждаем, что между потребителем, использующим в пределе одну лампочку, и крупным заводом есть не только количественное (характеризуемое следующим ниже примером), но и качественные, фрактальные и техноценологические отличия, накладывающие ограничения на создаваемые системы (не описываемые теоретическими законами электротехники и направлением "Электроэнергетика" вообще).

Количественно электрическая часть, являющаяся частью электрического хозяйства – например, электрики Новолипецкого металлургического комбината – может быть охарактеризована следующими показателями (данные за 1985 г.): получасовой максимум нагрузки Рм=805 МВт; число часов использования максимума нагрузки Тм=7250 (что определяло годовое электропотребление около 5900 ГВтч); годовой коэффициент спроса Кс=0,19; число электродвигателей (мощностью 0,25 кВт и выше) – 70743 шт. средней мощностью Рср=45,8 кВт; трансформаторов I–III габаритов всего 1944 шт. средней мощностью 1079 кВА, IV габарита и выше (с печными) 132 шт/, 33318 кВА; выключателей высоковольтных 5029 шт., в том числе на напряжение 110 кВ и выше – 69 шт. Такое количество электротехнических изделий требует качественно иного математического аппарата для описания подобных множеств как целостности, где элементы классифицируются по видовой принадлежности. Электрическое хозяйство обычной квартиры также характеризуется большим количеством электроприёмников (пример их перечня по частоте встречаемости приведён в таблице).

 

Электроприёмники квартиры.

Электроприёмник

Электроприёмник

Электроприёмник

Электроприёмник

I

Часы

26

Ночник

51

Водонагреватель

76

Принтер

2

Люстра

27

Дрель

52

Сушилка обуви

77

Диктофон

3

Лампы

28

Вентилятор

53

Мобильный телефон

78

Бигуди

4

Детские игрушки

29

Кофемолка

54

Зарядное устройство

79

Колонки усилительные

5

Калькулятор

30

Миксер

55

Кварцевый излучатель

80

Витафон

6

Бра

31

Тестер

56

Радиатор

81

Музыкальный центр

7

Настольная лампа

32

Пульт управления

57

Лампа газовой плиты

82

Шлифовальный станок

8

Фонарь (карманный)

33

Фотовспышка

58

Компьютер

83

Центрифуга

9

Телевизор

34

Торшер

59

Кухонный комбайн

84

Соковыжималка

10

Утюг

35

Бритва

60

Игровой компьютер

85

Факс

11

Ёлочная гирлянда

36

Кофеварка

61

Морозильная камера

86

Вертел

12

Аудиомагнитофон

37

Фотофонарь

62

Мясорубка

87

Тепловентилятор

13

Фен

38

Плита

63

Тостер

88

Плед

14

Фумигатор

39

Фотоувеличитель

64

Шашлычница

89

Синтезатор

15

Кипятильник

40

Радиоприёмник

65

Щётка

90

Гитара

16

Паяльник

41

Ультрафиолетовая лампа

66

Рефлектор

91

Охранная сигнализация

17

Холодильник

42

Грелка

67

Камин

92

Ноутбук

18

Звонок

43

Зажигалка

68

Глянцеватель

93

Привод антенны

19

Стиральная машина

44

Диапроектор

69

Массажёр

94

Ростер

20

Щипцы

45

Вафельница

70

Нагреватель

95

Титан

21

Видеомагнитофон

46

Самовар

71

Подогреватель питания

96

Плитка

22

Пылесос

47

Машинка для стрижки

72

Эпилятор

97

Ксерокс

23

Фотокамера

48

Радиотелефон

73

Видеокамера

98

Киноаппарат

24

Чайник

49

Микроволновая печь

74

Ёлочная мигалка

99

Швейная машина

25

Плеер

50

Ёлочная звезда

75

Валенок

100

Озонатор

 

Введём определение электрического хозяйства промышленных предприятий (и потребителя вообще) – это совокупность генерирующих, преобразующих, передающих электроустановок и электрических сетей, посредством которых осуществляется снабжение предприятия электроэнергией и использование её в процессе технологического производства; в электрическое хозяйство входят: 1) установленные и резервные электротехнические установки, электрические и неэлектрические изделия, не являющиеся частью электрической сети (цепи), но обеспечивающие её функционирование; 2) электротехнические и другие помещения, здания, сооружения и сéти, которые эксплуатируются электротехническим или подчинённым ему персоналом; 3) финансовые, людские, вещественные и энергетические ресурсы; организационное, информационное, социальное обеспечение, которые необходимы для жизнедеятельности электрического хозяйства как выделенной целостности с экологическими ограничениями и ограничениями, накладываемыми субъектами энергетики на электропотребление (электроснабжение) потребителя.

Электрическое хозяйство включает в себя электрическую часть электроэнергетики от 6УР до 1УР (рис. 1). Определение электрического хозяйства позволяет выделить электроэнергетику потребителя (электрику) и подчеркнуть, что лишь она может решить проблемы энергосбережения и снизить вдвое электроёмкость ВВП. Подчеркнём, однако, два важных положения:

1. Последовавшее в 6080-е годы завершение индустриализации страны и вступление России с 90-х годов в постиндустриальное глобализирующееся общество вынудили сменить концепцию развития электроэнергетики.

2. Законы и постановления Правительства РФ последнего времени не выделили электрику, включая внутрипотребительское электроснабжение как объект права, законодательных рассмотрений (синонимы электрики: промышленная электроэнергетика; промышленное электроснабжение; внутризаводское электроснабжение; электроэнергетика промышленных предприятий; электрооборудование – по отраслям; электрификация – по отраслям; электрическое хозяйство объектов промышленности, организаций, учреждений, сферы услуг и быта, ЖКХ, сельского хозяйства, объектов науки, культуры, спорта, ВПК; электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование; энергетические имущественные комплексы предприятий и ЖКХ, включая их управление и регулирование).

Рис. 1. Уровни системы электроснабжения.

 

Электротехника включает теоретическую электротехнику, электрические машины, изоляционную и кабельную технику, электрические аппараты, светотехнику и источники света, электроакустику и звукотехнику, электротермические процессы и установки, полупроводниковые преобразователи электроэнергии, технику сильных электрических и магнитных полей. Электротехническая промышленность являлась основной технической базой электрификации страны. Таким образом, речь всегда шла об изготовлении изделий, которые затем вместе с другими изделиями, созданными другими отраслями, собственно и образуют электрическое хозяйство.

Так мы приходим к задачам электрики: представить из сконструированных и уже изготовленных электротехникой изделий некий "энергетический" образ – проект будущего объекта, чтобы документально обосновать инвестиции и подготовить рабочую документацию на электрическую часть объекта; выполнять строительные, монтажные, наладочные, приёмо-сдаточные работы; осуществлять эксплуатацию электротехнических изделий и их ремонт; обеспечивать электробезопасность и экологические ограничения, предусматривать утилизацию продуктов жизнедеятельности электрического хозяйства и его ликвидацию (в целом или части).

Как область народного хозяйства, науки и техники энергетика охватывает энергетические ресурсы, производство, передачу, преобразование, аккумулирование, распределение и потребление энергии. Электроэнергетика выступает как раздел энергетики, обеспечивающий электрификацию страны. При этом электроснабжение рассматривается как обеспечение потребителей электроэнергией, оставляя за потребителем все проблемы использования электроэнергии от 6УР и ниже. Таким образом, электроэнергетика ограничивается договорным разделом на 6УР, который может быть совмещён с любым уровнем системы электроснабжения электрики: 2УР – для минипредприятий по 0,4 кВ (90 % всех предприятий страны); 3УР – для мелких (9 %) по 10/0,4кВ; 4УР – средних (0,9 %) по 10(6) кВ; 5УР – крупных. На каждом предприятии и на каждом из уровней может быть собственная электростанция (генератор), на крупных – ТЭЦ.

Уровни могут быть идентифицированы и по-другому:

l Первый 1УР составляет сущность электрики и определяет схему электроснабжения потребителя (но не энергосистемы). Практически же ныне отсутствует случай (факт), когда потребитель, как это было до 1941 г., имеет строго один электроприёмник (в этом случае потребитель и электроприёмник тождественны). Существует специфика единичных крупных энергоёмких электроприёмников, питающихся "напрямую" (например, дуговая электропечь от энергосистемы), порождая при этом множество электроприёмников, питающихся с разных уровней;

l Второй 2УР, когда потребитель питается на напряжении ниже 1 кВ (в России наиболее распространено 0,4 кВ по системе 380/220 В). У этих потребителей нет экономической необходимости в штатном электрике;

l Третий 3УР, когда по различным причинам (мощность, удалённость, надёжность и др.) для электроснабжения потребителя необходима установка одного или нескольких трансформаторов 10(6)/0,4 кВ;

l Четвёртый 4УР, когда количество силовых и преобразовательных трансформаторов, появление высоковольтных двигателей вызывают необходимость сооружения распределительной подстанции РП 10(6), когда при этом неизбежно появляется электротехнический персонал, обслуживающий уже достаточно развитое электрическое хозяйство;

l Пятый 5УР, на котором мощность и расход электроэнергии таковы, что для осуществления электроснабжения требуется ввод 35, 110(154), 220(330) кВ или десятки вводов от ТЭЦ, а для эксплуатации установленного оборудования и сетей создают электрослужбы и централизованные специализированные обслуживающие и ремонтные электроцехи.

Для решения большинства вопросов, связанных с выпуском нормативной документации и текущей практикой, важно формализовать выделение того потребителя, о котором идёт речь. И если О. Дерипаска даёт 1 млрд долл. на окончание строительства Богучанской ГЭС под строительство нового алюминиевого завода, то это совсем не означает, что мелкий бизнес и новосёл могут заплатить 45 тыс. руб. за 1 кВт (как это утверждено для Москвы), т. е. 1800 долл./кВт, в то время как покупка 1 кВт генерирующего оборудования требовала в 2007 г. в среднем 600–750 долл.

Правильнее связать статус потребителя с уровнем системы электроснабжения, от которого он питается (см. рис. 1) и который характеризует его электрическое хозяйство. Начнём рассмотрение с шестого уровня 6УР системы электроснабжения как определяющего возможность технологического присоединения, последующие взаимоотношения с энергоснабжающей организацией, границы балансовой и эксплуатационной ответственности. Потребитель может получать питание:

l по линии электропередачи Л-1 – как правило, воздушной ЛЭП от подстанции энергосистемы или РУ 110 кВ ТЭЦ энергосистемы (в этом случае потребителю не известны или не представляют для него интереса данные по источнику питания ИП-1, и он ограничивается сведениями по ЛЭП);

l от автотрансформатора AT районной подстанции (иногда называемой узловой УРП, которая имеет, как правило, собственное имя – например Северная, Металлургическая, Новокузнецкая), возможное напряжение высшее в энергосистеме, подстанция удалена на расстояние, обусловленное неэлектрическими требованиями (сохранение электроснабжения района при крупных авариях на предприятии и др.);

l от трансформатора T-1, установленного на подстанции энергосистемы, которая питает одно или несколько предприятий (потребителей), расположена вблизи, а иногда на территории предприятия и играет роль, близкую к роли главной понизительной подстанции (ГПП) предприятия;

l по линии Л-2 от одной из РУ 10(6) кВ или от ТЭЦ энергосистемы на генераторном напряжении, в этом случае 6УР может проходить по шинам 10(6) кВ и, следовательно, линия Л-2 будет потребительской.

6УР ключевой, определяющий,. Выше зона ответственности, область исследования, проектирования, эксплуатации субъекта электроэнергетики (электрические станции, электрические сети и системы). Ниже зона ответственности электриков электрики. Часть от границы раздела "предприятиеэнергосистема" до ТП 10/0,4 кВ и ниже, включая ГПП, РП и сети, собственно и есть электрика. Электроустановки и сети 0,4 кВ многочисленны и разветвлены, их параметры и конфигурация определяются электроприёмниками (на схеме в качестве 1УР условно показаны осветительная нагрузка, выпрямительное устройство, двигатель, нагревательное устройство). Эту часть – от ТП до отдельного электроприёмника – на предприятии и в проектных организациях называют силовым электрооборудованием, а сети (Л14–Л16 и др.) цеховыми.

Число вводов присоединения предприятия к энергосистеме или к электростанции на генераторном напряжении – от двух и более (в некоторых случаях несколько десятков). Возникает задача определения нагрузки предприятия: расчётного значения (проектного или договорного), суммирования показаний счётчиков или фактического суммирования, осуществляемого приборами в режиме реального времени.

Присоединение со стороны предприятия к энергосистеме можно осуществлять:

l через ОРУ (ЗРУ) 110 кВ, как для Т-2 (может быть глухой ввод кабельной линией 110 кВ);

l через РП 110 кВ предприятия, от которого питаются специальные подстанции (например, печная Т-3) и обычные ГПП (например, с трансформаторами с расщеплённой обмоткой Т-4;

l через ГРУ 10(6) кВ собственной ТЭЦ (в последние годы у потребителей устанавливаются отдельные генерирующие мощности, не образующие ТЭЦ), где установлены трансформаторы связи Т-5) через РП 10(6) кВ предприятий, которые иногда называют ЦРП – центральными.

Также в последние несколько лет сформировалась тенденция установки потребителями на всех уровнях генерирующих мощностей, которые, как правило, используют вторичные и возобновляемые энергоресурсы. Перед электрикой возникла проблема присоединения этих микро- (2УР), мини- (3УР) и малых ТЭЦ (4УР) к сетям субъекта электроэнергетики. Необходим закон, обязывающий электроснабжающую организацию принимать от потребителя электроэнергию, выработанную этими генераторами.

Пример реального 6УР приведён на рис. 2 для крупного металлургического комбината, у которого имеется три блок-станции (ТЭЦ) общей мощностью 600 МВт. Вокруг электростанций и узловых районных подстанций УРП формируются опорные подстанции ОП сетевых районов потребителей с нагрузкой от 130 до 200 МВт. Электроснабжение большинства технологических цехов и крупных энергетических объектов организовано по схемам глубокого ввода.

 

Рис. 2. Схема замкнутых сетей высокого напряжения

 

Говоря об уровнях, следует иметь ввиду, что и Госстрой, и Минпромэнерго РФ классифицируют потребителей по величине мощности, продолжая тем самым традиции прошлых десятилетий. Это ошибочно, если говорить об электрификации всей территории России, где 20 млн человек живёт без электричества. Есть масса населённых пунктов, где живёт 5–10–20 тыс. человек, где предприятие с нагрузкой, близкой к 10 МВт, считается крупным. Однако сегодня для потребителя вводится соответствующая "квалификация" в отношении его мощности. Согласно Правилам оптового рынка, он должен владеть "на праве собственности или на ином законном основании энергопринимающим оборудованием, суммарная присоединённая мощность которого равна или превышает 20 МВА". Указанные значения меняются, но сохраняется сам принцип делить потребителей не по способу подключения, а по величине мощности (Государственная Дума РФ намеревается регламентировать и мощность, и энергию).

Укажем ещё на особенность объектов электрики – невозможность использования прямого счёта и среднего значения при нормировании удельных расходов электроэнергии (которые остаются выше в три и более раз относительно развитых стран по одноимённой продукции).

Проблема нормирования и экономии энергии возникла давно, но обострилась с индустриализацией. ЦК ВКП(б) потребовал строгой регламентации работ и осудил применение статистических методов при нормировании (1935 г.). Положение не улучшалось, а война ужесточила требования к экономии (промышленность в 1944 г. потребила 82 % общего полезного отпуска энергии). Это потребовало создания Госэнергонадзора (Постановление Государственного Комитета Обороны от 16.05.1944 г. "Об экономии электроэнергии в промышленности"). Для предприятий с мощностью 1000 кВт была введена должность главного энергетика, а при 3000 кВт он становился заместителем главного инженера. В Постановлении, в частности, говорилось: "Технически обоснованное нормирование энергопотребления является тем главным звеном, без которого борьба коллектива энергетиков, технологов, металлургов, механиков за экономию электрической и тепловой энергии не может быть поднята на высокий уровень". ГКО обязал наркоматы утверждать в Госплане при СНК СССР технически обоснованные удельные нормы электроэнергии на основные виды своей продукции. При этом "Энергетиками предприятий должно быть твёрдо усвоено, что методология составления удельных норм должна базироваться только на аналитически-расчётной и экспериментальной основе при всестороннем учёте всех факторов, влияющих на электропотребление, и решительно должен быть отвергнут как порочный так называемый "статистический" метод".

Стремление "подсчитать всё" сохраняется до сих пор, закреплённое системой ГОСТ по энергосбережению. Но для объектов электрики нереализуема концепция, которая требует определять общецеховые энергозатраты для изготовления заданного количества продукции и исполнения услуг за определённый период как сумму отдельных расходов на: 1) технологические процессы (основной и вспомогательные); 2) отопление; 3) освещение; 4) вентиляцию (с улавливанием выбросов); 5) кондиционирование; 6) транспортирование готовой продукции; 7) транспортирование, хранение отходов; 8) поддержание противопожарной системы; 9) перекачку сточных вод; 10) хранение готовой продукции.

Это всё не только нельзя подсчитать, но и (что более существенно, невозможно приборно проконтролировать (завести все светильники под один счётчик и др.): ценологическая теория это запрещает.

Изложенное требует уточнения понятий "потребитель", "электроприёмник", "электроустановка". Потребитель (придерживаясь приведённого выше определения ГОСТ 19431–84 и считая его правильным) есть лицо (абонент), энергоустановки которого присоединены к сетям энергоснабжающей организации и который на границе "предприятие–энергосистема" имеет инструментальный или иной учёт параметров электропотребления. Определение ПУЭ менее удачно: "потребителем электрической энергии называется электроприёмник или группа электроприёмников, объединённых технологическим процессом и размещающихся на определённой территории". Во-первых, оно ставит знак равенства между потребителем и электроприёмником, что физически и юридически ошибочно; во-вторых, группу приёмников как отдельного потребителя следует выделять административно, и она не всегда объединена технологически или территориально. Следует считаться с условностью, неформализуемостью понятия "цех" и возможностью выделения из него отделений, участков, отдельных сложных агрегатов, требующих отдельного питания и учёта электроэнергии.

Приёмником электроэнергии называют устройство (аппарат, агрегат, установку, механизм), в котором, происходит преобразование электрической энергии в другой вид энергии (или в электрическую же, но с другими параметрами) для её использования. По технологическому назначению приёмники электроэнергии классифицируют в зависимости от вида энергии, в который данный приёмник преобразует электрическую энергию, в частности: механизмы приводов машин и механизмов; электротермические и электросиловые установки; электрохимические установки; установки электроосвещения; установки электростатического и электромагнитного поля, электрофильтры; установки искровой обработки; электронные и вычислительные машины; устройства контроля и испытания изделий.

Электроустановками называют совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, передачи, накопления, распределения электрической энергии и/или преобразования её в другой вид энергии. Электроустановка – комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений. Примеры электроустановок: электрическая подстанция, линия электропередачи, распределительная подстанция, конденсаторная установка, индукционный нагреватель.

Электрикам приходится создавать и эксплуатировать различные объекты, не называемые электроустановками (склад лака, инструментальная, площадка хранения кабельной продукции, электротехнический конструкторский отдел, установки пожаротушения, воздухозабор и воздуховоды); на них распространяются другие правила безопасности и устройств, строительные нормы и правила. Часть таких объектов рассматривается в ПУЭ, например пневматическое и масляное хозяйства. Для них электрики выступают как технологи (требования ПУЭ являются основой задания на проектирование и строительство).

Специалисту электрики необходимы соответствующие знания, он должен быть готовым управлять этой большой (сложной) технической системой, оперативно решая все вопросы и увязывая все три крупные составляющие (разделы) электрификации: 1) электроснабжение; 2) электропривод, силовое электрооборудование и автоматизацию, электроосвещение; 3) организацию и управление электрическим хозяйством, включая электроремонт. При этом должно выполняться целевое назначение электрического хозяйства – обеспечение потребителей электроэнергией определённого качества и/или преобразование её в другие виды энергии при заданных бесперебойности и живучести.

Обращая внимание на подготовку специалистов, отметим, что электрификация сельскохозяйственного производства и электрификация железнодорожного транспорта отнесены к разным отраслям науки. Это общий процесс – в частности, электрохимические производства отнесены к отрасли "химическая технология", электрометаллургия – к металлургии. Для "энергетики" как отрасли технической науки и отрасли экономики естественно выделение общей энергетики, определяющей энергетическую стратегию на 10–20 лет и предлагающей решения по энергетической безопасности Российской Федерации до 2050 г. и далее. Энергетика выделяет из разного рода генерирующих электрических установок электрическую часть электрических станций, электроэнергетические системы и сети (передача и распределение электроэнергии), электроснабжение. Особняком стоит специальность "Техника высоких напряжений" и быстро развивающееся "Преобразование возобновляемых и нетрадиционных видов энергии".

Особого рассмотрения заслуживает группа специальностей по электрооборудованию (по отраслям). Во-первых, таких отраслей в экономике много, и они разные (сравните состав электрооборудования текстильной или пищевой промышленности с металлургией и нефтехимией); во-вторых, у них различны электроприводы, электротехнологии и др. (привод шахтного подъёма и установки разливки стали, электролиз алюминия и гальваника механического цеха); в-третьих, существуют общие принципы построения системы электроснабжения на высших уровнях. Тогда правильнее было бы назвать специальность "Электрооборудование и электроснабжение (по отраслям)". Фактически же это и есть "Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений", что вместе с менеджментом электрического хозяйства и определяется как электрика.

Электрическое хозяйство современного промышленного предприятия представляет собой, с одной стороны, сложную систему со множеством взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, организованных в подсистемы; с другой – сообщество слабосвязанных и слабовзаимодействующих изделий (техноценоз), свойства которого начинают проявляться с определённого количества элементов и степени сложности, точнее, с определённого уровня знания о нём. Описание (математическую модель) электрической части отрасли, предприятия, производства, цеха, отделения, участка, отдельной единицы оборудования как объекта проектирования можно реализовать через систему показателей (образов – графических, цифровых, таблично-текстовых) с соблюдением принципов иерархии систем, целостности, автономности, дополнительности (сложная система во взаимодействии со средой проявляет разные свойства в различных ситуациях), действия, начинающегося с порогового значения, неопределённости, выбора, структурированности (устойчивости структуры любого ценоза) и устойчивости развития.

Математическая ценологическая Н-теория, подтверждённая статистическими результатами, называет пределы управления структурой электрического хозяйства. Надежда, высказанная Гильбертом, что математики в ХХ веке овладеют способами решения оптимизационных задач, оказалась не осуществлённой, несмотря на успехи численных методов отыскания безусловного и локального экстремума, исследования операций, теории локальных экстремумов, принятия решений в условиях нечётких множеств, альтернативных целей, интервальных и лингвистических оценок, неочевидных возможностей, нейронных сетей. Ценологический же результат, во всех случаях, есть число (область), выбор (да/нет) наилучшего варианта из множества рассматриваемых. Решение для данной особи-элемента ценоза есть точка, вектор-функция в n-мерном пространстве данных, ограничений, целей.

Предлагаемые критерии Н-распределения заключаются в некоторых количественных ограничениях, накладываемых законом информационного отбора. Критерии, во-первых, указывают "направление" принятия "оптимального" решения и не связаны с (не)правильностью решения для отдельной особи ценоза (установка электропривода 1УР, шкафа 2УР, трансформатора 3УР, подстанции 4УР, ГПП 5УР, выбора сечения или способа прокладки отдельной ЛЭП). Во-вторых, существует обширная область "равновозможного", "равнооптимального": ценоз не существует в статике (статичны наши модели–срезы); на структуру электрического хозяйства непрерывно воздействует множество факторов, которые умножают или порождают отдельные особи (появление вида – действие вне ценоза). Отбор устремляет ценоз в состояние "норма", обеспечивая устойчивую структуру Н-распределения. В этом случае принятие решения зависит от долговременной цели – например, извлечение прибыли и повышение эффективности сегодня требует увеличения доли саранчёвых каст (выпуск, ремонт), а конкуренция, энергосбережение – доли ноевых.

Приведём три примера неучёта техноценологических свойств, которые нанесли (и наносят) ущерб предприятиям (экономике). Без изменения принципов расчёта нагрузок, норм электропотребления, трудоёмкости электроремонта – т. е. самогó инженерного мышления – обречены на неудачу многие проекты и решения.

Пример 1. Для конечного числа электроприёмников, подключаемых к 2УР (определяемому количеством линий, отходящих от шкафа), выполняют на основе представлений Ньютона–Максвелла подсчёт нагрузок, опирающийся на исследование режимов работы отдельного электроприёмника (расчёт снизу-вверх). Этот подход берёт начало в 30-х годах, его математическая основа – нормальное распределение, убеждённость, что при устремлении в бесконечность количества электроприёмников коэффициент максимума Км стремится к единице (это вытекает из нормального распределения), что существует среднее для приёмников одной характерной группы ("при бесконечно большом количестве приёмников пики нагрузки отдельных приёмников перекрывались бы, и прибором показывалась бы средняя нагрузка, бóльшая из которых за интервал и была бы расчётным максимумом Рp=Рм"). Фактически же для электрических ценозов картина иная. На 6УР–4УР никогда Км не равен единице, статистически не доказуемо существование корреляционной зависимости Км и числа электродвигателей. На электроприёмники 0,4 кВ накладываются единичные мощности, на два–три порядка большие, не образующие непрерывный ряд мощностей (в диапазоне, например, 10000–30000 кВт). Пусковые режимы и режимы КЗ не рассматривают при определении нагрузки на 6УР. Когда определяют нагрузки, не учитывают изменение коэффициента мощности, связанное с загрузкой; практически исчезло понятие КПД, не поднимают вопрос об учёте аварийного выхода продукции, составляющего 5–10 %.

Пример 2. Нормирование электропотребления всё ещё предполагает возможность рассчитать, например, для каждого станка на протяжении года все работы: для каждой изготавливаемой детали для всех технологических операций – усилия и скорости резания, время обработки, простоя, переналадки; для проката – определить расход электроэнергии в зависимости от температуры, скорости прокатки, трений в подшипниках, калибровки, технологических потерь для всех профилеразмеров и марок сталей (и этот расчёт считать достоверным на следующий год); выделить нетехнологические приёмники, разбить их на группы. Другими словами, предполагают существование среднего и конечность ошибки. Теоретически это возможно только при наличии нормального закона распределения; фактически же удельные расходы электроэнергии на кокс, прокат, по школам или однотипным квартирам различаются на один–два порядка.

Пример 3. Установленные и ремонтируемые электродвигатели из множества электроприёников (а также всё электрооборудование для целей электроремонта, монтажа, заказа комплектующих) при проектировании и эксплуатации считают возможным разбить по условиям работы, степени и характеру загрузки, состоянию окружающей среды, исполнению, значению в технологическом процессе, рассчитать трудоёмкость каждой единицы по всем видам ремонта и межремонтного обслуживания системы планово-предупредительного ремонта, а затем суммированием получить "правильный" результат "в пределах инженерной ошибки".

Неучёт ценологических свойств электрики, заключающийся в исследовании отдельного элемента (единичная нагрузка электроприёмника, отдельной технологической единицы; трудозатраты на ремонт единицы электрооборудования) для реализованных проектов по генеральной совокупности предприятий чёрной металлургии, другим промышленным объектам привел к завышению расчётных нагрузок на 50–200 % (это расхождение между проектом и фактическим значением при достижении проектной технологической производительности), а не на 10 %, как предусматривали действующие нормы. Наибольшая из известных ошибок составила на семилетнем интервале 5000 % (для Оскольского электрометаллургического комбината), что долго обсуждалось, пока применение комплексного метода расчёта нагрузок с модификациями не стало всеобщим. Для норм и лимитов электропотребления ошибки составляли 20–100 %, а наибольшая – 280 % (для доменной печи Новолипецкого металлургического комбината). При расчёте трудоёмкости электроремонта (численности электротехнического персонала) прямым счётом (до выхода наших норм, разработанных с учётом ценологических органичений) ошибки составляли 30–50 %. Наши рекомендации касались и несоответствия объёмов по ППР, и фактической численности: как и для нагрузок, они различалась на 50–200 %.

Электрика как наука доказывает: существование электрического хозяйства, которое абстрактно моделируется (но не выделяется физически, в отличие от дискретного электроприёмника); устойчивость структуры установленного оборудования; действие закона информационного отбора; возможность и практическую значимость математического описания непрерывными бесконечно делимыми негауссовыми Н-распределениями.

Наиболее общо можно говорить, что век электротехники привёл к веку электроэнергетики. Они стали основой современной цивилизации и подготовили основу для века потребления – века электрики.

Век электротехники опирался на сложившиеся к началу ХХ века классические представления НьютонаМаксвеллаЛоренца: телá (поля) и движение можно представить в идеальном виде, существуют жёсткие причинные связи и следствия. Математический аппарат дифференциальное и интегральное исчисление. При заданных исходных данных и единой системе электромагнитных единиц (введена в 1881 г., Париж; сейчас СИ по ГОСТ 8.4172002) решение однозначно и неотличимо от другого с такими же исходными данными. Существует обратимость и независимость решения от времени производимых вычислений. Это концептуальная основа теоретических основ электротехники, которые стали базой появления электроэнергетики и остаются теоретической основой электрики.

Век электроэнергетики (отсчитываемый у нас от плана ГОЭЛРО, 1920 г.) имел дело уже с процессами и системами (классические представления первой научной картины мира имеют соподчинённое значение). Господствующее мировоззрение вероятностные представления, восходящие к ЭйнштейнуБору, и системно-кибернетические взгляды (Богданов, Винер, Берталанфи), реализуемые теорией больших или сложных систем, системным анализом, системотехникой, исследованием операций, теорией надёжности и массового обслуживания, многоцелевой оптимизацией. Всё это основывалось на теории вероятности и математической статистике, предполагающей 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.

Век электрики (датируемый с 1944 г.) имеет дело со структурами ценозов и информационным отбором. Электрическое хозяйство как сообщество (ценоз) слабосвязанных и слабовзаимодействующих изделий, конвенционно выделяемое как целостность, адекватно не описывается системой показателей; тождественно не равно другому электрическому хозяйству при совпадении показателей; необратимо развивается (эволюционирует). Математический аппарат гиперболические Н-распределения в видовой, ранговидовой и ранговой по параметру формах, которые не дают решения в точке из-за теоретического отсутствия математического ожидания (среднего) и бесконечности дисперсии. Однако оперирование с распределением в целом позволяет решать практические задачи строительства и эксплуатации, определения параметров электропотребления, нормирования и энергосбережения, изменения организации электроремонта и повышения эффективности электрического хозяйства в целом и по отдельным составляющим.

 

            Контрольные вопросы:

1.       Что разделяет науку и ненаучные сферы деятельности (сравните астрономию и астрологию)?

2.       Охарактеризуйте научную основу электротехники и области производимой продукции.

3.       Определите электроэнергетику как область науки и практики, её теоретические основания, дайте определение субъекту электроэнергетики и потребителю.

4.       Приведите количественные показатели электрического хозяйства, характеризующего предприятие, организацию, сферу услуг; отметьте имеющиеся в Вашей квартире приёмники в приведённой таблице, дополните, сравните с имеющимся в купе вагона или номере гостиницы.

5.       Дайте определение электрическому хозяйству, назовите его составляющие.

6.       Соотнесите уровни системы электроснабжения с применяемыми электроустановками и группами потребителей.

7.       В чём практическая значимость применения ценологического подхода при определении параметров электропотребления и затрат на электроэнергию?

Б. И. Кудрин