Потребители электроэнергии и их классификация по уровням
Для понимания предлагаемой концепции Государственного плана рыночной электрификации России необходимо предварительно осознать: 1) что такое современный потребитель; 2) почему буксует программа энергосбережения (несмотря на созданную систему энергоаудита); 3) каков математический аппарат концепции ГОРЭЛ, точнее - в чём сущность нового мировоззрения.
Обратимся к рис. 2, который вошёл в учебники и справочники электроэнергетиков и описывает взаимосвязь объектов, обеспечивающих электроснабжение. Заметьте, как подробно представлена энергетическая система. Затем, как явствует из рисунка, небольшая добавка – потребитель – в виде «отдельных» электроприёмников (электропривода), которая превращает энергетическую систему в систему электроэнергетическую. Эта добавка не предполагает даже подстанции (трансформатор), которая в соответствии с идеологией «довести электроэнергию до каждой розетки» естественно должна входить в состав энергосистемы. Таким образом, существует общее, пока ещё непоколебимое убеждение чиновников, менеджмента, учёных и профессоров энергетики (субъектов электроэнергетики), что основные проблемы производства, передачи, распределения и использования электроэнергии – это проблемы «большой энергетики». Это убеждение стало концептуальной основой Закона «Об электроэнергетике», где потребитель не наделён никакими правами, а курс «Электроснабжение промышленных предприятий» стал прерогативой кафедр, готовящих специалистов для субъектов электроэнергетики.
Так что же фактически представляют из себя эти ЭП1, ЭП2, ЭП3 (рис.2)? Обратимся к уровням системы электроснабжения крупного, но обычного промышленного предприятия (рис. 3), которое и от РП системы питается по высоковольтной ЛЭП, и от автотрансформатора, и от блочного или иного трансформатора ТЭЦ (или на генераторном напряжении). Во всяком случае, речь идёт о шести уровнях системы электроснабжения потребителей, качественно различающихся. Изображенная на рис.3 система электроснабжения может быть оценена количественно как электрика – электрическое хозяйство крупного металлургического комбината, на котором, например, эксплуатируется 117111 шт. электродвигателей средней мощностью 48,4 кВт, в том числе до 100 кВт – 76,7; трансформаторов I-III габаритов 2626 шт. средней мощностью 854 кВА; IV габарита и выше – 165 шт. средней мощностью 28500 кВА; высоковольтных выключателей – 6136 шт., свыше 1,2 млн единиц низковольтной аппаратуры, 2 млн светильников. Такое количество элементов системы электроснабжения не даёт возможности изобразить полную схему электроснабжения завода. Общее количество изделий, узлов, деталей, образующих электрическое хозяйство крупных предприятий и содержащееся в какой-либо из спецификаций, оценивается в 1010 (общее их количество, образующее предприятие в целом – 1011), для средних предприятий количество элементов меньше в 10 раз, для мелких – в 100 раз. Приведём для 12 предприятий металлургии основные показатели из отраслевого информационного банка «Черметэлектро» за 1985 г. (табл.4), имея в виду продолжающееся увеличение количества установленного оборудования в 1999–2003 гг. Но организационные перестройки, связанные с выделением вспомогательных производств и служб, а также коммерческие ограничения не дают представить нынешнюю статистику.
Дело осложняется ссылками на коммерческую тайну. Хотя, надо сказать, что Российская Конституция полностью соответствует принципам информационной эпохи: «каждый имеет право свободно искать, получать, передавать, производить и распространять информацию любым законным способом», записано в ней. И в законе «Об информации, информатизации и защите информации» тоже говорится, что вся государственная информация является открытой, если она не составляет государственной тайны и не является конфиденциальной. Однако на практике право определять степень доступности информации остаётся за чиновниками, и в реальности получить доступ и к этой информации и ко многим другим видам сведений о деятельности органов государственной власти очень сложно.
Вопрос об уровнях системы электроснабжения потребителя, хотя это не всеми осознаётся, является ключевым при принятии ряда принципиальных решений. ПУЭ, назвав системой электроснабжения «совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией» (см. п.1.2.5), так определили потребителя: «электроприёмник или группа электроприёмников, объединённых технологическим процессом и размещающихся на определённой территории» (1.2.9). Определение ГОСТ 19431–74: «потребитель электрической энергии – один или группа приёмников электрической энергии предприятия или организации». Это толкование понятий «электроснабжение» и «потребитель» полностью соответствует представлениям «большой» энергетики, закону «Об электроэнергетике», постановлениям Правительства, подзаконным актам и образовательным программам. Но едва ли авторы этих и подобных определений распространяли понятие «группа электроприёмников» на данные табл.4 и думали, что можно представить всё это в формализованном виде для расчёта нагрузок, определения норм и лимитов, потерь и др. Рассматриваемые данные ценологические свойства проявляются, впрочем, начиная с десятков приёмников, с квартиры (табл.5). Мы считаем потребителем юридическое или физическое лицо, имеющее договор с энергоснабжающей организацией и выступающее как один абонент.
Естественно, что с точки зрения электросбережения необходима структуризация таких объектов электрики. В общем случае это касается электрического хозяйства всех потребителей, собственного (внутризаводского, по Фёдорову) электроснабжения, которое следует рассматривать вниз от границы раздела «потребитель – электроснабжающая организация». ГОСТ 19431–84 даёт более правильное понятие потребителя по сравнению с 1974 г., определяя его как «Предприятие, организация, территориально обособленный цех, строительная площадка, квартира, у которых приёмники электрической энергии присоединены к электрической сети и используют электрическую энергию». Но ряд явно ущербен; равенство же квартиры и, например, Магнитки априори содержит противоречие (логично устранённое законом «Об электроэнергетике», определившим потребителя как лицо, использующее электроэнергию для своих производственных или бытовых нужд), а присоединение электроприёмников сейчас всегда осуществляется через собственное вводное устройство (трансформаторы) так, что субъект электроэнергетики не имеет (и не должен знать, за исключением особо оговорённых случаев - в частности, по безопасности и нарушению качества электроэнергии) данных по составу, количеству и режимам работы электроприёмников.
Вопрос об уровнях возник в начале ХХ в., когда в Санкт-Петербурге, Москве, Ростове возникла необходимость питания разных потребителей и на разных напряжениях. Проблема обострилась с началом индустриализации, когда Главэнерго НКТП СССР осуществлял руководство всеми ТЭЦ заводов и контролировал всё внутризаводское электроснабжение от них, а за электриками заводов оставалось внутрицеховое электрооборудование. Практика проектирования и эксплуатации потребовала структурирования объектов системы электроснабжения, что привело к принципиальным решениям относительно сооружения подстанций малой мощности, утверждённых Электропромом 27 ноября 1934 г. Были выделены трансформаторные подстанции ТР или коммутационные пульты КР районной сети, коммутационные цеховые узлы (КЦ) и далее цеховые подстанции и низковольтные сети сечениями 6,10,16 мм2.
Отметим в связи с этим, что именно эти сечения послужили основой для введения получасового максимума нагрузки, так как постоянная времени нагрева таких кабелей требовала именно 30-минутного расчётного интервала нагрузки. Каялов Г.М., занявшийся расчётом нагрузок ещё в 1934 г., к 1937 г. предложил вполне логически построенную теорию, получившую название метода упорядоченных диаграмм и ставшую в СССР официозом. Теория опиралась на вероятно-статистические представления нормального распределения и с 70-х годов вошла в противоречие с ценологическими свойствами электрического хозяйства (противоречие снято использованием комплексного метода расчёта электрических нагрузок, 198 .
В ПУЭ эти идеи 30-х годов не получили развития, поэтому закрепилось деление на распределительные устройства напряжением до 1 кВ переменного тока и до 1,5 кВ постоянного тока, называемые низковольтными, и напряжениями свыше 1 кВ (высоковольтные РУ и подстанции). Некоторые предложения по структуре уровней, в том числе и А.А.Фёдорова, не получили развития из-за теоретической необоснованности и недостаточной общности. Очевидно, что от РП 6–10 кВ может питаться другое РП, а от щита 0,4 кВ – последовательно друг за другом – несколько шкафов (встречалось до семи, последовательно соединённых).
Практика проектирования, строительства и эксплуатации привела к необходимости различать уровни системы электроснабжения крупных промышленных предприятий (рис.3. Их формализованное описание, впервые мною предложенное в 1981 г., вошло в научные публикации, справочную, методическую и учебную литературу, включая базовый учебник по электроснабжению промышленных предприятий. Выделение уровней актуализировано ценологическим расслоением потребителей и реструктуризацией электроэнергетики. Потребитель взаимодействует с каждым из «квадратиков» (см. рис.4, на котором представлена предполагаемая структура участников рынка электроэнергии к 2008 г.). Другие потребители взаимодействуют с субъектами электроэнергетики, поведением отражая свой уровень системы электроснабжения. Уровень во многом определяет электрику объекта, включая предельно допустимую мощность, которую потребитель может «взять», технико-экономически оправданный уровень напряжения, схемные и иные решения. Выделяют следующие уровни.
Первый 1УР: питающийся по одной линии отдельный электроприёмник, агрегат (станок) с многодвигательным приводом или другая группа электроприёмников, связанных технологически или территориально и образующих единое изделие с определённой (документально обозначенной заводом-изготовителем) паспортной мощностью. 1УР составляет сущность электрики и определяет собственную схему электроснабжения потребителя (но не энергосистемы). Практически ныне отсутствует случай (факт), когда потребитель имеет строго один электроприёмник (в этом случае потребитель и электроприёмник тождественны). Специфика единичных крупных энергоёмких электроприёмников, питающихся «напрямую» от энергосистемы, здесь нами не рассматривается.
Второй 2УР, когда потребитель питается на напряжении ниже 1 кВ (наиболее распространено в России 0,4 кВ по системе 380/220 В). Это щиты распределительные напряжением до 1 кВ переменного тока и до 1,5 кВ постоянного тока, щиты управления, шкафы силовые, вводно-распределительные устройства, шинные выводы, сборки, магистрали. У этих потребителей нет экономической необходимости в штатном электрике (если они юридически самостоятельны).
Третий 3УР – щит низкого напряжения трансформаторной подстанции 10(6)/0,4 кВ или сам трансформатор (при рассмотрении следующего уровня – загрузка трансформатора с учётом потерь в нём). 3УР возникает, когда по различным причинам (мощность, удалённость, надёжность и др.) для электроснабжения потребителя необходима установка одного или нескольких трансформаторов 10(6)/0,4 кВ.
Четвёртый 4УР – шины распределительной подстанции РП 10(6) кВ (при рассмотрении следующего уровня – загрузка РП в целом), когда количество силовых и преобразовательных трансформаторов, появление высоковольтных двигателей вызывают необходимость сооружения распределительной подстанции РП 10(6) и когда неизбежно появляется технический персонал, обслуживающий уже достаточно развитое электрохозяйство.
Пятый 5УР – шины главной понизительной подстанции, подстанции глубокого ввода, опорной подстанции заводского района (производства, хозяйства). На 5УР мощность и расход электроэнергии таковы, что для осуществления электроснабжения от субъекта электроэнергетики требуется ввод 35, 110, 154, 220, 330 кВ, а для эксплуатации установленного оборудования и сетей создают электрослужбы и централизованные обслуживающие и ремонтные цехи.
И, наконец, ключевой для нас шестой 6УР, собственно граница раздела: субъект электроэнергетики (электроснабжающая организация) – потребитель. Например, Западно-Сибирский металлургический комбинат, не самый крупный, с максимумом нагрузки менее 400 МВт, получает питание от энергосистемы по 22 воздушным ЛЭП по 110 и 220 кВ и по 25 кабельным вводам 10 кВ от ТЭЦ. Заметим, что 6УР может проходить (совпадать) по любому из перечисленных уровней.
Тогда, опираясь на уровни, можно предложить некоторые общие правила, касающиеся «технологического присоединения к электрическим сетям», однако, их приятие возможно лишь при рассмотрении электрического хозяйства промышленности (сферы услуг) как некоторого ценоза – сообщества единиц технетики (техники, технологий, материалов, продукции, отходов). Это сообщество образовано практически бесконечным множеством слабо связанных и слабо взаимодействующих единиц-штук-особей, но выделяемых как единое хозяйство, цех. Любой ценоз индивидуален, для него не может существовать документация, подобная паспорту на изделие. Само сообщество не выделяемо (как дискретен и выделяем, например, двигатель), а границы, в частности электрических хозяйств, не очевидны, не совпадают с генпланом, границами других хозяйств и служб; определяются же они конвенционно (по договору). Таким образом, речь идёт о множестве, своеобразном сообществе-ценозе (греч. – koinos; фр. – cenose, англ. – cenosis, cоenosis; наука - coenology), что позволяет по-иному взглянуть на ключевые проблемы электротехники, электроэнергетики, электрики.