Б.И.КУДРИН
ЭЛЕКТРИКА КАК РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
Третье издание
ТОМСК 1998
УДК 621.3
Б.И.Кудрин. Электрика как развитие электротехники и электроэнергетики. 3-е изд., испр. Изд-во Том. ун-та. 1998.-40 с.
Работа обобщает взгляды автора на изучение таких систем как электрическое хозяйство, включающее электроснабжение внутри промышленного предприятия и крупной коммерческой структуры, установленное оборудование предприятия, офиса, жилья, организацию внутризаводского и регионального электроремонта; дополняет ценологический подход монографии “Введение в технетику”, 1993 и освещает историю вопроса, математический аппарат безгранично делимых (негауссовых) распределений, модели простых чисел для представления гиперболического Н-распределения, примеры применения теории в различных областях использования электричества.
Для электриков и электромехаников, специалистов по теории систем, самоорганизации, фракталам, историков науки, философов. Полезна студентам, обучающимся по направлениям “Электроэнергетика” и “Электротехника”. Электромеханика. Электротехнологии” и получающим квалификацию бакалавра, инженера, магистра. Может быть интересна преподавателям, инженерно-техническим и научным работникам – технариям и гуманитариям.
ISBN5-7511-1007-2
К
© Б.И.Кудрин, 1994
© Вoris Кudrin, 1997
© Б.И.Кудрин, 1998
Введение. Известно качественное изменение научных взглядов и самого стиля мышления человека, связанное с исследованиями сложных (больших) систем. Результаты распространены на физические (химические) [1,2], биологические [3] и социальные [4,5] системы. Мной распространён этот подход на технические системы [6], в частности, на выделенное электрическое хозяйство, электрическую часть любых объектов народного хозяйства (потребителей) – электрику [7]. Для физико-химических систем показано рождение сложного из хаоса [1], выполнен анализ устойчивости и бифуркаций [2,6]. В физике, химии, машинной графике и архитектуре компьютеров широко используется понятие фрактальности, введённое Мандельбротом [8], позволяющее описывать бесконечное с неевклидовых позиций. Область применения нового подхода обширнейшая [2,4,5,9,10], её связывают с законами и закономерностями (распределениями) Ципфа, Парето, Лотки, Бредфорда, Фишера, Мандельброта, Юла, Виллиса, Прайса, Эступа, Хольцмарка, Уркварта. Сделана заявка [11] на науку о разнообразии.
Полагая существование ряда реальностей (систем): физические, биологические, технические, информационные, социальные – выделим из технических и информационных систем область, объединённую понятием «электричество». Научные открытия и потребности практики постепенно разделили эту область, соединяемую и сейчас теоретическими основами электротехники [12,13], на две науки, две отрасли народного хозяйства: электротехнику и электроэнергетику [14,15]. Увеличение объёмов выпуска и разнообразия электротехнических изделий и области выработки электроэнергии породили сложные системы потребления (в одном лице: изделий и энергии), которые определяют энергосбережение и которые начинают формулировать требования к своим "родителям". Однако объективные электротехнические и электроэнергетические потребности электрики, фундаментальные закономерности её развития (эволюции) еще не идентифицированы.
Терминология и постановка задачи. Общими понятиями энергетики и электрификации потребитель по ГОСТ 19431-84 определён как предприятие, организация, территориально обособленный цех, строительная площадка, квартира, у которых приёмники электрической энергии присоединены к электрической сети и используют электрическую энергию (поэтому для электроэнергетики как бы отсутствуют автономно питающиеся посёлки, стойбища, фермы, хозяйства). Употребление понятия «абонент» не меняет существа вопроса, заключающегося в материальном существовании самой крупной, вероятно, области интересов человечества: для России речь идёт о 35 млн. потребителей (абонентов).
Мы утверждаем, что между потребителем, использующим в пределе одну лампочку, и крупным заводом есть не только количественное, характеризующееся следующим ниже примером, но и качественные, фрактальные [2] и техноценологические [6], отличия, не описываемые ТОЭ [12] и накладывающие ограничения на создаваемые системы.
Количественно, например, электрическая часть, являющаяся частью электрического хозяйства – электрики Новолипецкого металлургического комбината, может быть охарактеризована следующими показателями (данные за 1985г.): получасовой максимум нагрузки Рmax=805 МВт; число часов использования максимума нагрузки Тм=7250 (что определяет годовое электропотребление А=РmaxТм около 5900 ГВт.ч); годовой коэффициент спроса Кс=0,19; число электродвигателей Nд (мощностью 0,25 кВт и выше) 70743 шт. средней мощностью Рср=45,8 кВт; трансформаторов I-Ш 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.
Общая оценка количества электротехнических изделий, блоков, узлов, деталей, комплектующих, простейших по ГОСТ 15.010-86 и иных изделий, материалов, конструкций, узлов, каждое из которых содержалось на чертеже, в спецификации, локальной смете; заказывалось, выделялось как отдельная единица, составляет 1010. Если рассматривать комбинат в целом как сложную систему, в частности, учесть технологическую, строительную, ремонтную и другие части (разделы), то общая оценка составляющих – 1011 элементарных изделий, единиц, штук (особей). Такую систему мы определяем как техноценоз [6], перенося на неё результаты [1,3,5], полученные ранее всего в гуманитарных областях.
Очевидно, что в любой единице электрооборудования, единичной линии и электрической сети по уровням системы электроснабжения (первый уровень 1УР – отдельный электроприёмник, станок, установка; 2УР – шкаф, щит, сборка, шинопровод, распредпункт 0,4 кВ; 3УР – трансформатор 10(6)/0,4 кВ; 4УР – распределительная подстанция 10(6)кВ; 5УР – главная понизительная подстанция (глубокого ввода, опорная) ГПП, ПГВ, ОП; граница раздела предприятия с энергосистемой – шестой уровень (6УР) проявляется действие электрических и магнитных сил, характеризующихся напряжённостью Е электрического поля, электрической индукцией D, напряжённостью Н магнитного поля, магнитной индукцией В. Причём
D=E; B=H, (1)
где – абсолютная диэлектрическая и – магнитная проницаемость.
Законы электромагнитного поля в одной и той же точке пространства в один и тот же момент времени в виде соотношения между E, D, H, B формулируются уравнениями Максвелла в вакууме, являющимися фундаментом теоретических основ электротехники и науки об электричестве вообще:
rot B=оj+о о , (I)
rot E=– , (II) (2)
div B=0, (III)
div E=/о, (IV)
где о, о – значения для вакуума; – объёмная плотность заряда; j – плотность тока. Они, вместе с законами механики Ньютона, которые могут быть записаны общим уравнением динамики
 (3)
где m – масса материальной точки; w – её ускорение под действием силы F; ri – векторы возможных перемещений точек системы, которые сохраняют для всякой замкнутой механической системы энергию А, импульс Р, момент М, и вместе с формулой силы Лоренца
F=qE+qvB, (4)
где v – скорость точечного заряда q, служат основой классической физики, не поколебленной Эйнштейном для мира непосредственных человеческих ощущений.
Законы Ньютона-Максвелла могут быть выведены из принципа наименьшего действия, утверждающего, что фактически происходящему движению системы соответствует экстремальное значение интегрального выражения, обладающего размерностью произведения энергии на время и называемого функционалом действия [16]. Преобразования пространственных и временных координат, не изменяющие функционала действия, указывают на симметрию пространства и времени. Нётер доказала, что закон сохранения энергии связан с однородностью времени, закон сохранения импульса – с однородностью пространства, закон сохранения момента импульса – с изотропией пространства. Для уравнений (2) требования инвариантности относительно преобразования потенциалов (симметрия) обуславливает закон сохранения электрического заряда.
Теоретическая доказанность и практическая убеждённость в применимости уравнений (1)-(4) для каждого электроприёмника и любой выделенной электрической сети (цепи) не означают их применимости к электрическому хозяйству как некоторому сообществу изделий (ценозу), каждое из которых как особь появилось в системе, во-первых, не только на основе выбора по законам Ньютона-Максвелла. Есть ещё ограничения на само применение законов (2,3) к системам: количество материальных точек должно быть конечным (как известно, в общем виде не решена задача о движении трёх тел, взаимно притягивающихся по закону тяготения Ньютона, хотя её решением занимались Лагранж, Эйлер, Пуанкаре); связанная с проблемой дальнодействия необходимость отнесения законов к одному времени и одной точке (2); обратимость, в общем случае, времени; однородность времени и анизотропность пространства.
Поставим задачу выявить отличия систем, определяемых теоретическими основами электротехники [12], от систем типа электрическое хозяйство [7]. Для этого предложим термины, которые будем использовать при описании обнаруженных нами свойств и явлений; сформулируем особенности математического аппарата, моделирующего структуру объектов электрики; покажем фундаментальность постулатов, определяющих их построение, функционирование и развитие; обоснуем значимость предлагаемого подхода для практики.
Электрическое хозяйство мы рассматриваем как совокупность (сообщество) установленных и резервных электротехнических установок; электрических и неэлектрических изделий, не являющихся частью электрической сети (цепи), но обеспечивающих её функционирование (эксплуатацию и ремонт); электротехнических и других помещений, зданий, сооружений, конструкций, которые эксплуатируются электротехническим или подчинённым ему персоналом; людские, вещественные и энергетические ресурсы, организационное и информационное обеспечение, которые необходимы для жизнедеятельности электрического хозяйства как выделенной целостности. Электрическое хозяйство включает в себя электрическую часть электроэнергетики от 6УР до 1УР. Целевое назначение электрического хозяйства есть обеспечение потребителей (электроприёмников) – собственно выделенного объекта – электроэнергией определённого качества или преобразование её в другие виды энергии при заданной бесперебойности (процесса обеспечения и преобразования) и живучести (электрического хозяйства как системы и его отдельных частей) с ограничениями по расходу ресурсов, электрической безопасности и безопасности экологической.
Определение электрического хозяйства позволяет выделить обширную область народного хозяйства, называемого далее электрикой (термин, уже получивший права гражданства), электроэнергетику промышленности и транспорта, объектов строительства, агропрома, коммунально-бытовых, спорта, культуры, науки, обороны и др. Электрика как научное направление и область практического приложения отличается от электротехники и электроэнергетики тем, что она использует уже изготовленные изделия и уже произведённую и транспортируемую до границы раздела 6УР электроэнергию.
Электротехника как отрасль науки включает в себя теоретическую электротехнику, электрические машины, изоляционную и кабельную технику, электротехнические комплексы и системы, электрические аппараты, светотехнику и источники света, электроакустику и звукотехнику, электротермические процессы и установки, полупроводниковые преобразователи электроэнергии, технику сильных электрических и магнитных полей. Электротехническая промышленность как отрасль всегда рассматривалась как основная техническая база электрификации страны [14]. Таким образом, речь всегда идёт об изготовлении изделий, которые затем вместе с другими изделиями, созданными другими отраслями, собственно и образуют электрическое хозяйство.
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 [15]. 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 совмещен с любым уровнем системы электроснабжения электрики [7]: 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 из предприятий (уровней) может быть собственная электростанция (генератор), на крупных – ТЭЦ.
Элементарная электрическая машина, работающая двигателем, описывается уравнением мощностей
u=e+ir, (5)
где u, i, e – мгновенные значения напряжения, тока, ЭДС; r – сопротивление проводника (для элементарного генератора: u=e-ir). Расчётная мощность Pp связывается с диаметром D, расчётной длиной якоря l и частотой вращения n коэффициентом использования
 . (6)
Переходной ток, возникающий в простой электрической цепи, удовлетворяет уравнению
 , (7)
где L – постоянная индуктивность; R – постоянное активное сопротивление. Сравним электротехническое изделие (машину), определяемую (5), (6), и отдельную электрическую цепь (7) с электрическим хозяйством.
Отметим, что из общей науки об электричестве, как раздела физики, первой выделилась и оформилась как самостоятельная – электротехника. На основании открытий в физике и эмпирического поиска технических решений в 1830-1870 годах электротехника превратилась к середине 1890 годов во вполне значимую отрасль техники. Развитие электроэнергетики, в частности – электроснабжения и электрификации, как фундаментальных разделов, можно датировать 1890-1930 годами [13]. Работы по созданию электрического двигателя (электромагнитной машины) и генератора (магнитоэлектрической машины) начались практически одновременно (1831-1834) и велись параллельно как разные виды работ вплоть до 1870 годов, считаясь технико-экономически бесперспективными. Лишь конструктивное решение процесса самовозбуждения (Сименс, 1867) решило проблему. Исследование электрических цепей связывают с Кирхгофом, Гельмгольцем, Томпсоном; идею передачи электричества – с И.Фонтеном (1873). Д.А.Лачинов, М.Депере (1880-1881) составили уравнения передачи электроэнергии, В.Томпсон (1879-1881) предложил принцип технико-экономического расчёта сечения провода, О.Лодж (1883) дал анализ потерь в линии электропередач. Усовершенствование трансформаторов, открытие вращающего магнитного поля (1886), введение Ч.Штейнмецом комплексных величин, исследование переходных процессов в высоковольтных установках свидетельствовали, что к 1910 годам электроэнергетика как область знаний и техники сложилась (первые случаи нарушения устойчивости дальних ЛЭП – начало 20-х годов). Вместе со строительством крупных заводов с 30-х годов стала проявляться специфика электрики, отражаясь в научной постановке [17] и директивных документах Наркомтяжмаша, в создании теории расчёта электрических нагрузок [18]. К 50-м годам объективность существования и требований электрики стала очевидной, что нашло отражение в нормативных документах Госстpoя, Минмонтажспецстроя, отраслевых министерств.
Уточним понятие техноценоз (электрический ценоз), имея в виду, что экология как наука о биологических системах надорганизменного уровня сложилась после победы популяционистского мышления над организмоцентрическим, после введения понятий сообщество и экосистема (в русской литературе после работ В.Н.Сукачёва употребляют термины биоценоз, предложенный К.Мёбиусом, 1877, и биогеоценоз). Для целей исследования и моделирования будем рассматривать электрическое хозяйство (или любое другое), цех (условно питающийся от 4УР), производство (5УР), предприятие (6УР), отрасль; село, город, регион, страна; отдельный крупный агрегат (сооружение) или территориально-производственный комплекс – как своеобразное сообщество слабосвязанных и слабо определяющих друг друга изделий – техноценоз. Учитывая состояние теоретических разработок и результаты практического внедрения, заимствуем далее из биологии [19] и у других наук [4,8,10,11] ряд терминов.
Изделие, электрическая машина (5), дискретно выделяемы как некоторая особь, штука, экземпляр; строго формализуемо выделение (декомпозиция, замещение) электрической цепи. Техноценоз не имеет чётких и очевидных границ: каждый специалист определяет их по-своему (генплан, электроснабжение, кадры). Речь идет о нечётких множествах, восходящих к Л.Заде [20], о конвенционности выделения техноценоза, о классификации для целей исследования и управления, о хаосе и сложности в смысле Пригожина [1], фрактальности [2,8] не только ряда объектов, входящих в ценоз, но и о фрактальности самого ценоза.
Изделие состоит из конечного числа составляющих, узлов, блоков, деталей. Техноценоз образован практически бесконечным количеством изделий: математически – это счётное множество с соответствующими парадоксами, восходящими к апориям. Это позволяет распространить на электрику аксиоматическую теорию множеств, прежде всего – аксиомы Цермело-Френкеля. Для инженера практически важен, например, парадокс части и целого, интуитивно широко используемый при проектировании. Тогда математически строго можно записать
|
