// Электрика. - 2001. - № 1. - С.2-5.
ЭЛЕКТРИКА: ВСТУПАЯ В ТЫСЯЧЕЛЕТИЕ
Кудрин Б. И.
Для того, чтобы прояснить общее направление нового журнала, его цели и задачи, а также сориентировать будущих авторов, полезно, вступая в третье тысячелетие, проанализировать и оценить всю научно-прикладную историю применения электрической энергии. На основе ретроспективы выполним глобальный прогноз путей будущего использования электричества, применяя само понятие электричество в максимально широком смысле. Классики так его и воспринимали, называя электричеством обширнейшую область теоретического знания и практического применения, включающую свойства, действия и проявления, получение, преобразование, передачу и распределение, и наконец, использование электричества как материала и энергии во всех видах.
Хотя наблюдение явления электризации и рождение самого слова уходят в античность, лишь XIX век сформулировал в 1800—1830 гг. электрическую науку и создал в 1830—1870 гг. электрическую технику. Первая со временем из учения об электричестве превратилась в теоретические основы электротехники — ТОЭ, вторая — в электротехнику как отрасль промышленности и сферу деятельности, в частности, в направление высшего образования.
В русском языке электротехника истолковывается как наука о применении электричества для практических целей, а также само это применение. Электротехническая же промышленность всегда рассматривалась как основная техническая база электрификации страны. При этом речь шла об изготовлении изделий, которые затем вместе с другими образуют электрическое хозяйство — электрику сегодняшнего техногенного общества. Электрическое хозяйство можно рассматривать поэлементно, например устройство и работу отдельного электродвигателя, затем выделять электрические цепи и системы, опираясь на жёсткие классические законы ТОЭ, можно — как некоторое сообщество (техноценоз) изделий—элементов—особей (единиц, штук), которые стали частью электрического хозяйства не в одно время, поступили не от одного изготовителя, большей частью не по каким-то (пусть и классическим) формулам, но по субъективным привязанностям, объективным обстоятельствам, а то и случайно.
Завершённость основ электротехники отразилась в установлении наименования электрических единиц (CGS — 1881 г., SI — 1960 г.), характеристик переменного тока (1889), системы символов и обозначений (1893), наконец, в образовании (1904) Международной электротехнической комиссии — МЭК (электротехнический отдел Русского технического общества был организован в 1880 г. Тогда же начал выходить журнал "Электричество"). Даль ещё на знал слова электротехника, но словарь начала XX века Ф. Павленкова уже называл электротехнику "прикладной наукой, указывающей наилучшие практические приёмы и способы для устройства электрических приборов и приспособлений их к различным промышленным и культурным целям".
Так мы приходим к задачам электрики: из сконструированных и уже изготовленных электротехникой изделий представить некоторый образ — будущий объект, чтобы документально обосновать инвестиции и разработать рабочую документацию на электрическую часть объекта; выполнять строительные работы, монтаж, наладку, приёмо-сдаточные работы; осуществлять эксплуатацию электротехнических изделий и их электроремонт; обеспечивать электробезопасность и экологические ограничения, предусматривать утилизацию продуктов жизнедеятельности электрического хозяйства и ликвидацию его (в целом или части).
Электрическое хозяйство не может функционировать и развиваться без различных видов обеспечения, прежде всего без обеспечения электрической энергией. Развитие электротехники привело к электроэнергетике с её доминирующей ролью в XX веке (в 1924 г. был образован МИРЭК, который стал решать проблемы "большой энергетики"). В нашей стране развитие электроэнергетики осуществлялось в соответствии с основными направлениями плана ГОЭЛРО: строительство по единому государственному плану, опережающее развитие тяжёлой промышленности и электрификации при концентрации мощностей и централизации электроснабжения, создание на предприятии единого энергохозяйства (заметим, что термин электроэнергетика отсутствует в Энциклопедическом словаре 1955 г., у Ожегова 1989 г. и в ГОСТ 19431-74; но появился в ГОСТ 19431-84, в Советском энциклопедическом словаре 1981 г.).
Журнал будет интересовать, что теоретически означает и к чему на практике приведёт утверждаемое Гражданским кодексом РФ равенство таких юридических лиц, как энергоснабжающая организация и потребитель, переход от абсолютизма большой энергетики к тезису "потребитель всегда прав". Для повышения эффективности использования энергии важно понять, что в настоящее время качественно отличает электрическое хозяйство предприятия (организации) от электрического хозяйства заводов (комбинатов) времён начала индустриализации (об электрическом хозяйстве квартиры, коттеджа или офиса возможно говорить лишь в последние десятилетия, до 60-х годов его просто не было). Другими словами: что есть и какая будет в XXI веке электрика промышленности и быта?
Прежде всего следует уточнить, что проблема "электрификации всей страны" к 2000 г. не решена, если обратиться к реальной жизни на большей части территории России. Это касается не только северных и арктических регионов, занимающих 2/3 территории страны (где проживает "лишь" 9 млн человек), но и Центральной части России, Северо-Запада, Урала и Поволжья. В глубинке напряжение днём может зашкалить 250 В, а вечером упасть до 190 В и ниже. Речь идёт о трансформации и распределении электроэнергии через воздушную одноцепку или однотрассовую ЛЭП 35-110, 6-20 кВ, трёхфазную линию 0,4 кВ, линию фаза-ноль 380/220 по посёлку или между поселениями для рассредоточенных отдалённых небольших единичных нагрузок с резкими суточно-климатическими одновременными колебаниями нагрузки на всём множестве потребителей электроснабжения. Регулирование напряжения по ПУЭ, осуществляемое энергоснабжающей организацией на шинах 6-20 кВ, не обеспечивает у электроприёмников требований ГОСТ к качеству электроэнергии. Это и технически реализуемая в настоящее время схема электрификации от системных электрических сетей, фактические планово-ремонтные, аварийные, а сейчас и платёжные отключения, а также предупредительные отключения и обрывы при грозе, ветре, дожде и снеге едва ли позволяют говорить о завершённости электрификации.
План ГОЭЛРО был правилен и необходим (без последующего разрушения действовавшей сети мелких энергоисточников), пока стояла проблема индустриализации, решить которую было невозможно без гигантов металлургии, химии, машиностроения. Они, в свою очередь, требовали сооружения гигантов энергетики, ставших приоритетными. Положение изменилось в последние десятилетия, когда приоритетными стали требования потребителя. Мировая электротехника давно это поняла, буквально завалив потребителя не только тем, о чём он знает, но и тем, чего он и представить не мог. Большая электроэнергетика лишь начала идти по этому пути. Задача журнала — сформулировать требования потребителя к энергоснабжающей организации.
Существуют пока мало известные широкому кругу электриков постулаты (законы), которые обеспечивают само существование электрического хозяйства и указывают количественные параметры его устойчивости и эффективности. Одна из целей журнала — познакомить с ними. Оказывается, электрическое хозяйство (мы до конца этого не осознаём) создаётся (проектируется, строится), функционирует (эксплуатируется и ремонтируется) и развивается (модернизируется и технически перевооружается) не столько на основе классических законов механики и ТОЭ, сколько на основе некоторых ценологических ограничений (ограничения самоорганизации). Они утверждают необходимость математически определённых соотношений по количеству между крупным, средним и мелким или между уникальным (единичным) и стандартизованным (массовым).
Исторический опыт свидетельствует, что новая теория, какие бы практические результаты она ни давала, а тем более новое мышление, не сразу овладевает массами. Формирование (построение) электрического хозяйства и закономерности его функционирования — сравнительно новый объект исследования. В 1944 г. при Государственном комитете обороны была создана Госинспекция по промышленной энергетике и энергонадзору, основан журнал "Промышленная энергетика", введена должность главного энергетика на предприятиях с мощностью 1000 кВт. В вузовской подготовке заговорили о внутризаводском электроснабжении и электрооборудовании, инженерах-электромеханиках, электрификации (по отраслям). Всему этому были материальные предпосылки. Построение электрического хозяйства первенцев пятилеток основывалось на классических представлениях механики и электротехники. Тогда можно было подсчитать все режимы для каждого двигателя (электроприёмника), а суммировав, получить электрическую мощность, расход энергии, объёмы энергосбережения. И это было правильно и реализуемо, если в кузнечном цехе устанавливалось 11 двигателей, в динасовом — 23 (на крупном заводе в целом на уровне 1000), а сортамент был единичен.
Количественное увеличение и качественное усложнение устанавливаемого электрооборудования и сетей электрики в 50—60-х годах привели к вероятностным системно-кибернетическим представлениям. В их основе — убеждение в существовании среднего, в наличии отраслевых норм на единицу выпускаемой продукции (наличие математического ожидания) и возможной небольшой ошибки (конечность дисперсии).
Фактически же количество устанавливаемого оборудования стремительно увеличивалось (как и его разнообразие), составляя к началу XXI века тысячи двигателей для производств, десятки тысяч (и миллионы единиц НВА) для заводов. Добавим к этому: а) вхождение предприятия в рыночную среду, следовательно, изготовление только пользующегося спросом (это ведёт к разнообразию, требующему энергозатрат); б) изменение отношения с энергоснабжающей организацией и поставщиками оборудования; в) новый подход к инвестициям и их оценке, включая затраты на энергосбережение и повышение эффективности электрического хозяйства; г) усиление роли предпроектных стадий и согласований, когда принимают решения, не зная большинства деталей, в том числе данных по электроприёмникам.
Вступая в новое тысячелетие и столкнувшись с необходимостью управлять созданием, функционированием и развитием электрического хозяйства, ожидая революции на мировом рынке энергобизнеса, заключающейся в безусловном приоритете интересов потребителя (в том числе и за счёт того, что на смену электростанциям 1000—2000 МВт приходит строительство электростанций, рассчитанных на обслуживание единичных производств, организаций, домов), практически важен вопрос: что все это означает теоретически, что нового должно появиться в нашем знании, к чему мы должны адаптироваться?
Век электротехники опирался на классические представления: тела' (поля) и движение можно представить в идеальном виде, существуют жёсткие причинные связи и следствия. Математический аппарат — дифференциальное и интегральное исчисления. При заданных исходных данных решение однозначно и неотличимо от другого с теми же исходными данными. Существует обратимость и независимость решения от времени производимых вычислений.
Век электроэнергетики начал иметь дело с процессами и системами (классические представления первой научной картины мира имеют соподчинённое значение). Господствующее мировоззрение — вероятностные представления и системно-кибернетические взгляды, реализуемые теорией больших или сложных систем, системным анализом, системотехникой, теорией надёжности и массового обслуживания. Всё это основывалось на теории вероятности и математической статистике, которые предполагали действие закона больших чисел и центральной предельной теоремы. Решение любой задачи определялось параметрами распределения, так что с заданной вероятностью находился некоторый интервал, в котором и существовало решение.
Век электрики будет иметь дело со структурами ценозов и отбором (для техноценозов — информационным). В этом случае электрическое хозяйство есть слабо связанное и слабо взаимодействующее практически бесконечное (счётное) множество изделий (целостность), конвенционно выделяемых как сообщество (ценоз), адекватно не описываемое системой показателей, тождественно не равное другому при совпадении показателей, необратимо развивающееся (эволюционирующее). Математический аппарат — гиперболические Н-распределения (в технике) в видовой, ранговидовой и ранговой по параметру формах, которые не дают решения в точке из-за теоретического отсутствия математического ожидания (среднего). Однако оперирование с распределением в целом позволяет решать практические задачи определения параметров электропотребления, нормирования и энергосбережения, изменения организации электроремонта и повышения эффективности электрического хозяйства в целом и по отдельным составляющим.
Устойчивое и качественное электрообеспечение потребителей (и не только отдалённых) возможно, если одновременно с сетевым строительством и реконструкцией будут сооружены мелкие источники электроэнергии, работающие параллельно с энергосистемой или автономно. Фактически эти два направления (крупное как основа электроэнергетики, некрупное как составная часть электрики), должны быть гармонично увязаны. Мы не пошли по пути Австралии, решившей "ветряками" проблему фермерского освоения отдалённых районов, и не идём по пути Дании, которая эксплуатирует более 110 электростанций средней мощностью 3 МВт и вся уставлена ветроустановками, обеспечивая и электробезопасность страны, и энергосбережение, и экологию, полагая в пределе получать до 30% электроэнергии от ветряных электростанций (отчуждаемая площадь под ветряк 100 кВт составляет 9 м2). Норвегия планирует в 2030 г. потреблять органического топлива менее 4%, резко (практически с нулевого уровня) увеличив использование энергии ветра (12 ТВт•ч) и волн (10 ТВт•ч). В США мощностями некрупных электростанций собираются покрыть к 2010 г. не менее 25% потребности страны в электроэнергии.
Рассмотренная проблема строительства собственных источников электроэнергии тесно связана с общей тенденцией, характерной в настоящее время для средних и крупных металлургических, химических и других предприятий, отдельных посёлков и городов. Налицо стремление уменьшить свою зависимость от энергосистем в снабжении электричеством (и теплом — восстановление и строительство собственных котельных) путём использования ВЭР и установки генераторов небольшой мощности на напряжение не только 6 (10) кВ, но и 0,4 кВ. Характерен пример Магнитогорского металлургического комбината, который последовательно реализует эту концепцию, вводя новые мощности (при вдвое более дешёвой энергии, чем из ОАО "Челябэнерго"). С точки зрения электрики подобная децентрализация обостряет проблему технических условий, сформулированных в 60-е годы под взятые на себя электроэнергетикой обязательства обеспечить потребителей электроэнергией при минимуме приведённых затрат. "Правила пользования электрической энергией" стали обязательным документом для всех пользователей (включая проектировщиков). Выдача технических условий превратилась в процедуру, зачастую ущемляющую интересы потребителей. Поэтому для журнала будут важны вопросы взаимодействия между потребителями и энергоснабжающими организациями.
Строительство собственных источников электроэнергии, расширение и реконструкция электрического хозяйства, нормирование и энергосбережение во многом связаны с переходом в полном объёме ко взаимоотношениям, основанным на требованиях Гражданского кодекса РФ. Пока же равенство энергоснабжающей организации и потребителя как юридических лиц соблюдается не всегда, а переход от разрешительного на регистрационный принцип подключения лишь начинает обсуждаться. Без возможности свободной продажи потребителем электроэнергии от собственных источников по цене ниже тарифа в данном регионе трудно развить энергетику, опираясь на электростанции в единицы и сотни киловатт.
Другая проблема — качество электрической энергии. Электротехническая промышленность выпускает, например, дуговую электросталеплавильную печь и прилагаемое к ней сертифицированное оборудование. Электроэнергетика обеспечивает подачу электроэнергии также в соответствии с ГОСТ. Почему же потребитель, установивший печь, сталкивается с проблемой нарушения ГОСТа? Это относится и к регулируемому электроприводу, и к другому электрооборудованию.
Журнал будет последовательно пояснять практику применения и отстаивать принцип ГК РФ: потребление энергоресурсов — особый вид купли-продажи, не относящийся к сфере услуг; энергоснабжение должно осуществляться по публичному договору. Взаимоотношения потребитель—энергосистема — важнейшая, но не полностью рыночно упорядоченная область (в отличие от пары потребитель—электротехническое изделие), которая во многом определяет эффективность электрического хозяйства в целом и к которой примыкают проблемы прогноза параметров электропотребления на различные временные интервалы; нормирование по производствам и цехам; определение постоянной составляющей, отключений по очередям и лимитов; организация иерархии учёта и приборно-программное обеспечение, энергоаудит; создание системы энергосбережения и оценки результатов. Все эти проблемы будут в центре внимания журнала, как существенно влияющие на себестоимость продукции.
Менее, может быть, теоретически интересно, но несомненно более значимо практически применение новых электрооборудования, технологий, материалов и модернизация существующего, включая рационализацию схем электроснабжения и сетей, внедрение регулируемого электропривода, энергосберегающего электротермического и иного оборудования. Журнал предполагает информировать о новых разработках, об опыте проектирования, монтажа и наладки.
Особое место в журнале предполагается уделять электроремонту, понимая под этим все проблемы, связанные с обслуживанием, ремонтом и утилизацией электрооборудования. Электроремонт не исчезнет, но со временем он должен существенно измениться, учитывая "интеллектуализацию" техники и технологии, бульшую надёжность поступающего сейчас оборудования, распространение фирменного обслуживания, изменение соотношения между различными формами централизации, необходимость кардинального изменения системы планово-предупредительного ремонта. Будут публиковаться сведения о новых электроремонтных технологиях, изоляционных материалах и лаках, интерес представляет и информационное обеспечение электроремонта.
Если говорить о повышении экономической эффективности электрического хозяйства в современных условиях глобализации, включая электропотребление, то нельзя не использовать теорию, описывающую современный постиндустриальный мир, предлагая адекватные ему критерии эффективности. Но эта теория (самоорганизации, фрактальности, техноценозов, катастроф и др.) не изучалась нынешним поколением инженерно-технических работников. Поэтому в 24-х номерах планируется печатать лекции по курсам "Менеджмент электрического хозяйства" и "Закономерности построения и развития электрического хозяйства" с приведением математического аппарата Н-распределений и методик по нормированию, энергосбережению, прогнозу параметров электропотребления, а также методик, обеспечивающих повышение производительности труда при электроремонте. Одновременно будет опубликовано около тысячи терминов и определений электрики (из уже выделенных 20 тысяч слов, словосочетаний и фраз, которые позднее войдут в готовящийся к изданию "Словарь электрики").
Наряду с обозначенными направлениями журнал ставит своей целью публиковать статьи, представляющие интерес не только для широкого круга читателей, но и узкоспециализированные, имеющие практическое значение для улучшения работы отдельной единицы электрооборудования, отдельной сети или схемы.