Электротехнический портал Элекаб - справочник электрика, энергетика.

О проекте
Авторам
Реклама на портале

 
Главная | Справочник | Схемотека | Нормативы | Форум | Статьи | Новости | Выставки | Пресс-релизы |




Главная >> Обзоры. Статьи. Информация. >> Электротехника. >> Электрикам об электрике: первая научная картина мира.

Электрикам об электрике: первая научная картина мира.

Говоря о глобализации, информатизации и других широко обсуждаемых проблемах, от которых зависит не только эффективность отраслей экономики, но и результаты вхождения России в постиндустриальное общество, нельзя не сосредоточить внимание на сегодняшней техногенной картине мира. На протяжении всей человеческой истории каждая из цивилизаций по-своему представляла окружающее, пытаясь ответить на вопрос, что оно из себя представляет, существуют ли общие свойства и закономерности материального мира, и в какой степени можно воздействовать на этот мир? Мы же говорим о научных картинах мира, каждая из которых выполняет эвристическую роль в процессе построения фундаментальных научных теорий и одновременно обладает объяснительными и предсказательными функциями.

Длительное время идея формирования единой научной картины мира существовала как идеал и была реализована в механическом классическом виде. Но в последней трети ХХ века возникла реальная необходимость объединить представления о пяти основных сферах бытия: неживой и живой природе, техногенном мире, информационной реальности, социальной жизни, синтезировав представления о научных картинах мира в нечто единое, которое развивается, опираясь на базисные принципы, имеющие общенаучный статус. В основу стремления построить общенаучную картину мира должны быть, конечно, положены сущностные особенности каждой из пяти сфер-реальностей, соединенные с общими принципами универсального эволюционизма, с единым понятийным и математическим аппаратом.

Первую научную картину мира связывают с именами Ньютона и Максвелла. Именно на неё опиралась и опирается в большой степени и сейчас вся подготовка специалистов в технических вузах, практика проектирования и построения, обеспечения функционирования и развития любого цеха, производства, предприятия в целом и отдельных его хозяйств.

Но современный технический (технетический) мир, включая электротехнику, электроэнергетику, электрику, уже не может создаваться и особенно управляться, опираясь только на знания, определяемые первой картиной. Недостаточны и вероятностные представления (вторая картина). Необходимо новое миропонимание, адекватное происшедшим изменениям и происходящему информационному переустройству. Решая проблему, будем опираться на размышления Эйнштейна [1] и используем общие представления Фейнмана [2], Пригожина [3], Стёпина [4], Кудрина [5, 6] для описания классической, вероятностно-статистической и ценологической научных картин мира, конкретизированных применительно к электричеству [7-13]. Ставится цель показать особенности каждой из картин, области их действия (табл. 1 – см. файл Картины мира) и те практические результаты, которые каждый специалист-электрик получит, зная специфику и возможности адекватного картине математического аппарата, индивидуализируя его применительно к поставленным задачам и исходным данным. Статья ориентирована на квалифицированных менеджеров, на научных и вузовских сотрудников, которые стремятся повысить свою квалификацию.

Начнем с простых примеров. Открытые физико-химические свойства чистой меди постоянны, не менялись и не изменятся, пока существует наша Вселенная (это и есть классические представления). Природная медь состоит из смеси двух стабильных изотопов с массовыми числами 65 (30,96%) и 63 (69,04%), что определяет атомный вес 63,54, плотность 8,96 (20оС), электрическое сопротивление 1,68.10-6 Ом.см (20оС), температурный коэффициент электрического сопротивления 4,3.10-3 К-1 (0-100оС).

В действительности множество факторов при выплавке меди, изготовлении провода, окислении его при эксплуатации и др. делает различающимися физико-химические свойства медного проводника (например, наклёп уменьшает электропроводность на 1-3%). Это может сделать отличающимися, но незначительно (во втором знаке) величины активного сопротивления и вес цветного металла, приводимые в таблицах и справочниках, изданных разными авторами или одним, но в разное время. Например, удельное сопротивление меди по справочнику Hutte [14] (в 1932 г. вышло уже 26-е изд.; первое – 1857 г) 0,0166 Ом.мм2/м (при 15оС); удельный вес 8,9; по справочнику Фёдорова А.А. [15] 0,0157 Ом.мм2/м (при 20оС); по [16] 0,0175-0,018 Ом.мм2/м (при 20оС).

Сделаем выводы: 1) существуют «истинные» физико-химические свойства, не зависящие от конкретного исследователя и его методики, не меняющиеся со временем (первая научная картина мира); 2) фактически нельзя обеспечить одинаковость техники, используемой для изготовления провода, и принятой технологии, однородность сырья, поэтому конечный продукт и отходы различны (вторая вероятностно-статистическая картина). Но эти различия незначительно расходятся с некоторыми среднесправочными, так что на практике пренебрегают ошибкой в величине допустимого тока, расчётных потерь, веса при монтаже.

Технические данные медных кабелей, приведенные в справочных материалах 1937 г. (табл. 2), не изменились и в наши дни. Действительно, допустимый длительный ток для этих кабелей сечением одной жилы 16 мм2 составляет 120 А, и эта величина не изменилась с начала индустриализации и соответствует ПУЭ 1999 г. Этот пример, и множество ему подобных, наглядно демонстрирует классические представления электротехники. Попутно заметим, что в 30-х годах выпускались кабели сечением 1,5; 2,5 и 4 мм2, отсутствующие сейчас в ПУЭ, как и трёхжильный кабель 300 мм2. Эти кабели не прошли испытания информационным отбором и не применяются в настоящее время: малые сечения из-за недостаточной механической прочности, больше – из-за трудностей монтажа: такой кабель попросту не согнуть.

2. Технические данные и стоимость прокладки медных кабелей (1937 г.)

Показатель

Значение показателя при  сечении одной жилы, мм2

1,5

16

95

300

Полная стоимость кабельной прокладки на 100 м трассы*, руб.

                      при одном кабеле

                      при трёх кабелях

                      при шести кабелях

 

 

195

1677

3194

 

 

344

1704

4724

 

 

1000

3479

9940

 

 

2570

7762

22789

Вес цветного металла, кг/км

40

415

2488

7855

Активное сопротивление при 80оС, Ом/км

14,7

1,38

0,233

0,074

Номинальная сила тока силовых кабелей**

30/-

120/120

340/340

650/-

 

* для кабеля СБС-6000 (для незаземлённой нейтрали) при прокладке в земляных траншеях, включая все строительные работы

** для кабеля СБ-1000 и СБС-1000 по ОСТ 6260 (Информация Электропрома, 1936).

Примечание. В скобках – допустимый длительный ток для кабелей с медными жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и нестекающими массами изоляцией в свинцовой оболочке, прокладываемых в земле по ПУЭ (1999 г.).

Обратимся к стоимости кабельных прокладок, определённой по методикам и ценам 1937 г. Очевидно, что эта величина (и ей подобные) не имеет смысла, если не зафиксирована во времени. Она никаким образом не определяет сегодняшнюю (и вообще любую – другого времени) стоимость, которая даже в пределах одного региона или отрасли может различаться в 2,3, 10 и более раз. Но главное не то, что величина стоимости менялась со временем. Главное – на все виды работ существовали в высокой степени детализированные единые для всей страны расценки – нормы (районные коэффициенты и различные поправки не меняют принципиально этот вопрос, как и введение ведомственных норм). Подчеркнем – единые и одинаковые нормы для работ одинакового наименования.

Пока использовалась лишь мышечная сила и простейшие орудия труда, например, лопата, возможно было устанавливать норму, соответствовавшую действительности. Г.Свифт, создавший индустрию мяса в США, и Г.Форд – автомобильную, довели дело до того, что рабочий, выполняя лишь одну технологическую операцию в течение всей смены и являясь малой частью единого технологического процесса, делал одно-два движения, отлаженных как швейцарские часы, что всегда считалось эталоном механической картины мира. Эти движения, которым неквалифицированный работник обучался в течение одного дня, легко обобщались, нормировались, контролировались.

Сравните изложенное со сценой званого обеда из Кагарлицкого Ю.И. (1974):

«…Стали разносить еду.

- Пить суп! – командовал голос. – Глоток! Два глотка! Три глотка! Стоп.

Все оставили суповые ложки.

- Глоток вина!.. Съесть ломтик хлеба! Пить! Глоток! Еще глоток! Стоп! Музыка!

После музыки ели хлеб.

- Укус! Два укуса! Три укуса!.. Проглотить! Есть луковицу!..

- Три минуты отдыха…». Очевидно, что здесь доведены до абсурдного совершенства представления классической научной картины мира.

Ф.Тейлор, создавая новую систему организации менеджмента, разложил на простейшие действия каждую трудовую операцию, взял время исполнения её лучшими работниками, нашёл наиболее экономичный способ выполнения каждого действия и всей операции в рамках единого технологического процесса. В качестве примера приводят 5-месячную разработку Тейлором лучшего способа работы лопатой. Сконструировав 15 видов лопат, каждая из которых предназначалась для определённого вещества, Тейлор подготовил инструкторов, которые обучали рабочих технологии обращения с лопатой, стремясь довести до «высокой техники обращения» с нею каждого работающего. В результате менее чем через 4 года 140 человек справлялись с работой, которую прежде выполняли 600 человек, получая зарплату на 60 % выше прежней.

Все описанное основано на механической картине, предполагавшей возможность всё измерить, а получив однозначные исходные данные, всё рассчитать. Причём и сама методика опыта и замеров (наблюдений) строга, не допускает двойного толкования, и расчётные формулы (законы) дают однозначные результаты, объективно не зависящие от вычисляющего субъекта (студента, профессора, компьютера) – они пригодны на все времена: есть «истинное» значение стоимости прокладки кабеля, трудозатрат на ремонт электродвигателя, времени между двумя капитальными ремонтами, величины расчётной мощности, расхода электроэнергии. Предполагается, что отличия малы и аналогичны различию в величине удельного электрического сопротивления меди. Следовательно, в практике проектирования и менеджмента ими можно пренебречь.

В действительности использование средних норм в таких расчетах не отражает истинного положения вещей. Различие (разнообразие) является фундаментальным свойством, общим для всех реальностей, и технической в том числе. Это положение может быть проиллюстрировано на примере удельных расходов электроэнергии на производство основных видов продукции черной металлургии (табл. 3), составленной на основе информационного банка «Черметэлектро» [19]. Различие максимальных, минимальных и среднеотраслевых значений не может быть объяснено случайностью или вероятностными отклонениями от среднего. Теоретические это означает отсутствие математического ожидания и бесконечность дисперсии. Поэтому приводимые во всех справочниках и учебниках таблицы по удельным расходам электроэнергии на единицу продукции для отраслей экономики [5, 15, 16, 20] могут использоваться лишь как иллюстративный материал или как материал для учебных целей

Ставя вопрос о мировоззрении, мы хотим, чтобы менеджер-электрик, принимающий решения, направленные на повышение эффективности электрического хозяйства в целом и отдельных его систем, задумался бы над тем, как часто он принимает решение:

опираясь на жёсткие расчёты, определяемые законами теоретических основ электротехники;

вероятностно определяя некоторую величину-показатель, соответствующую (пусть и с небольшой ошибкой) чему-то ему известному ранее;

опираясь на интуицию и не руководствуясь средним.

Для науки характерна непоколебимая уверенность, что любое досконально изученное явление может быть описано определенным образом, опираясь на некоторые фундаментальные принципы и основания. Эта убежденность ведет нас к истокам науки – в античность, в средние века. Платон и Аристотель, а затем и средневековые мыслители, верившие в гармонию Сущего, в совершенство Природы, в наличие Закона для всего созданного и Разума, подготовили почву, на которой расцвело Возрождение и, начиная с Галилея и Ньютона, создалась современная наука. Джоуль говорил о существовании порядка во Вселенной, где ничто не растрачивается и не утрачивается, а «весь механизм при всей своей сложности работает слаженно и гармонично» (как часы, принято обычно добавлять). Здесь следует напомнить антропный принцип, согласно которому любое изменение открытых физикой констант (величина заряда электрона, масса протона, гравитационная постоянная) даже на десятые и тысячные доли процента не дало бы возможности появиться человеку. И хотя именно классическая физика назвала все эти константы, сейчас общепризнано, что ее взглядов недостаточно для описания мира Природы, а тем более социально-технического мира

3. Удельные расходы электроэнергии в черной металлургии

Значение по отрасли

Значения в разные годы, кВтч/т

1975

1980

1985

1990

Агломерат

Среднее

33,5

35,8

37,7

39,1

Максимальное

92,7

203,1

76,7

77,0

Минимальное

14,8

14,5

18,2

16,3

Чугун

Среднее

10,8

13,1

12,9

15,2

Максимальное

23,1

43,2

41,5

43,3

Минимальное

3,0

3,2

3,6

3,5

Мартеновская сталь

Среднее

12,5

13,8

14,5

14,9

Максимальное

30,7

35,7

36,5

43,6

Минимальное

4,3

4,5

4,6

5,3

Конвертерная сталь

Среднее

26Б2

29,0

32,3

33,0

Максимальное

38,1

50,0

54,0

49,7

Минимальное

17,7

12,7

13,7

13,1

Электросталь

Среднее

683,3

691,6

727,2

723,0

Максимальное

1394

1385

1341

1310

Минимальное

544,1

524,0

522,1

483,7

Прокат

Среднее

197,5

112,4

115,5

126,0

Максимальное

1882

2969

2222

3033

Минимальное

38,4

37,3

36,5

40,4

Кокс

Среднее

30,9

33,0

36,6

42,0

Максимальное

67,3

90,5

67,5

70,7

Минимальное

17,4

16,9

14,6

20,9

Метизы

Среднее

295,2

320,9

340,9

259,2

Максимальное

1088

992

4036

2994

Минимальное

42,2

44,6

40,8

35,9

Обсуждая идеализацию, полезно вспомнить идеализм Платона и то, что абсолютное большинство математиков находилось на идеалистических позициях, т.е. они строили некоторые модели, выводили теоремы и создавали целые системы, нимало не интересуясь, есть ли в реальном мире такой объект. Потом не всегда, но получалось, что идеальное математическое построение оказывается востребованным, а иногда и определяющим цивилизацию. Например, весь компьютерный мир основан на двоичной алгебре Буля (1847, 1854), который и представить не мог, что созданная им алгебра получит такое широкое распространение. Эйнштейн как-то заметил, что физики строят множество моделей, просто некоторые из них лучше объясняют тот или иной эксперимент. Следует обратить внимание, что взгляды Демокрита, если бы они победили идеалистические представления Платона, затормозили бы математику, метафизику (так назывался основной труд Аристотеля), да и науку вообще, так как ставили, в частности, теоретически неразрешимые проблемы. В частности, если представить любую линию как реально существующую, тогда прямую, состоящую из трёх атомов (вообще из нечётного их количества) нельзя разделить пополам. Кстати, теоретически это означает, что ни один из электротехнических материалов строго пополам не делится. В пределе всегда в одной из половин по крайней мере на один атом больше. Идеальные точка и линия, по Платону, позволяли над ними любые мыслимые действия. На идеальных точках, идеальном движении, идеальных траекториях и основана физика Ньютона (в термодинамике – идеальный газ).

Говоря о происхождении первичных теоретических моделей классической науки, Стёпин утверждает: «Построение теоретической схемы на стадии гипотезы в классической науке начиналось с картины мира, которая полагала поставить задачу исследования и указать средства её решения». И далее: «После того, как возникла первая теоретически оформленная область научного знания – физика, а механическая картина мира приобрела статус универсальной научной онтологии, начался особый этап истории науки. В большинстве из них предпринимались попытки применить для объяснения фактов принципы и идеи механической картины мира. Механическая картина мира … функционировала и как естественнонаучная, и как общенаучная картина мира. Обоснованная философскими установками механистического материализма, она задавала ориентиры не только для физиков, но и для учёных, работающих в других областях научного познания. Неудивительно, что стратегии исследований в этих областях формировались под непосредственным воздействием идей механической картины мира».

Критически исследуя познавательные способности и впервые чётко обозначив проблему границ и условий человеческого познания, Кант полагал, что априорные условия опыта являются одновременно и условием существования объектов опыта. По Канту, наука не вступает в диалог с природой, она навязывает природе свой собственный язык. Трансцендентальная философия узаконивает притязания физиков на открытие окончательной формы всякого положительного знания. Пригожин полагает: «В соответствии с мифом классической науки Кант стоит за единственный язык, дешифруемый наукой в природе, единственную совокупность априорных принципов, заложенных в основу физики и подлежащих отождествлению категориями человеческого познания». Кирхгоф (1865) в докладе о цели естественных наук провозгласил, что «высшая цель естествознания состоит в сведении любого явления к движению, в свою очередь движение подлежит описанию средствами теоретической механики». Гельмгольц утверждал, что «явления природы необходимо свести к движению материальных частиц, обладающих неизменными движущими силами, которые зависят лишь от условий пространства» (для него закон сохранения энергии был лишь воплощением физики общего априорного требования, на котором зиждется вся наука, а именно постулата о фундаментальной инвариантности, которая кроется за всеми трансформациями, происходящими в природе).

Ньютоновская наука была вершиной, завершающим синтезом, увенчавшим столетия экспериментирования и теоретических исследований, происходивших в различных направлениях, но метивших в одну точку. Ньютоновская наука заслуженно претендует на создание картины мира, которая была бы универсальной, детерминистической и объективной, поскольку не содержала ссылки на наблюдателя и полной, поскольку достигнутый уровень описания позволял избежать оков времени (Эйнштейна серьёзно беспокоила проблема «теперь». Он пояснил, что ощущение настоящего, «теперь» означает для человека нечто существенно отличное от прошлого и будущего, но это важное отличие не возникает и не может возникнуть в физике).

И классическая, и квантовая механика основаны на производительных начальных условиях и детерминистических законах (для траекторий или волновых функций). В некотором смысле законы делает явным то, что уже присутствует в начальных условиях. В динамике «всё задано», «ничего нового не может ни «случиться», ни «произойти».

Установление физических основ первой научной картины мира принадлежит Галилею и Ньютону, которые показали, что в физике действует чрезвычайно общий принцип, называемый принципом наименьшего действия. Он утверждает, что действительные движения выделяются из всех мыслимых условием, что для них действие (функционал – интеграл функции Лагранжа, характеризующий все обобщённые координаты, обобщённые скорости и, вообще говоря, время) принимает экстремальное значение.

Таким образом, фундаментальные законы могут быть выражены в виде принципа наименьшего действия, который записывается как функция, зависящая только от скоростей и положения частиц. Эту функцию, называемую лагранжианом L, интегрируют по времени, чтобы получить действие S:

S= L(хi, vi) dt,

где хi и vi - все компоненты координаты скоростей.
Дифференциальные законы должны существовать, если имеется принцип наименьшего действия. Пригожин поясняет: «Одна функция (гамильтониан) Н(p,q) полностью описывает динамику системы. Вид функции Н несёт в себе всё наше эмпирическое знание системы. Зная гамильтониан, мы можем (по крайней мере в принципе) решить все возможные задачи… Гамильтонова формулировка динамики – одно из величайших достижений в истории науки. Уравнения, задающие временные изменения координат и импульсов через производные гамильтониана, называются каноническими уравнениями… канонические уравнения обратимы: обращение времени математически эквивалентно обращению скорости. Канонические уравнения консервативны: гамильтониан, выражающий полную энергию системы в канонических переменных (координатах и импульсах), сохраняется при изменениях координат и импульсов во времени». С классической точки зрения, существует единственное объективное описание. Оно является полным описанием системы такой, как она есть, независящим от выбора способа наблюдения.
Мы можем определить координату с абсолютной точностью, но в тот момент, когда это происходит, импульс принимает совершенно произвольное значение, положительное или отрицательное. Это означает, что объект, положение которого нам удалось измерить абсолютно точно, тотчас же перемещается сколь угодно далеко. Квантовая механика вводит вероятность, но не необратимость. Энтропия у Больцмана возрастает, потому что возрастает вероятность. Второе начало становится принципом отбора начальных условий. Оно допускает лишь такие начальные условия, при которых система эволюционирует к равновесному состоянию в будущем.

Вариационные принципы классической механики, из которых вытекают все положения и законы механики, подразделяются по форме на дифференциальные и интегральные. Эти принципы широко известны и изучаются технариями любой специальности, они канонизированы в словарях. К дифференциальным, характеризующим свойства движения для любого данного момента времени, относят принцип возможных перемещений, восходящий к Галилею и И.Бернулли и развитый Лагранжем, общее уравнение динамики (принцип Д’Аламбера-Лагранжа), принцип наименьшего принуждения (принцип Гаусса), условия и теорема Н.Г.Четаева, принцип максимума работы (принцип Четаева), принцип прямейшего пути (принцип Герца), принцип Журдена. В интегральных, для конечных промежутков времени производящих сравнение действительно кинематически возможных движений, наиболее общий принцип установлен Гамильтоном. Для других условий предложены различные принципы стационарного действия (принцип Гамильтона-Остроградского, принцип Лагранжа, принцип Якоби – аналог принципа Ферма в оптике). При выполнении достаточных условий минимума интегралы (действия по Гамильтону, Лагранжу, Якоби) в действительных движениях принимают минимальные значения, что и привело к названию – принцип наименьшего действия. Вариационные принципы важны в теории поля, с ними связаны законы сохранения, они распространены на теорию относительности, квантовую и волновую механику. Законы сохранения энергии, импульса и углового момента связаны, соответственно, с однородностью времени, с однородностью пространства и изотропностью пространства. Доказательство невозможности имеет фундаментальное значение. Каждый из законов открывает какую-то неожиданную внутреннюю структуру реальности.

Говоря о принципе наименьшего действия, нельзя не упомянуть Э.Маха. В нашей стране его имя связывали с осуждённым в работе «Материализм и эмпириокритицизм» [21] принципом «экономии мышления» и работой Авенариуса «Философия как мышление о мире сообразно принципу наименьшей траты сил» (1876). Однако принцип оказался живучим: несомненна преемственность Ципфа (1949), утверждавшего свой закон во многих областях человеческой деятельности из посылки, что человек желает минимизировать свои усилия при объяснении и при восприятии информации, т.е. формы человеческого поведения подчиняются «принципу наименьшего усилия».

Шаг, равный ньютоновскому, сделан Максвеллом, который совершил одно из величайших обобщений физики, объединив экспериментальные работы Фарадея, Эрстеда и Ампера с извечно существовавшим понятием свет. Уравнения Максвелла подтверждены бессчётными экспериментами. Но следует уяснить важнейшее, что качественные законы Кулона (1785), Эрстеда (1820), Ампера (1820), Био и Савара (1820), Фарадея (1821, 1831), Ома (1827), Ленца (1833, 1838, 1844), Джоуля (1845), Фуко (1855) - словом, все законы, изучаемые в теоретических основах электротехники, являются решениями уравнений Максвелла (1864). Собрав воедино все законы электричества и магнетизма, он создал, как отмечается в Фейнмановских лекциях по физике [2], «прекрасное здание, которое держится само по себе». В лекциях все уравнения Максвелла записаны как словесно, так и в математических символах - это математическое представление первой научной картины мира.
В [2] имеется интерпретация действия S. Оно равно разности кинетической и потенциальной энергии, проинтегрированной по времени. Второй же закон Ньютона можно записать не в виде F=ma, а так: разность средней кинетической и средней потенциальной энергии достигает своего самого наименьшего значения на той траектории, по которой предмет двигается в действительности от одного места к другому. Из двух равноправных электродинамик (Ампера-Вебера и Максвелла) на практическом уровне, не выходящем за пределы элементарных понятий и действий, связанных с управлением (упрощённо говоря, на стороне 0,4 кВ), первой достаточной, но при решении фундаментальных проблем электротехники и электроэнергетики нельзя обойтись без уравнений Максвелла.
Отметим, что законы физики не дают ответа на вопрос, что случится, если заряд внезапно возникнет в этой точке, какие будут при этом электромагнитные эффекты. Ответ дать нельзя, потому что уравнения Максвелла утверждают что такого не происходит. Если бы это случилось, нам понадобились бы новые законы. Но мы не можем сказать, какими они были бы. Нам не приходится наблюдать, как ведёт себя мир без сохранения заряда. Согласно уравнениям, если мы внезапно поместим заряд в некоторой точке, мы должны принести его туда откуда-то ещё. Лишь в таком случае мы можем говорить о том, что произошло. Уравнение сохранения заряда выражает самый фундаментальный закон. Сохранение электрического заряда предполагает, что любой поток заряда должен поступать из какого-то запаса.

Обратим внимание на даты открытия законов электричества и дату создания уравнений Максвелла, математические решения которых «переоткрывают» не только все указанные законы, но и все другие законы электротехники, на основе которых сейчас существуют и будут существовать различные научные направления и науки, подотрасли электротехнической промышленности, десятки вузовских специальностей, сотни профессий. Однако это «существование» не означает остановку и исчерпание науки об электричестве, не означает отсутствие роста теоретического знания.

Классическая физика рассматривала фундаментальные процессы, оперируя масштабами от элементарных и элементарнейших частиц – до космических объектов и представлений о Вселенной в целом. Для классической физики, как и для квантовой, мир описывается в терминах детерминизма (причина с неизбежностью порождает следствие, и это порождение объективно закономерно). Классический мир обратим и статичен. В нём нет места эволюции ни к порядку, ни к хаосу. Мир описывается расстояниями от 10-15см до измеряемых световыми годами; временами от 10-22с до 1010 лет (возраст Вселенной). В классической науке основной акцент делается на законах, не зависящих от времени. Предполагалось, что как только произвольно выбранное мгновенное состояние системы будет точно измерено, обратимые законы науки позволят предсказать будущее системы (лапласовский детерминизм) и полностью восстановить её прошлое. Существовало убеждение, разделяемое инженерами и сейчас, что природа отвечает на вопросы экспериментатора. Предполагалось соответствие систематического взаимодействия между теоретическими понятиями и наблюдениями. Наука отождествлялась с понятиями причинности, детерминизма, рациональности и редукционизма.

Причинность предполагает, что между явлениями есть генетическая связь, так что одно явление своим действием порождает другое. При точно обозначенных условиях осуществляется закон причинности: равная причина вызывает равное следствие (для Эйнштейна «Принципиальный отказ от причинности допустим только в чрезвычайно критических обстоятельствах»). Детерминизм обобщает, утверждая универсальность причинности, жёсткую (каузальную) взаимосвязь и взаимообусловленность явлений объективной действительности. По Лапласу, описание объективно в той мере, в какой из него исключён наблюдатель, а само описание произведено из точки, лежащей де-юре вне мира. Любая задача динамики Ньютона представима в этом случае в виде системы дифференциальных уравнений. Интегрирование даёт решение этой задачи. В идеальном мире динамическая система, которой является машина, лишь передаёт целиком без остатка всё сообщаемое ей движение. В физике Ньютона нет случайности. Для нас же вопрос о причинности и случайности достаточно интересен. Например, Ч. Гудьир (1839) уронил каучук и серу на плиту, открыв резину. Таких случайностей описано множество: они становятся закономерными, когда создаются условия, и нет запрета природы. В технике сейчас для создания чего-либо нового обязателен немалый запас знаний. Дж. Максвелл доказал существование электромагнитных волн (1864), Г. Герц экспериментально получил их (1886). Можно ли считать после этого случайным появление сотовой связи?

Рационализм признаёт приоритет разума человека как в познании, так и в деятельности. Чувства способны обманывать человека, поэтому достоверное начало скрыто в мышлении. Редукционизм сводит сложное к простому, целое – к свойствам частей (Демокрит); частей – к специфике целого (Платон). Редукционизм опирается на единство природы, на универсальность лежащих в основе этого единства механических законов и принципов.

Применительно к электрическому хозяйству сама постановка вопроса о лапласовском детерминизме не корректна. Зная сколь угодно исчерпывающе, например, сегодня работающий автоматизированный электропривод, ничего нельзя сказать о его сравнительно недавнем прошлом – о ртутных преобразователях или управлении асинхронным двигателем с фазным ротором при помощи солевого раствора в 30-40-х годах.

Трудно установить родство с давно вымершим. Но вот несомненное: А. Вольта, уточнив опыты Л. Гальвани, построил аппарат для получения электричества (1800); М. Фарадей опытно открыл электромагнитную индукцию (1830); Т. Эдисон построил первую электростанцию (1882); в Экибастузе запускали блоки крупнейшей электростанции 8х500 МВт (1980); на Ростовской АЭС пущен «миллионник» (2001). Палеотехник (гипотетический) едва ли установит родство между цинковыми и оловянными пластинами Вольта и этим турбогенератором, да даже и между несомненными родственниками: вольтовым столбом и современной батарейкой.

Нельзя, опираясь на лапласовский детерминизм, дать и прогноз будущего конкретного электрического хозяйства в целом, его отдельных служб (центральная электротехническая лаборатория, цех сетей и подстанций, электроремонтный цех), электротехнических комплексов (частотный управляемый электропривод, дуговая электропечь), элементов (трансформатор, электроаппарат, двигатель).

Очевидно, что мы всё время касаемся мировоззренческих вопросов, пытаясь показать, что прежде, чем приступить к вычислениям и опираться на соответствующий математический аппарат, надо уяснить, а ещё лучше сформулировать своё видение проблемы, выделить стадию принятия решения, иерархический уровень электроменеджмента. Простая истина состоит в том, что ни измерения, ни эксперименты, ни наблюдения невозможны без соответствующей теоретической схемы.

Сказанное можно соотнести с автобиографическими заметками Эйнштейна, который, говоря о позитивистской философской установке Оствальда и Маха, обобщил: «Предрассудок, который сохранился и до сих пор, заключается в убеждении, будто факты сами по себе, без свободного теоретического построения, могут и должны привести к научному познанию. Такой самообман возможен только потому, что нелегко осознать, что и те понятия, которые благодаря проверке и длительному употреблению кажутся непосредственно связанными с эмпирическим материалом, на самом деле свободно выбраны». Покажем на трёх примерах важность мировоззрения вообще.

Аристотель считал, что идеальным движением, не требующим никаких сил вообще, является круговое движение тел. Шар, круг – отражение божественного совершенства. Подтверждением этому для всех служила солнечная модель Птолемея, который создал геоцентрическую картину мира. И лишь гений Ньютона смог сформулировать утверждение, что без воздействия внешних сил осуществляется лишь равномерное и прямолинейное движение. Законы Ньютона долгое время отрицались в континентальной Европе. И только язвительные статьи Вольтера, направленные против опирающихся на аристотелевские представления взглядов Декарта, помогли утвердить новые законы механики. Вольтер утверждал: всё управляется незыблемыми законами, всё заранее предустановлено, всё необходимое обусловлено.

Второй пример связан с теорией относительности. Дело в том, что Лоренц и Пуанкаре незадолго до Эйнштейна провели соответствующие преобразования и написали соответствующие формулы. Так что французы, отстаивая приоритет Пуанкаре, в общем, правы, указывая на этот факт. Что же сделал Эйнштейн? Он высказал утверждение, что скорость света есть величина предельная, ни одно тело, имеющее инерционную массу – массу покоя, в том числе и электрон (это не относится, в частности, фотона) не только не может превзойти эту скорость, но даже приблизиться к ней. Из этого концептуального (!) утверждения (неоднократно оспариваемого) появилась самая, быть может, главная формула теоретического знания: Е=mc2.

Третий пример – самый показательный. Речь идёт о Копернике. Предварительно подчеркнём: 1) распространённость убеждения, что теория создаётся, опираясь на факты, и 2) если все математические положения и формулы не подтверждаются наблюдениями и вычислениями, то и теория ошибочна. Любищев [11] писал о Копернике: «Широко распространено мнение, что всякий крупный шаг вперёд связан с увеличением числа фактов и с их уточнением. Во многих случаях это действительно так, но в случае Коперника широко распространённое мнение, что он обосновал свою систему на многочисленных наблюдениях, более точных, чем у его предшественников, совершенно ошибочно. В его книге упоминается лишь о 27 выполненных им наблюдениях, и, быть может около 20 наблюдений им было заимствовано от его предшественников. Он не гнался и за большой точностью наблюдений, использованные им положения звёзд содержат ошибки до 4 минут, за что его с полным основанием мог бы упрекнуть знаменитый древний астроном Гиппарх, наблюдавший во много раз точнее за полторы тысячи лет до Коперника».

Коперник предложил ряд физико-математических предпосылок, которыми он хотел подтвердить свою гелиоцентрическую точку зрения и которые все, обратим внимание – все, оказались ошибочными: 1) Солнце не является центром Вселенной, как думал Коперник; 2) в пределах Солнечной системы оно не является точным её центром, так как находится в одном из фокусов эллипса; 3) планеты вращаются не вокруг Солнца, а вокруг общего центра масс, не совпадающего (абсолютно) с центром тяжести Солнца; 4) планеты вращаются не равномерно и не по круговым орбитам; 5) Коперник ввёл третье, ненужное движение – годовое вращение земной оси на 360о; 6) Коперник признавал неподвижной восьмую сферу – сферу неподвижных звёзд (поэтому он мыслил вечный каталог звёзд и отсчитывал долготу от определённой звезды); его вычисления – шаг назад от Птолемея, который дал первый каталог 1022 звёзд, относя положения звёзд по долготе к равноденствию его эпохи; 7) Коперник не принимал прямолинейное движение как естественное (следуя Аристотелю и не предполагая появления первого закона Ньютона). Так за что мы ценим Коперника, если все его математические построения ошибочны? Мы ценим его за идею, заключающуюся в том, что Земля не центр Вселенной, а рядовая планета. Этим кардинально менялись представления человечества, повлекшие за собой кардинальные изменения в обществе.

Рассматривая значение мировоззрения, интересно прояснить, почему инженеры в массе своей «не заметили» перехода к вероятностно-статистическим представлениям второй научной картины мира, к революционным следствиям в технике и технологии, связанным с этим переходом. Становление вероятностной картины в целом связывают с открытием радиоактивного распада, с созданием квантовой теории, с письмом Эйнштейна о квантовой механике Борну: «Из этой теории удаётся извлечь довольно много, но она вряд ли подводит нас к разгадке секретов Всевышнего. Я, во всяком случае, полностью убеждён, что Он не играет в кости».

Инженеры знакомы с предельными теоремами теории вероятностей, которые указывают условия возникновения некоторых (статистических) закономерностей в результате действия большого числа случайных факторов. Теоремы устанавливали, как писала Е.С.Вентцель, факт и условия сходимости по вероятности тех или иных случайных величин к постоянным неслучайным величинам. «Все формы центральной предельной теоремы посвящены установлению условий, при которых возникает нормальный закон распределения. Так как эти условия на практике весьма часто выполняются, нормальный закон является самым распространённым из законов распределения, наиболее часто встречающихся в случайных явлениях». Инженеру не надо было что-либо менять в своей практической деятельности из-за неразличимости «истинной» величины, рассчитанной согласно классической физике, и величины математического ожидания, полученной экспериментально-статистически. Оказалось возможным вообще пренебречь мировоззрением и философским осмыслением.

Взглянем по-другому на проблему сравнимости и одинаковости. Открывая паспорт на двигатель или трансформатор, мы вправе ожидать, что все они, приобретенные на одном заводе-изготовителе и одного вида, не различаются между собой. Здесь можно было бы сказать, что они не различаются, так же как не различают одинакового сечения активное сопротивление одного медного провода от другого сейчас, 100 лет назад и не смогут различить еще через 100 лет. Однако, это не так. Двигатели приобретают некоторое индивидуальное различие, характеризующее изделие как некоторую особь-штуку, в связи с этим характеризуемую присвоением изделию номера. Именно это индивидуальное, хотя и небольшое отличие особи-двигателя от другой особи того же самого вида (типоразмера) затрудняет возможность создания обменного фонда. Например, конкретный двигатель АО2–31-4 мощность 2,2 кВт, снятый с одного станка, не может заменить двигатель этого же вида на другом станке из-за незначительного различия, например, диаметра вала, затрудняющего насадку полумуфты. Это приводит к тому, что каждый электрик хочет получить из ремонта «свой» двигатель. В этом случае для него отпадает проблема, связанная с габаритно-установочными размерами. И это проявление может быть объяснено только в рамках третьей научной картины мира.

Изложенные теоретические построения проиллюстрируем на примерах, связанных с расчётом параметров электропотребления и определением численности электротехнического персонала. Для начала прокомментируем два примера.

Пример 1.Выбрать кабель к одиночному трансформатору мощностью 1000 кВА напряжением 10/0,4 кВ..

Выбор кабеля осуществляется по нагреву. Принимаем кабель марки ААШв, проложенный в траншее. Определяется номинальный ток трансформатора:

Iном = Sном / (v3Uном) = 1000/ (v3 · 10) = 57,8 А. (1)

Проверку по нагреву проводим в соответствии с условием:

Ip ? Iд факт , (2)

где Ip - расчетный ток, принимаемый в данном случае равным номинальному току трансформатора, Iд факт - фактическая допустимая токовая нагрузка, принимаемая по ПУЭ, с учетом поправочных коэффициентов, учитывающих число проложенных в траншее кабелей, фактическую температуру окружающей среды и систематическую перегрузку.

Принимаем к прокладке кабель ААШв сечением 16 мм2.

Пример 2. Выбрать кабель к низковольтному асинхронному двигателю 4А200L2У3 мощностью Рном = 45 кВт. Паспортные данные: Uном = 0,38 кВ, cos ?ном = 0,9; ? = 0,91.

Выбираем кабель с медными жилами марки ВВГ, прокладываемый открыто по конструкциям. Сечение выбирается по нагреву номинальным током двигателя

Iном = Рном / (v3 Uном cos? ?) = 45/ (v3 · 0,38 · 0,9 · 0,91) = 83,6 А. (3)

Принимаем кабель сечением 16 мм2.

Очевидно, что эти расчёты в полной мере соответствуют классическим представлениям (первой картине), т.е. для одних и тех же исходных данных результат неизменен. Ограничение (2) тоже тяготеет к первой картине, но не столь однозначно.

Однако при выборе кабеля, т.е. при переходе от расчётной к фактической нагрузке, и пользовании только ПУЭ, что и делают в своей массе проектировщики и эксплуатационники, возникает ряд замалчиваемых недоговорённостей (которые собственно и отражают не столько вероятностно-статистические, сколько ценологические представления):

· Длительный режим работы есть режим при длительности включения более 4 мин Хотя в ПУЭ не сказано, что это положение относится к электроприёмникам, но очевидно, что он не может относиться к другим уровням системы электроснабжения: шкафам 0,4 кВ, трансформаторным подстанциям 10 (6)/0,4 кВ, распределительным устройствам 6-10 кВ или подстанциям с высшим напряжением 35, 110, 154, 220, 330 кВ. Здесь необходим переход к понятию «потребитель», для которого менеджер электрического хозяйства при решении вопросов электроснабжения имеет дело с длительными режимами работы (это безусловно касается прокладки кабелей в траншее). Следовательно, должен быть решён вопрос о расчётной нагрузке группы электроприёмников.

· Выбор кабеля к одиночному трансформатору всегда должен производиться по его номинальной мощности (аварийный и послеаварийный режимы здесь мы не рассматриваем), т.е., в отличие от классических взглядов, всегда учитывается вероятная возможность загрузки трансформатора с течением времени. Поэтому неправильно выбирать кабель к трансформатору для данной (на момент проекта) расчётной загрузки. Такой неклассический вероятностный подход применим к трансформаторам всех уровней и может быть рекомендован для вводов 2УР и 4УР, хотя здесь чаще прокладывают кабель всё-таки под расчётную нагрузку.

· ПУЭ оговаривают поправочные коэффициенты для количества кабелей, проложенных в одной траншее. Нагрузка, в частности, значительно зависит от расстояния в свету между кабелями, причём это расстояние жёстко оговаривается – 100, 200, 300 мм. Видели ли вы хоть раз соблюдение этого расстояния, учитывая, в частности, рекомендации по прокладке кабеля «змейкой»? Означает ли это, что должен быть введён коэффициент, учитывающий неравномерность расстояния или даже сближения до величин меньше 100 мм? Или проблема снижения нагрузки на уже проложенные и подключённые кабели при докладке траншеи (для расстояния 100 мм это снижение составляет от 10 до 25 %).

· - Допустимые длительные токи приняты для температур: жил +65, окружающего воздуха +25 и земли +15оС. Есть поправочные коэффициенты, на 48% увеличивающие и на 64% снижающие эти допустимые длительные токи для кабелей, неизолированных и изолированных проводов и шин в зависимости от температуры земли и воздуха. Причём ПУЭ не оговаривают, что значит расчётная и условная температура среды, кто и каким документом должен определять эту температуру для любого потребителя, расположенного в любой точке России. В ПУЭ говорится, что на период ликвидации послеаварийного режима допускается, при определённых условиях, перегрузка кабелей до 10 или 15%, на время максимумов нагрузки продолжительностью не более 6 час в сутки в течение 5 суток. Означает ли это, что, если солнце греет более получаса, и температура земли на глубине 0,7 м по этой причине превысила указанную в ПУЭ, следует пользоваться как поправочными коэффициентами, так и п.1.3.6?

Интересно, что на практике перестали при определении расчётного тока учитывать КПД [см. уравнение (3)], который есть отношение мощности на валу к мощности на зажимах электроприёмника. Сама величина КПД и соs? зависят от нагрузки и значительно снижается при нагрузке до 0,2-0,5 от номинальной (соs? начинает ухудшаться ранее и плавнее, чем КПД). Следовательно, расчётная величина мощности отдельного электроприёмника, зависящая не только от КПД и соs ?, но и от технологии, и других факторов, не может быть точно определена по классическим представлениям. Для практики, выбирая кабель с запасом по номинальным величинам, это несущественно, но проявляется, когда возникает вопрос о суммировании нагрузок 150-300 электродвигателей, подключаемых к 3УР.

Общее во всех рассмотренных примерах - отсутствие возможности получить однозначное решение, стремление регламентировать нерегламентируемое. В этом случае мы и говорим о ценологических свойствах, которые следует учитывать наряду с жёсткими формулами ТОЭ и статистически полученными коэффициентами ПУЭ.

Теперь подведём некоторые итоги. Если от РП 0,4 кВ питается три электроприёмника, то расчётный ток определяется по результатам суммирования без какого-либо понижающего коэффициента. Но если число электроприёмников – десятки и сотни и нужно определить их суммарную нагрузку, то расходы электроэнергии за любой интервал времени теоретически суммируемы и практически проверяемы по счётчику. Если же обратиться к мощности Р, то суммируемы лишь мгновенные её значения рi. Введение времени Р?t делает несуммируемыми расходы электроэнергии за любой интервал ?t, в том числе и за 30-минутный, из-за Р = f(t). Вводимые коэффициенты спроса, использования, загрузки, максимума и др. не имеют в общем случае среднего значения для любой произвольной группы электроприёмников. Следовательно, нельзя правильно рассчитать расход электрической энергии, полагая в частности, что коэффициент максимума должен снижаться при увеличении числа электроприёмников. Статистика не подтверждает этого. Изложенное актуально потому, что Методика формирования лимитов потребления энергии организациями, финансируемыми из бюджета (1998) по-прежнему основана на коэффициенте одновремённости использования мощности энергоёмких токоприёмников и времени их работы, числе токоприёмников одинаковой мощности и числе групп одинаковых токоприёмников. Другими словами, Методика по-прежнему основана на среднем и суммируемости, а потому – ошибочна. Ошибочно и использование отраслевых ведомственных нормативов для определения лимитов электропотребления (см. табл. 3). С точки зрения вероятностно-статистических и ценологических представлений не выдерживает критики и лимитирование, основанное на среднеарифметическом значении годового потребления энергии за последние 3 года.

Еще один характерный пример – расчёт численности электротехнического персонала и самой организации системы планово-предупредительного ремонта электрооборудования, которая возникла как техническое направление после приказа С.Орджоникидзе (1935) и внедрялась во все отрасли.

Применительно к электрическому хозяйству, например, в металлургии, были выделены группы режимов работы электрооборудования для электрических машин по категориям: 1-я – от 0,25 до 100 кВт; 2-я – от 100,1 до 1000 кВт; 3-я – свыше 1000 кВт. В зависимости от условий работы, степени загрузки, состояния окружающей среды, исполнения, а также значения в технологическом процессе электрические машины подразделялись на 4 группы: лёгкий, средний, тяжёлый, весьма тяжёлый режимы работы. Аналогичный подход был к силовым трансформаторам, силовым кабелям, грузоподъёмным электромагнитам, контакторным панелям. Была проведена детализация электрооборудования (магнитные пускатели и контакторы, командоконтроллеры и командоаппараты, конечные выключатели, автоматические выключатели, контакторные защитные панели, силовые распределительные шкафы, светильники, электросварочное оборудование, высокочастотные установки, электропечи сопротивления, дуговые печи, аккумуляторные установки и др.), в соответствии с которой для соответствующей группы режима работы были разработаны продолжительность ремонтных циклов и межремонтных периодов (пример приведен в табл. 4), структура ремонтных циклов (табл. 5) и нормативы трудоёмкости ремонтов (табл. 6), нормы неснижаемых запасов узлов, запасных частей и резерва электрооборудования, нормативы расхода покупных запасных частей на ремонт оборудования. В соответствии с этим составлялся годовой график ремонта электрооборудования по цехам и заводу в целом.

4. Продолжительность ремонтных циклов и межремонтных периодов электрических машин переменного и постоянного тока мощностью 0,25-100 кВт

Группа режима работы

Продолжительность периода

Между текущим и очередным ремонтами,

 месяцы

Между средними ремонтами,

 годы

Ремонтного цикла,

 годы

I

П

Ш

IV

12

6

3

2

7

4

3

2

14

12

6

4

5. Структура ремонтных циклов электрических машин переменного и постоянного тока мощностью 0,25-100 кВт

Группа режима работы

Чередование видов ремонта*

Количество ремонтов в цикле

текущий

средний

I

П

Ш

IV

К-6Т-С-6Т-К

К-7Т-С-7Т-С-7Т-К

К-11Т-С-11Т-К

К-11Т-С-11Т-К

12

21

22

22

1

2

1

1

 

* К – капитальный, Т – текущий, С - средний

6. Нормативы трудоёмкости ремонтов электродвигателей асинхронных с короткозамкнутым ротором напряжением до 500 В

Мощность электродвигателя, кВт

Трудоёмкость ремонта, чел•ч

текущего

среднего

капитального

До 1,0

1,1-3,0

3,1-5,0

5,1-10,0

10,1-15,0

15,1-20,0

20,1-30,0

30,1-40,0

40,1-55,0

55,1-75,0

75,1-100,0

1,1

1,4

1,8

2,4

2,7

3,2

3,7

4,4

5,1

6,1

7,2

5,0

6,8

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

19,0

21,0

25,0

30,0

12,5

15.0

17,0

22,0

26,0

31,0

37,0

45,0

50,0

61,0

78,0

Полагали, что, опираясь на данные этих таблиц и нормативы по каждому конкретному виду электродвигателя, можно было просуммировать трудоёмкости и рассчитать необходимую численность персонала. Действительно, как будто бы так и надо было делать: замерили трудоёмкость ремонта одного двигателя, другого, третьего…, а потом просуммировали. Но неумолимая статистика по сотням предприятий и цехов показала несуммируемость (не аддитивность): ни на одном из заводов никогда не было численности электротехнического персонала, соответствующей требованиям системы ППР (хотя численность электриков на любом предприятии, имеющем в своём составе 4УР и 5 УР, для рыночных условий достаточно велика и составляет 7-11% от общей). Существует нелинейная связь численности электротехнического персонала при увеличении количества установленного оборудования. И если подходить вероятностно-статистически, то она для общей численности пропорциональна , где n – количество установленных двигателей.

Таким образом, приступая к созданию индустриального общества во всём мире, полагали строить предприятия и организовать менеджмент, как того требовала первая механическая картина мира. Мыслилось создание комбинатов, которые будут являться «не простейшим» «сложением» машин, а органической их системой, некоторым единым организмом, работающим как часы. Не получилось. Госплану СССР не удалось увязать ежегодный выпуск 24 млн. видов продукции, согласовав с заводами-изготовителями, смежниками, потребителями.

Промышленные предприятия и их электрическое хозяйство функционируют на основе иных представлений, являются хозяйством, структурно самоорганизующимся и диктующим поведение обслуживающему персоналу. И для менеджмента таких систем требуется осознание и применение второй и третьей научных картин мира, о которых будет идти речь в следующих публикациях.


Бренд Legrand на ЭлектроПрофи

Ждём вас за покупками со скидкой -20% в "АВС-электро" вашего города.

Перейти на сайт