Введение

Углубление электрификации отраслей экономики объективно для всех стран и сохранится в XXI веке. Валовый внутренний продукт и комфортность жизни корреляционно определяются электропотреблением, производитель­ность труда — электровооруженностью. Рациональное увеличение потребле­ния электроэнергии на душу населения актуально для России, где годовое электропотребление (6,1 кВтч/чел.)* вдвое ниже, чем в США (12,0 кВтч/чел.). Уровень же удельных и общих расходов электроэнергии недопустимо высок практически на все виды выпускаемой продукции (ВВП). Энергоемкость на­ционального дохода в 2-4 раза выше, чем в развитых странах, у которых, что существенно, за последние 25 лет энергоемкость ВВП уменьшилась на 20—30 %. В России же за время реформ с 1990 г. энергоемкость продолжала возрастать, лишь относительно стабилизировавшись с 1999 г., когда рост про­мышленного производства превысил рост выработки электроэнергии (элект­роемкость ВВП по паритету покупательной способности составляла в 1990 г. 1,08 и возросла сейчас до 1,4 кВтч/дол.).

Эффективность использования электроэнергии — важнейшая часть обес­печения энергетической безопасности страны. В 2002 г. в России выработано 875,1 и потреблено 685,2 ТВтч (1990 г. — 885,4), в том числе промышленнос­тью: 1990 г. - 529,3; 1997 г. - 325; 1999 г. - 334; 2000 г. - 357; 2001 г. - 364; 2002 г. — 362 ТВтч. Энергетической стратегией России на период до 2020 г. предусмотрено следующее потребление — производство электроэнергии (в скобках максимальное значение): в 2005 г. — 995 (1020), 2010 г. — 1135 (1180), 2020 г. - 1545 (1620) ТВтч.

Электрики-потребители, решая проблемы электроснабжения, должны ис­ходить из ряда объективных факторов, на которых будет основана государст­венная политика энергосбережения. Это, прежде всего, неизбежный рост цен на энергоносители. Они будут расти на 15-20 % в год (без учета инфляции), так что электричество к 2005 г. подорожает в 1,6—2 раза по отношению к 2001 г., а к 2010 г. тарифы на него увеличатся по сравнению с действующими в 3,5 раза. В результате энергетическая составляющая в затратах энергоемких отраслей промышленности будет расти и вероятно приближение к уровню мировых цен с уменьшением внутрироссийских цен на величину транспорт­ной составляющей.

* Существует устойчивая тенденция, характеризующая развитие русского языка во времени и связанная со стремлением упростить написание (это так называемый принцип «экономии мышления», ведущий для лю­бого целостного текста к Н-распределению), так когда-то килограммометр писали как кпм. Кстати, в со­временных условиях поставить на компьютере точку посередине — это несколько операций, ведущих к ошибкам. Поэтому в учебнике приняты без точки обозначения некоторых размерностей величин, в частно-

Электроснабжение промышленных предприятий

11

Энергосбережение и углубление электрификации определяют обширной сферой экономики, называемой далее электрикой — потребителями электро­энергии (промышленность и транспорт, объекты агропромышленного ком­плекса, непромышленная сфера). Система электроснабжения является частью этой сферы, которая может быть определена вниз от границы раздела потре­битель— энергоснабжающая организация (энергосистема) до единичного эле­ктроприемника. Как потребитель электрика по целям и задачам отличается от электротехники — крупного раздела науки и крупной отрасли народного хо­зяйства, которая изготавливает изделия, и от электроэнергетики, охватываю­щей производство, передачу, преобразование, аккумулирование и распределе­ние электрической энергии. Электрика использует выработанную и переданную (транспортируемую) электрическую энергию и эксплуатирует из­готовленные, доставленные и установленные электротехнические изделия, от­вечая за их последующую утилизацию.

Эффективность и интенсификация общественного производства во мно­гом определяются электрикой. Каждый электрик должен обладать знаниями, позволяющими ему оценивать решения и результаты. Приведем некоторые сведения (на 2000 г.), каждое из которых характеризуется ценологическим разбросом, как говорится, «в разы». Стоимость собственно электрического хо­зяйства промышленных предприятий составляет 6—10% (включая сооруже­ния). В общей величине инвестиции в энергоемких и насыщенных электро­приводом отраслях может достигать 15 % (в том числе собственно электроснабжение 2—5 %), составляя 50 % для отдельных объектов. Доля энергетических затрат в себестоимости продукции достигает 20—40 %, в том числе электроэнергия от 2—4 до 10—12 %. Годовая стоимость эксплуатации и ремонта, отнесенная к 1кВт установленной мощности электрической машины в 2000 г., была на уровне 1900 руб., суммарные затраты — 2400 руб./машину (для завода со средней мощностью электродвигателя 20 кВт). Плата за 1 кВт заявленного (подключаемого) энергосистеме максимума — 120 руб., за расхо­дуемый 1 кВтч — 60 коп. Стоимость строительства 1 кВт генерируемой мощ­ности — 600-1000 дол.

Знания инженера-электрика — специалиста по электроснабжению — оп­ределяются областью его деятельности: на производстве он может вырасти до главного электрика (энергетика) предприятия, в инвестиционном институте — до начальника отдела (главного инженера проекта), в вузе — до профессо­ра, в научно-исследовательском институте — до ведущего научного сотрудни­ка, в конструкторском бюро — до генерального конструктора, на фирме—про­изводителе электротехнических изделий и услуг — до генерального директора. На каждой ступени административного и профессионального роста приходит­ся решать различные задачи, вначале частные и массовые (например, выбор сечения провода к приемнику 0,4 кВ), а затем общие или специальные. На­пример, решение схемы электроснабжения цеха, производства, завода на пер­спективу, включая управление электроприводом большой единичной мощно­сти, электротермическими и специфическими электроприемниками.

12

Б. И. Кудрин

В условиях неполноты и неопределенности исходных данных специалист должен уметь разрабатывать и принимать решения, определяющие как каж­дый элемент, так и систему электроснабжения в целом. В данном учебнике рассматриваются классические по ТОЭ свойства систем электроснабжения, обусловленные единством процесса выработки, передачи и потребления элек­троэнергии, и системные — ценологические, определяемые постиндустриаль­ными требованиями. Применительно к инвестиционному циклу электрики показан цикл эволюции техники и технологии, где выделены конструирова­ние, проектирование и прогнозное проектирование как виды инженерной де­ятельности, определяющие научно-технический прогресс.

В области систем электроснабжения можно считать решенными проблемы, обсуждавшиеся 20—40 лет назад: повышение уровня напряжений — высокого [с 35 до 110(154)—220(330) кВ], среднего [с 6 на 10 кВ и выше] и низкого [лик­видация системы 220/127 В, переход к 380/220 и 660 В]; сооружение главных понизительных подстанций и внедрение глубоких вводов; разукрупнение по­низительных подстанций и максимальное их приближение к объектам элект­ропотребления; увеличение уровня и изменение класса изоляции подстанций и сетей; размещение источников питания с учетом центра нагрузок; примене­ние специальных схемных решений для приемников с резкопеременной и ударной нагрузками, внедрение прямого пуска и самозапуска электродвигате­лей; устройство автоматического включения резерва; выделение потребителей особой группы первой категории и обеспечение надежной работы системы электроснабжения; диспетчеризация и автоматизация управления системой электроснабжения; нормирование, лимитирование, контроль и учет электро­потребления; проектирование; организация электроремонта. Информатиза­ция и глобализация принципиально не изменили подхода к построению, обеспечению функционирования и развитию систем электроснабжения и эле-ктрооборудован ия.

В настоящее время наибольшую экономию дает не оценка этих отдельных решений, которая тоже необходима, а менеджерский подход, оценивающий результат построения, функционирования и развития в целом предприятия, производства, цеха и их подсистемы — электрического хозяйства. Поэтому особенно важно изучение электрики, имеющей свои специфику, интересы, методы изучения.

К важнейшим проблемам электрики, которые подлежат решению, следует отнести: информационное обеспечение специалистов-электриков для эффек­тивного менеджмента; определение параметров, включая электрические нагрузки и оптимизацию электрического хозяйства по уровням иерархии; ор­ганизацию учета расхода электроэнергии от агрегата (выделяемой админист­ративной, территориальной или технологической единицы) до предприятия, энергосбережение; обеспечение надежного электроснабжения, достаточной компенсации реактивной мощности на всех уровнях электроснабжения, каче­ства электроэнергии у электроприемников; обеспечение группового и одиноч-u/лгг, раиладтств ■эпрк-тппплигяте.пей: пасшиоение области частотного приво-

Электроснабжение промышленных предприятий

13

да; управление структурой установленного оборудования с целью его унифи­кации, формулирования требований к электропромышленности, улучшения организации электроремонта.

Поэтапный ввод производственных мощностей, усложнение систем элект­роснабжения, рост количества элементов, единичной и суммарной мощнос­тей привели к тому, что решения по электроснабжению предприятий в целом (номинальное напряжение, число и мощность источников питания, их разме­щение и др.) стали принимать до принятия решения собственно по электро­снабжению отдельного электроприемника или их группы. Понятия расчетная мощность Р_р или ток / * стали многозначными. Наряду с известным по ТОЭ использованием этих терминов, например, для выбора проводника по нагре­ву, они стали часто обозначать условные понятия (договорные, регулировоч­ные, стоимостные и др.). Например, расчетная нагрузка цеха, а тем более предприятия, является в большинстве случаев понятием условным, так как физически нет кабеля или коммутационного аппарата, по которому протека­ет ток, соответствующий расчетной нагрузке (современный цех всегда питает­ся по нескольким вводам).

С целью выявления сложностей, стоящих перед электрикой, сравним коли­чественные показатели современного электрического хозяйства и плана ГОЭЛРО, предусматривавшего сооружение электростанций суммарной мощ­ностью 1750 МВт. При принятом Г. М. Кржижановским числе часов исполь­зования установленной мощности 3550 электростанций обеспечивали выра­ботку примерно 6200 ГВтч. В то время электропотребление Новолипецкого металлургического комбината достигало 6700, Магнитогорского — 6300, Чере­повецкого — 6200 ГВтч. В настоящее время потребление одного алюминиево­го завода составляет 15000 ГВтч (потребителей-абонентов, платящих по счет­чику, насчитывается около 45 млн), и в стране свыше 100 предприятий, имеющих установленную мощность электроприемников, превосходящую мощ­ность по плану ГОЭЛРО. Но основные проблемы порождают не крупные, а средние и мелкие объекты промышленности (их свыше 50 тыс.), транспорта, сельского хозяйства, административно-бытового сектора, которых абсолютное большинство.

Поэтому специалисту по электроснабжению необходимы соответствующие знания, он должен быть готовым управлять этой большой (сложной) техниче­ской системой, оперативно решая все вопросы и увязывая все три крупные составляющие (разделы) электрификации: 1) электроснабжение; 2) электро­привод; силовое электрооборудование и автоматизацию; электроосвещение; 3) организацию и управление электрическим хозяйством, включая электроре­монт. При этом должно выполняться целевое назначение электрического хозяйства — обеспечение потребителей электроэнергией определенного каче­ства и (или) преобразование ее в другие виды энергии при заданных беспере-

В соответствии с профессиональным языком электриков вместо выражений «сила тока величиной 5А...», «величина тока...», «сила тока...» в учебнике использованы выражения «ток 5 А», «номинальный ток плав­кой вставки...».

14

Б. И. Кудрин

бойности (процесса обеспечения и преобразования) и живучести (системы электрического хозяйства и отдельных ее частей) с ограничениями по расхо­ду ресурсов.

Множество изделий современных объектов электрики, описывающие их параметры, условия и связи образуют своеобразное сообщество — техноценоз, где количество изделий и их составляющих практически бесконечно. Для тех-ноценоза характерны устойчивость структуры и закономерность развития. Следовательно, на принимаемые технические решения накладываются не­которые ограничения, хотя и не вытекающие из положений классической эле­ктротехники и теории вероятностей, но тем не менее определяющие эффек­тивность функционирования электрического хозяйства, в частности системы электроснабжения. Многие технические решения определяются по названию предприятия (завод с полным металлургическим циклом, производство каус­тической соды диафрагменным способом). Возникает лингвистическая не­определенность — неопределенность значений слов и неоднозначность смыс­ла фраз. В начальной стадии изучения задачи неопределенность проявляется как неизвестность, отсутствие информации. Например, важнейшие вопросы по присоединению потребителя к объекту электроэнергетики решаются, как правило, до получения сведений по всем объектам предприятия (тем более — неизвестны все электроприемники). В процессе решения задачи неопределен­ность раскрывается как недостоверность: собрана не вся возможная информа­ция (неполнота), не вся необходимая информация (недостаточность), ряд данных приведен по аналогам (неадекватность).

В этих условиях работа инженера, опирающегося на современные средст­ва вычислительной техники, начинает приобретать творческий характер: не­обходимо принимать принципиально неалгоритмизируемые решения. Поэто­му учебник наряду с рутинными массовыми инженерными задачами предлагает освоить методологию принятия неформализуемых профессиональ­но-логических решений по электрической части технических систем типа: предприятие, производство (хозяйство), цех, отделение, участок; единичный крупный технологический агрегат или отдельное сооружение; пусковой ком­плекс (очередь строительства).

В процессе изучения дисциплины нужно научиться видеть главное — при переходе от задачи к задаче использовать и порождать информацию, приме­нять на практике полученные знания. Необходимо понять основные законы и закономерности построения, функционирования и развития систем элект­роснабжения потребителя, осознать особенности собственно электрики как реальности и науки, представить ее место в ряду других электротехнических дисциплин.

1.1. Электрика в системе электрических наук

15