Г.А.Л._Изб. раб. по АСКУЭ

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

71

подключается только тремя выводами RST, I/O и SCLK, а цифровые данные могут передаваться в микропроцессор побитно по одному байту или их последовательностью.

Рабочий диапазон температур для микросхемы промышленного применения: от -400С до

+850С.

VCC	GND	Х1	Х2
	ЧРВ	Осциллятор
		и делитель
I/O	РВВ	ШД
SCLK		ШA
	УУ		ОЗУ
RST			24х8

Рис.3. Структура микросхемы часов реального времени DS1202

(ЧРВ – часы реального времени, РВВ – регистр ввода-вывода цифровых данных, УУ- устройство управления, ОЗУ –оперативное запоминающее устройство, ША –шина адреса, ШД-шина данных)

Во всех цифровых микросхемах часов базовой единицей времени является секунда, которая формируется путем счета импульсов-меандров от осциллятора-делителя (если, например, делитель делит стандартную частоту осциллятора fО=32768 Гц на 64, то частота импульсов на входе ЧРВ равна fЧ=512 Гц). Секунда и все иные, более крупные интервалы времени в цифровых часах измеряются при fО=32768 Гц с относительной предельной погрешностью не более 0,5/32768=15,2·10-6=±15,2 ppm (единица ppm - parts per million –

миллионная доля) и то при условии, что частота осциллятора стабильна во времени. На самом деле в процессе эксплуатации часов с кварцевыми резонаторами их электромеханическая и тепловая чувствительность приводит к нестабильности формируемой частоты fО. При отсутствии соответствующей компенсации и синхронизации часов многие из них имеют нестабильность до 100 мин/год (16,5 с/сут, или 190 ppm) [29].

Чаще всего выделяют три причины изменения точности хода часов, связанные с нестабильностью времязадающего элемента (кварцевого резонатора) [30]: а) начальную точность отсчета времени в нормальных условиях, обусловленную начальной неточностью резонатора, б) долговременную стабильность, определяемую процессами старения резонатора, в) нелинейный температурный коэффициент резонатора (имеет куполообразную зависимость ухода собственной частоты от температуры при ее отклонении в минус или плюс относительно нормальных условий). Наиболее очевидным, но одновременно и дорогим способом уменьшения нестабильности резонатора является повышение его физического качества. Поэтому на практике основным методом уменьшения нестабильности резонатора от каждой из указанных причин является их компенсация с помощью соответствующих цифровых поправок, значения которых вычисляются в процессе производственной калибровки микросхем и резонаторов и записываются в табличном виде в память микросхемы. При работе микросхемы цифровые значения поправок (положительные или отрицательные) алгебраически суммируются с данными регистра секунд ЧРВ с требуемой периодичностью, например, один раз в сутки.

За счет использования этих и других мер удается снизить временную нестабильность часов до ±24 мин/год (для DS1307) и даже до 2 мин/год (0,3 с/сут или 4 ppm). Такую высокую точность хода имеют, например, микросхемы DS3231, DS3232 и DS3235, снабженные встроенными кварцевыми резонаторами и датчиками температуры. В процессе

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

72

эксплуатации датчик измеряет текущую температуру в микросхеме и в соответствии с ней извлекается из памяти таблицы температурных поправок нужное значение, которое и используется для коррекции часов. Данные микросхемы наиболее пригодны для применения в микропроцессорных электросчетчиках и серверах для выполнения операций хранения и определения времени. Заметим, что микросхемы часов, как и электросчетчики, в которых они используются, не измеряют временные интервалы (не выполняют задачу измерения времени, его длительности), а формируют единицы времени, т.е. являются мерой, и используются для определения времени.

Синхронные измерения в цифровых АСКУЭ

Типичная двухуровневая структура цифровой АСКУЭ приведена на рис.4. Она содержит N цифровых измерительных каналов (ЦИК), компьютер, который осуществляет обмен данными с ЦИК через сетевую среду связи, и источник сигналов точного времени

(ИСТВ).

ЦИК1	С1
	ИСТВ

ЦИК2	Сетевая
	среда	С2
	связи

. . . .

ПК ЦИКN

Рис.4 Варианты синхронизации С1 и С2 ЦИК в двухуровневой структуре цифровой АСКУЭ (ЦИК – цифровой измерительный канал, ИСТВ – источник сигналов точного времени, ПК –персональный компьютер)

Типичные структуры ЦИК представлены на рис.5. Они различаются только составом масштабных преобразователей – измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН). Во всех ЦИК их обязательным элементом является электронный (микропроцессорный) электросчетчик со встроенными цифровыми часами, с хранимой цифровой базой данных учета и внешним доступом к базе и часам по цифровым интерфейсам (ЦИ).

а)	б)	в)
	ЦИ	ЦИ
	№ i	№ i
ЦИ	kWh	kWh
№ i
kWh	ТТ	ТН ТТ
ЦИК1	ЦИК2	ЦИК3

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

73

Рис.5 Виды ЦИК; а) непосредственное включение счетчика, б) трансформаторное включение по току, в) трансформаторное включение по току и напряжению

Часы ЦИК (счетчиков) хранят свои автономные ШВ, базовой единицей которых является секунда. Если эти ШВ идеальны, т.е. не имеют погрешностей, то в отсутствие внешней синхронизации их можно признать координированными с максимально возможным смещением между ними в пределах не более ±1с. При наличии же внешней синхронизации от ИСТВ смещение в принципе можно уменьшить почти до нуля, и при этом шкалы станут

практически синхронными.

ШВ в ЦИК используются для привязки к ним определенных событий, возникающих в процессе измерений количеств электроэнергии в точках измерений электрической сети, к которым подключены те или иные ЦИК. Такими событиями являются моменты начала и окончания интервала времени, за который необходимо измерить количество электроэнергии. ЦИК ведут измерение количества электроэнергии постоянно и непрерывно, но с привязкой этого процесса к иерархии временных интервалов, длительности и последовательности которых определяются задачами учета электроэнергии и мощности, сформулированными еще для первых АСКУЭ [12]. Наиболее часто учет количества электроэнергии в АСКУЭ идет по 1-, 3-, 15-, 30- и 60- минутным интервалам для формирования усредненных по этим интервалам значений контрольной или расчетной мощности и по зонам суток, суткам, неделям и декадам, месяцам, кварталам и годам для формирования расчетных значений электроэнергии. В условиях оптового и розничного рынков электроэнергии России расчетным значением мощности является часовая, а в Беларуси – получасовая мощность.

Вчислоимпульсных АСКУЭ часы в счетчиках либо отсутствовали (в индукционных счетчиках), либо не использовались (в электронных счетчиках с телеметрическими выходами) для формирования числоимпульсных сигналов: вся привязка к временным интервалам процесса измерения электроэнергии и мощности в N точках измерения производилась централизованно по одним часам ИИСЭ (см. рис.2). Таким образом, формировались совмещенные значения мощности или электроэнергии. В цифровых АСКУЭ происходит принципиально иной, децентрализованный процесс привязки измерений электроэнергии к автономным ШВ отдельных счетчиков. Поэтому в этом случае следует говорить о синхронных или координированных (привязанных) измерениях электроэнергии и мощности в N точках измерения.

Втерминологии по метрологии приводятся определения прямых и косвенных,

абсолютных и относительных, совместных и совокупных измерений, но отсутствуют понятия синхронных или координированных измерений [11]. Определим эти новые понятия следующим образом: «синхронные (координированные) измерения физической величины - это измерения однородной переменной физической величины в N пространственно распределенных точках измерения, в каждой из которых значения величины соотносятся как события с моментами или интервалами времени автономной ШВ точки измерения, а ШВ всех точек синхронизированы (координированы)». В общем случае, в качестве физической величины, подлежащей синхронным или координированным измерениям, может рассматриваться не только электроэнергия, но, например, температура, давление и т.п. Но в случае электроэнергии синхронные измерения важны для выполнения над ними последующих алгебраических вычислений в целях определения мощности или электроэнергии по группам точек измерения (по объектам учета, по сечениям учета).

Цена достижения синхронных измерений электроэнергии и мощности в цифровых АСКУЭ, особенно в масштабных АСКУЭ, имеющих тысячи точек измерения, распределенных по территории большой энергосистемы, очень велика. Современные микропроцессорные счетчики электроэнергии имеют, как правило, точность суточного хода

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

74

часов (причем в нормальных условиях) в диапазоне ± (0,5-2,0) с/сут. В условиях эксплуатации реальные цифры в несколько раз выше. Для достижения практического синхронизма ШВ таких счетчиков, например, с максимальным смещением шкал не более ±0,1с, необходимо, во-первых, обеспечить, синхронизацию часов на субсекундном уровне, а, во-вторых, с частотой подачи внешнего сигнала синхронизации чаще, чем один раз в час. В

работе [25] вообще полагается, что «для исключения потерь электроэнергии погрешность отсчета времени в счетчиках не должна превышать 10-2 с». К счастью, это не так.

Минимальным интервалом времени, который имеет в АСКУЭ коммерческое значение, является интервал измерения расчетной мощности, равный 3600 с (для России) или 1800 с (для Беларуси). В то же время реальная погрешность измерения электроэнергии в ЦИК, как правило, превышает 1% и в большинстве случаев составляет 2-3% даже при использовании самых высокоточных электронных рабочих счетчиков, например, класса 0,2S (следует помнить об основных и дополнительных погрешностях счетчиков, ТТ, ТН и реальных режимах их работы, в том числе в диапазоне первичной нагрузки менее 5% номинальной [31-33]). Поэтому допустимая погрешность определения времени должна быть такова, чтобы не вносить существенную дополнительную погрешность в результат измерения электроэнергии за интервал расчетной мощности. С учетом того, что в метрологии погрешности независимых величин принято складывать квадратично, достаточно потребовать, чтобы погрешность определения времени в АСКУЭ была не выше 0,25%. Для интервала 3600с такая погрешность составит ±9с, а для интервала 1800с - ± 4,5с относительно точной ШВ. Исходя из этого, в Белорусской энергосистеме в требованиях к цифровым АСКУЭ принята допустимая погрешность определения времени ± 3с.

Установив указанное предельное смещение автономных ШВ, мы должны в дальнейшем говорить уже не о синхронных, а координированных (или привязанных) измерениях электроэнергии и мощности. В этих измерениях существенно то, что, во-первых, координация шкал может быть осуществлена на уровне секунд чисто цифровыми методами, т.е. путем точных алгебраических операций, и, во-вторых, она может осуществляться достаточно редко, например, 1 раз в сутки. В двухуровневой структуре цифровой АСКУЭ, приведенной на рис.4, показаны две принципиальные возможности синхронизации ШВ счетчиков: непосредственно от ИСТВ через сетевую среду связи (С1) и опосредовано через компьютер (С2). В качестве сетевой среды связи может рассматриваться, вообще говоря, любая среда: радиосеть, спутниковая связь, радиотрансляционная сеть, Интернет, Интранет и т.д. В простейшем случае такая среда является физическим пространством (например, земной атмосферой), а в большинстве случаев – сложной технической сетью, содержащей множество аппаратно и программно коммутируемых компонентов (линий связи, модемов, коммутаторов, концентраторов, маршрутизаторов и т.п.).

В варианте С1 синхронизация ШВ счетчиков возможна двумя методами: а) с помощью специальных сигналов синхронизации – сигналов точного времени, б) посредством цифровых данных о точном времени. В первом случае каждый счетчик должен иметь встроенный приемник соответствующих сигналов точного времени, например, GPS- приемник при использовании американской спутниковой системы глобального позиционирования, или радиоприемник для приема сигналов из радиосети или радиотрансляционной сети. Во втором случае достаточно наличия в каждом счетчике стандартного цифрового интерфейса, через который со счетчиком может осуществляться не только обмен цифровыми данными учета, но и обмен цифровыми данными времени. В зависимости от используемой сетевой среды цифровые интерфейсы счетчиков могут иметь

проводное (например, RS232, RS485, CAN, Ethernet и т.п.) или модемное окончание

(например, GSM-модем, RadioEthernet, оптоволоконный модем и т.п.). Первый метод целесообразно использовать в АСКУЭ при субсекундной синхронизации, а второй – при секундной. Ниже в качестве основного метода синхронизации рассматривается второй метод.

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)	75
Для синхронизации часов в Интернете или Интранете разработан	ряд цифровых

протоколов, например, NTP (Network Time Protocol) [34]. Такой протокол позволяет использовать в качестве ИСТВ различные эталонные источники – серверы точного времени (СТВ), которые в свою очередь синхронизируются от национальных или международных эталонов времени и частоты. К СТВ могут обращаться обычные ПК или специализированные устройства, подключенные к сети и имеющие в составе своего программного обеспечения соответствующие протоколы синхронизации. В процессе синхронизации ПК опрашивает многократно СТВ для получения достоверной статистики задержки цифрового пакета в сети. В своем запросе ПК указывает собственное текущее время, а СТВ в своем ответе указывает как время передачи пакета, вычисляемое как разность между временем отправки и получения пакета, так и свое текущее время. Получив пакет, ПК вычисляет задержку передачи пакета как половину времени передачи его туда и обратно и с учетом этого может скорректировать свое собственное время по времени СТВ. Таким образом, синхронизация часов в сети осуществляется сугубо цифровыми методами.

Из вышеизложенного понятно, что вся метрология цифровой АСКУЭ автоматически заканчивается на уровне ЦИК (счетчиков), где сосредоточены все операции измерений электроэнергии, хранения и определения времени, получения цифровых результатов по электроэнергии и мощности в точке их измерений. При аттестации или поверке этих ЦИК как средств измерений (СИ) достаточно рассчитать в условиях эксплуатации их инструментальные погрешности по предельным относительным основным и дополнительным погрешностям стандартных компонентов ЦИК (счетчикам и измерительным трансформаторам) и проверить координацию их ШВ относительно эталонной ШВ. В варианте С1 между каждым ЦИК и ИСТВ существует только сетевая среда, которая в силу своей специфики (объема и сложности) принципиально не может быть метрологически аттестована как СИ. Но физические и технические характеристики этой среды, влияющие на точность передачи через нее цифровых результатов электроэнергии и времени, могут быть учтены, как показано выше, в соответствующих цифровых алгоритмах, закладываемых в ЦИК, ИСТВ и ПК. При этом на верхнем уровне АСКУЭ в ПК осуществляются только цифровые операции над цифровыми результатами координированных измерений электроэнергии и мощности в ЦИК. В силу этого ПК принципиально нельзя рассматривать в АСКУЭ как СИ электроэнергии или времени.

В варианте С2 на рис.4 координация ШВ ЦИК производится от ИСТВ опосредовано через ПК. Становится ли из-за этого ПК средством измерения, по крайней мере, времени? ПК содержит, как и счетчик, цифровые часы, которые осуществляют хранение времени, синхронизируются от СТВ и в свою очередь используются для цифровой синхронизации часов ЦИК. Вообще говоря, если в ПК будут использоваться ”плохие” часы, имеющие, например, суточный уход ±10с/сут, и редко синхронизироваться от СТВ, то они могут вызвать нерегламентированное смещение координированных ШВ ЦИК относительно верной ШВ. Но, ведь точно также ПК при неправильном выборе разрядности цифровых операций может исказить результаты цифровых преобразований над результатами цифровых измерений в ЦИК. Поэтому требования к точности хода цифровых часов ПК, как и требования к другим его цифровым техническим характеристикам, следует рассматривать не как метрологические, а как точностные, и в соответствии с предложениями работы [35] подвергать не поверке, а цифровой проверке. Как следствие, не надо ПК рассматривать как СИ, вносить их в Госреестр или аттестовывать как меру времени. Такой подход в максимальной степени адекватен современным цифровым технологиям и не перегружает метрологии теми задачами, которые могут быть решены без нее.

В более сложных, например, трехуровневых структурах цифровых АСКУЭ (рис.6), на среднем уровне появляются микропроцессорные устройства сбора и передачи данных (УСПД), которые осуществляют функции сбора цифровых данных учета электроэнергии и мощности, а также промежуточного цифрового хранения и синхронизации ШВ ЦИК. В такой структуре возможны дополнительно три варианта синхронизации ШВ ЦИК: а) С3- от

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

76

ИСТВ опосредовано через УСПД, б)С4 – от ИСТВ опосредовано через сетевую среду 2, соединяющую УСПД с ПК, и через УСПД, в) С5- от ИСТВ опосредовано через ПК, сетевую среду 2 и УСПД. Очевидно, что и в такой структуре к УСПД и ПК достаточно предъявить точностные требования по цифровым операциям, включая цифровую синхронизацию, и не требовать их превращения в СИ.

ИСТВ	С4
ЦИК1	ИСТВ

С3

	Сетевая		Сетевая
ЦИК2			среда	С5
	среда	УСПД
	связи 1		связи 2
. . . .
				ПК
ЦИКN

Рис.6 Варианты синхронизации С3, С4 и С5 ЦИК в трехуровневой структуре цифровой АСКУЭ (ЦИК – цифровой измерительный канал, ИСТВ – источник сигналов точного времени, УСПД – устройство сбора и передачи данных, ПК – персональный компьютер)

Заключение

Внастоящей работе впервые и детально рассмотрены вопросы выполнения синхронных (координированных) измерений электрической энергии и мощности в цифровых АСКУЭ. Показана эволюция учета электрической энергии и мощности в отношении использования понятия времени учета и его реализации в системах учета. Показано существенное различие между числоимпульсными и цифровыми АСКУЭ в отношении синхронных измерений. Систематизированы понятия измерения времени в технических системах и рассмотрены особенности современных микросхем высокоточных цифровых часов. Введено понятие синхронных (координированных) измерений физических величин. Проанализированы варианты синхронизации шкал времени цифровых измерительных каналов в цифровых АСКУЭ от источников сигналов точного времени. Показано, что такие компоненты цифровых АСКУЭ, как ПК и УСПД не следует рассматривать как средства измерений (их следует подвергать проверке на цифровые точностные характеристики).

Вбудущем все АСКУЭ будут реализовываться только как цифровые АСКУЭ, содержащие простые цифровые измерительные каналы, подлежащие метрологической аттестации и поверке как средства измерений. Все другие технические средства, надстроенные над этими каналами и обрабатывающие их цифровые результаты измерений энергии, мощности и определения времени, являются средствами неизмерительного назначения и не требуют метрологического контроля. Эволюция цифровых измерительных каналов по мере совершенствования интегральных цифровых технологий будет продолжаться в направлении дальнейшего перенесения многих системных функций измерений энергии и определения времени в точки измерений, и, в частности, в первичные преобразователи (измерительные трансформаторы тока и напряжения), устраняя ступенчатый характер цифровых измерительных каналов.

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

77

Литература

1.ГОСТ 6570-75 (ранее ГОСТ 6570-53). Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. Общие технические условия.

2.ГОСТ 23372-95. Условные обозначения для счетчиков электрической энергии переменного тока.

3.Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П. Электрическая нагрузка энергосистемы. Выравнивание графика. – Новости Электротехники, №5, №6, 2008.

4.ГОСТ Р МЭК 61038-2001. Учет электроэнергии. Тарификация и управление нагрузкой. Особые требования к переключателям по времени.

5.Гуртовцев А.Л., Гурчик М.Е.,Сабаляускас А.И. Микропроцессорная информационно-измерительная система учета и контроля энергии ИИСЭ3. – Приборы и системы управления, №1, 1988.

6.Микропроцессорный КТС для построения распределенных сетей учета и контроля энергии КТС ИИСЭ3/Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П., Гурчик М.Е. и др. – Приборы и системы управления, №1, 1989.

7.Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П. Семейство автоматизированных систем учета и контроля энергии ИИСЭ3, ИИСЭ4. – Промышленная энергетика, №7,1992.

8.Гуртовцев А.Л. О происхождении и значениях термина АСКУЭ. – Промышленные АСУ и контроллеры, №7, 2003.

9.Гуртовцев А.Л. Современные принципы автоматизации энергоучета в энергосистемах. – Новости Электротехники, №1, №2, 2003 (первая публикация в белорусском журнале «Автоматизация от А до Я», №11/12, 2001; №1,№2,№4,№5/6, 2002).

10.Гуртовцев А.Л. О метрологии цифровых АСКУЭ и границах метрологической экспансии. – Энергорынок, №6,№7,2006.

11.РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.

12.Анализ вычислительных функций микропроцессорной информационноизмерительной системы учета и контроля электроэнергии/ Антоневич В.Ф., Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П. и др. – Электромеханика, №12,1983.

13.Гуртовцев А.Л., Горелик Д.Г.,Мельников Б.С. Погрешности накопления измерительной информации в системах учета и контроля энергии. – Измерительная техника, №12, 1984.

14.Забелло Е.П. Уменьшение погрешности измерений при дистанционном учете и контроле электропотребления. – Измерительная техника, №9,1987.

15.Гурчик М.Е., Гуртовцев АЛ. Сбор информации на ЭВМ от систем и сетей ИИСЭ3 по каналам связи. – Промышленная энергетика, №5,1990.

16.Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П. Приборный учет электрической энергии. Система новых взглядов. – Энергетика и ТЭК, №3,№4,2003.

17.Концепция приборного учета электрической энергии в Республике Беларусь. – Энергетика и ТЭК, №12, 2005; №1, 2006.

18.Гуртовцев А.Л. Современные принципы приборного учета электроэнергии. Опыт Беларуси. – Сборник докладов 10-й научно-практической конференции-выставки «Метрология электрических измерений в электроэнергетике», Москва, 26-30 марта 2007.

19.Гуртовцев А.Л. Измерительные системы: где заканчивается измерение? – Новости Электротехники, №4, 2007.

20.Гуртовцев А.Л. Аттестация цифровых АСКУЭ: какой ей быть? - Новости Электротехники, №4, 2008.

21.Метрология. Термины и определения в электроэнергетике/Утверждены решением Электроэнергетического Совета СНГ, протокол № 33 от 23.05.2008. – сайт журнала «Новости Электротехники» www/news.elteh.ru.

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

78

22.Философский энциклопедический словарь. – М., Советская энциклопедия, 1989.

23.Большой российский энциклопедический словарь. - М., Большая Российская энциклопедия, 2003.

24.ГОСТ 8.567-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение времени и частоты. Термины и определения.

25.Проблема обеспечения единого времени в электроэнергетике/ Клеман А.С., Кравченко П.А., Романько В.Н. и др. – Украинский метрологический журнал, №2, 2006.

26.Что такое синхронизация часов при помощи радиосигнала DCF 77? – Сайт www.tcair.ru.

27.Радиосигналы точного времени. – Сайт www.ups.km.ru.

28.Сайт фирмы Dallas Semicoductor – www.dalsemi.com.

29.Новые часы реального времени, имеющие точность в широком рабочем температурном диапазоне: ±2 минуты в год. – Сайт www.apls.ru.

30.Голубев И. Термокомпенсация в приборах учета времени. – Компоненты и технологии, №8, 2006.

31.Гуртовцев А.Л. Погрешности электронных счетчиков. Исследование и оценка. – Новости Электротехники, №1,№2, 2007.

32.Гуртовцев А.Л. Измерительные трансформаторы тока 0,4-10 кВ. Возможности улучшения характеристик. - Новости Электротехники, №1,2008.

33.Гуртовцев А.Л. Измерительные трансформаторы тока. Проблема нижней границы вторичной нагрузки. - Новости Электротехники, №2, 2008.

34.Интернет-Университет Информационных Технологий. Лекция: время в Solaris. –, сайт www.intuit.ru.

35.Гуртовцев А.Л. Аттестация цифровых АСКУЭ: какой ей быть? - - Новости Электротехники, №4, 2008.

Справка

Статья опубликована в журналах:

Энергетика и ТЭК, №5, 2009 (Беларусь) Электрические сети и системы, №1, 2009 (Украина) Новости электротехники, №2, №3, 2009 (Россия) Промышленная энергетика, №10, 2009 (Россия)

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

79

ПРИЛОЖЕНИЕ К РАЗДЕЛЙ 1

Справка

Данное приложение представляет собой законченную главу незавершенной автором книги по АСКУЭ. Эта глава отдельно опубликована в Интернете на многих сайтах, включая publ.lib.ru, libmonster.ru, twirpx.com и другие. Материал главы полезен для углубления знаний всем, кто занимается теоретическими и практическими вопросами производства, передачи, потребления и измерения электроэнергии.

ГЛАВА 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ

«Наша Вселенная представляет собой хорошо уравновешенную смесь положительных и отрицательных электрических зарядов…»

Профессор Э. М. Парселл, 1975г.

2.1 Электрические заряды, поля и силы. Основные понятия и единицы измерений

Вся совокупность электрических и магнитных явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрических зарядов и их полей. Электрический заряд - это физическая величина, отражающая особые, электрические свойства его материальных носителей - элементарных частиц, микрочастиц и физических тел

(в понятии электрического заряда часто отождествляют само свойство с его носителем).

Существование электрического заряда является фундаментальным свойством материи и определяет один из четырех известных типов фундаментальных взаимодействий - электромагнитное взаимодействие (остальные три типа - гравитационное, слабое и сильное). Электрическим зарядом обладает большинство элементарных частиц (в частности, электрон е и протон р), которые совместно с электрически нейтральными (незаряженными) частицами образуют структуру вещества на всех его иерархических уровнях, начиная с атомов и молекул и заканчивая звездами с планетными системами и обитающими на них организмами.

Электрический заряд - физическая величина, определяющая особый тип сил - электромагнитные силы и характеризующая свойство электрически заряженных частиц и тел вступать в электромагнитные взаимодействия

Действие электрических зарядов проявляет их фундаментальные свойства [2.1- 2.3]:

1)полярность (двойственность) зарядов - существуют два вида электрических зарядов, противоположных друг другу по действию и условно названных положительными

(+)и отрицательными (-); одноименные электрические заряды в виде заряженных частиц или физических тел, приведенные в соприкосновение или пространственно удаленные друг от друга, отталкиваются, а разноименные - притягиваются (полярность электрических зарядов была установлена именно по этим механическим проявлениям действия электрических сил - перемещениям и вращениям, и в данном отношении эти силы отличаются от гравитационных, которые всегда являются силами только притяжения); *

2)дискретность (квантуемость) зарядов - величина электрического заряда q любой частицы или физического тела всегда кратна минимально возможному и постоянному кванту

заряда - наименьшему, или элементарному заряду е, отрицательному или положительному, равному по величине электрическому заряду e- электрона или е+ позитрона (для протона

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

80

p+=е+): (q+)=n·(e+) или (q-)=n·(e-), где n - количество элементарных зарядов e в физическом объекте; **

3) создание электромагнитного поля - каждый неподвижный в рассматриваемой системе отсчета электрический заряд создает в пространстве вокруг себя электрическое

(электростатическое), а движущийся - электромагнитное поле с силовым действием на другие электрические заряды, появляющиеся в этом поле. ***

*Причина существования этого универсального свойства пока не известна. Современная физика рассматривает двойственность зарядов как противоположные проявления одного качества, подобного свойствам «левый» и «правый» качества симметрии.

**Природа такого квантования электрических зарядов и точного равенства зарядов всех заряженных

элементарных частиц, независимо от их массы, элементарному заряду не выяснена (например, для протона,

который в 1836 раз тяжелее электрона, установлено с относительной погрешностью измерения не более 10-20

[2.1], что он имеет тот же заряд, что и электрон). Современная теория элементарных частиц предполагает существование гипотетических частиц с дробным электрическим зарядом, кратным 1/3 элементарного заряда, -

кварков, которые образуют барионы (тяжелые элементарные частицы с массой не менее массы протона; к ним, в частности, относят нуклоны - протоны и нейтроны) и другие элементарные частицы (мезоны,

резонансы), участвующие в сильных взаимодействиях (весь класс таких частиц именуют адронами) [2.3]. Существуют и некварковые гипотезы о структурном устройстве стабильных элементарных частиц, причем не только адронов, но и лептонов – легких частиц типа электрона (например, одна из гипотез, вопреки общепринятому мнению о том, что электрон не имеет никакой структуры и существует в виде материальной точки бесконечно малых размеров, рассматривает его как размерное образование - устойчивый вращающийся сгусток электромагнитного поля, т.е. не заряженная частица порождает поле, а, наоборот, поле порождает частицу).

***поле является материальным носителем электромагнитных сил, самостоятельной физической реальностью, отличной от вещества, но существующей наряду и одновременно с ним; поле не сводится к механическим, тепловым или другим явлениям, но проявляет свои действия и через них; поле придает пространству локальное свойство близкодействия, через которое осуществляется дальнодействие удаленных друг от друга электрических зарядов; хотя и говорят, что вещество, т.е. носитель электрического заряда, «создает» поле, но поле существует вместе с веществом; электромагнитное поле возникает при изменении электромагнитного состояния вещества и может затем существовать в пространстве совершенно независимо, самостоятельно от него [2.4]; взаимодействие и взаимопревращения между веществом и полем во многом только предстоит еще исследовать и понять (возможно, один из путей к этому – исследование среды

физического вакуума).

Отдельные магнитные заряды (магнитные монополи), ни положительные, ни отрицательные, в отличие от электрических зарядов, в природе не обнаружены. Постоянное или переменное магнитное поле не имеет других источников, кроме движущихся электрических зарядов (электрических токов) и меняющегося во времени электрического поля. В свою очередь, меняющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, замыкая цикл образования электромагнитного поля (взаимосвязь электрических и магнитных полей описывается уравнениями Максвелла). Таким образом, электрические и магнитные поля являются частной формой электромагнитного поля, которое может создаваться как электрическими зарядами, так и переменными электрическими и магнитными полями.

Микроскопическое магнитное поле возникает в физической среде как при направленном движении электрически заряженных микрочастиц (электронов, протонов,

ионов) - микротоках, так и при вращательном движении микрочастиц вокруг собственных осей. В последнем случае говорят о собственном (спиновом) магнитном моменте микрочастиц. Им обладают многие элементарные частицы, ядра и электронные оболочки атомов и молекул. Микротоки и магнитные моменты электрически заряженных микрочастиц являются причиной намагничивания физических тел и создания ими

макроскопических магнитных полей и магнитных моментов, которые в каждом магните проявляются в виде совместного и нераздельного действия его двух противоположных

полюсов, условно названных «северным» и «южным» (модель полюсов магнита - противоположные стороны плоского витка с током, «магнитного лепестка»). Магнитное поле оказывает силовое действие на движущиеся электрические заряды (токи) и тела, обладающие магнитным моментом, независимо от того, движутся эти тела или покоятся в рассматриваемой системе отсчета.