Чому трансформатор гудить під час роботи?

З дитинства кожному відомо: гул, який лунає із трансформаторної будки – це нормально, це частина роботи встановленого там обладнання. Проте, мало хто замислювався, чому саме так відбувається, що обумовлює шуми та наскільки це безпечно. Саме в цих питаннях ми сьогодні й розбиратимемося.

Часто можна почути спрощене пояснення, що звуки, що виходять від будки чи підстанції, зумовлені вібрацією установки. Проте, мусить бути причина у такої вібрації. Трохи більш освідчені люди вже зазвичай описують процеси, що відбуваються всередині трансформатора, як розбовтування витків або обмоток, які стукають об металеву рамку, проте знову постає питання, чому ж у умовно монолітному пристрої починається рух частини елементів. Чи може статися так, що намотування «бовтається» між рамкою, сердечником та зовнішньою рамкою? Чи впливає частота струму на частоту колівань внутрішніх вузлів? Давайте розбиратися.

Наукове пояснення

Правильне назва явища, яке зумовлює шуми та вібрацію при роботі трансформатора – магнітострикція. Цим словом позначають зміну форми та розміру феромагніту, яка виникає під впливом змінного поля. Загалом, ті самі процеси відбуваються й у звичних нам проводах та кабелях, тільки їх будова зазвичай не дозволяє досягти рівня чутного звуку. А ось через значне підвищення напруги – до тих величин, при яких працюють високовольтні ЛЕП, відчути шуми все ж таки можливо навіть без застосування спеціального обладнання.

Якщо спробувати пояснити цей процес по-простому, то можна сказати, що справжній джерело шуму – це точкова, фрагментарна деформація сердечника. Однак розглянемо все по порядку.Для початку необхідно правильно собі уявити, що таке трансформатор: зазвичай це дві котушки з намотаним на них проволокою, які оточені металевим сердечником. При цьому важливо зрозуміти, що цей самий сердечник являє собою не монолітний виріб з металу, а складання з безлічі тонких пластинок, з'єднаних воєдино. При роботі на трансформатор надходить змінний струм, який потрапляє на первичну обмотку та генерує в ній електромагнітне поле. Через сердечник воно передається й вторинній обмотці, а на ній, у свою чергу, виникає струм з відмінним вольтажем.

Через те, що загальний сердечник системи – це не цілісний об'єкт, у ньому є безліч мікроскопічних зон, про які наука знає лише, що в непрацюючому стані магнітне поле там є невпорядкованим. Коли ж на первинну котушку подається струм, структура поля впорядковується, і це змушує сам матеріал сердечника трохи деформуватися – в окремих зонах стискатися, в інших – розтискатися. Саме цей процес і називається магнітострикцією, а вібрації та шум, який вони провокують, є лише наслідком комплексу процесів, що відбуваються.

Частота гулу досить низька, що дозволяє людському вуху його вловлювати. Якби вона була вищою, ми б, швидше за все, нічого навіть не чули. Оскільки мова йде про змінний струм, магнітне поле встигає двічі за фазу змінити своє напрям, «розгойдуючи» всі мікрообласті металу сердечника. Як ми знаємо, в Україні побутова електрична мережа на 220 В працює при частоті 50 Гц, що означає, що трансформаторні обмотки коливаються вдвічі частіше – з частотою 100 Гц.А ось у США, де загальні мережі видають 110 В при 60 Гц, і трансформатори звучатимуть вище – за 120 Гц.

Дослідження явища зміни форми та розмірів феромагнітних тіл проводилися ще у ХІХ-му столітті. Широко відомий англійський вчений-дослідник Джеймс Джоуль у 1842-му році зауважив, що при поміщенні тонкого залізного об'єкта до магнітного поля метал продовжується в одному напрямку та скорочується в іншому, зберігаючи колишній об'єм. Природно, що така деформація супроводжується звуками – адже кожному легко собі уявити, що він почує при спробі зігнути лист металу чи навіть звичайної фольги. Ну а в умовах дії електромагнітного поля подібні процеси систематизуються та набувають стабільної частоти.

Найбільше вплив на загальний рівень шуму чинять габарити трансформаторів та величина навантаження, під яким вони постійно працюють. До того ж, чимале значення має сталь, яка використовується для формування наборного сердечника. Зазвичай вся трансформаторна установка збирається досить щільно, тому що такий люфт деталей майже виключається, через що пристрій вібрує майже як єдине ціле. Листя сердечника багаторазово викривляються-коливаються, це передається маслу та опорним частям конструкції, а звідти – масляним бакам, кабелям та системам прокладання кабелю, захисним кожухам та стінам приміщень. Дослідження показали, що при роботі установки для забезпечення будинків струмом звичайної частоти, длина хвилі в трансформаторному маслі становить близько 12 м. елементи майже зростаються.Таким чином бак не просто приймає вібрації та резонує разом з ядром трансформатора, але навіть відтворює звук та збільшує його гучність.

Сьогодні існує величезна кількість досліджень на тему того, як саме між собою корелюють вібрація, шум та процеси всередині трансформатора. Відомо, що електротехнічні стали, в залежності від методу прокатки, по-різному поводяться у складі сердечників та провокують виникнення звуків із відмінними тонами. Фізичні властивості цих металів впливають на саму природу магнітострикції, до того ж абсолютно природна неідентичність листів, що складають сердечник, вносити додатковий внесок до того, як трансформатор звучатиме при роботі. Сьогодні відомо, що і поздовжні, і поперечні колівання пластин формують приблизно однаковий за інтенсивністю звук. Тому навіть при спробі придушити вібрацію в одному напрямку, в іншому вона залишиться в повній мірі, а загальне прогнозоване зниження зашумленості на складі всього 3 дБ, що можна назвати майже несуттєвим.

Інші причини шуму та гулу

Звичайно, такі комплексні процеси, як описані вище, мають величезну кількість нюансів та не всі з них можна передати простими словами людям без спеціальної підготовки. Проте, будь-який чоловік може відзначити, що трансформатори звучать неоднаково, хоча мережа по всій країні одна. Чому ж тональність все ж таки різниться? Насправді для цього є одразу кілька причин.

1. Котушки погано ізольовані. Якщо ізоляція обмоток виявиться недостатньою або буде фрагментарно пошкоджена, між витками почнуть проскакувати іскри. Для людського вуха це буде чути як клацання чи потріскування.Зі збільшенням кількості клацань та їхньої частоти зміниться й загальне сприйняття трансформаторного гулу. По суті, та сама причина викликає гул високовольтної ЛЄП через високу вологість або після дощу. При критичному пошкодженні ізоляції обмоток трансформатора шум змінюється кардинально та клацання вже майже починають заглушувати звук від вібрації стінок пластин сердечника. Дану ситуацію можна сміливо називати передаварійною.
2. Компоненти погано закріплені. Найчастіше у трансформаторах розбовтуються тільки ті частини, які збираються на місці або кріпляться майстрами безпосередньо для комутації. Це або клеми, або затискачі дротів, яким вібрація просто передається при роботі, через що вони починають вже самі коливатися через частоту, яка відрізняється. Крім того, частини кабелів, що виходять з-під короба, що захищає трансформатор, та направляються до розподільних щитів, можуть постукувати про обшивку, супроводжуючи мірний гул додатковим і навіть угрівливим гуркотом.
3. Робота допоміжного обладнання. На трансформаторних підстанціях встановлені не тільки самі трансформатори, а й ряд пристроїв, які забезпечують життєдіяльність цього об'єкта інфраструктури. Тому в невеликих будинках з білого кирпича можуть також шуміти вентиляційні установки, охолоджуючі основне обладнання, або насоси, які перекачують олію для самої роботи трансформаторів.

Відзначимо, що рівень шуму, який виходитиме від працюючих трансформаторів, офіційно нормується – за правилами він не повинен перевищувати певних величин.Ліміти задаються як за абсолютними значеннями рівня шуму, так і за низкою відносних – залежно від віддаленості від житлової споруди або цілого населеного пункту, від тієї потужності, на яку розрахований трансформатор, від типу його конструкції та ін. На кожний випадок є або ГОСТ/ДСТУ, або поширюється норма зі СНіП, ДБН або ПУЕ. Для того, щоб знизити ефекти шумового загрязнення, поруч із трансформаторами зазвичай монтують особливі екрани, які мають звукопоглинальні властивості, або ж взагалі вносять якісь зміни до конструкції апаратури, організовуючи глушники.

Гудіння автоматики у домашньому щитку

Нерідко люди скаржаться на те, що гул, схожий на трансформаторний, вони чують з побутового щитка. Захисна автоматика справді може часом гудіти, бо в ній містяться блоки з принципом дії, який нагадує тій, що описана вище. Безумовно, у побуті на перше місце виходить не технічний бік питання, а безпека. Мешканці сильно турбуються: чи нормально, що при цьому немає запаху гару, чи не стане шум причиною загоряння, чи небезпечний він, чи треба з ним боротися і, якщо так, то наскільки терміново.

На всі ці питання відповісти щодо неважко. Якщо згадати, як улаштований будь-який сучасний автоматичний вимикач, то стане зрозуміло, що шукати причину можна тільки в одному вузлі. Роз'яснимо: у цих пристроях сьогодні є тепловий та електромагнітний розціплювач. Перший являє собою пластину з біметалу, яка нагрівається під впливом струму та замикає/розмикає ланцюг, а другий складається з котушки з рухомим сердечником. У тепловому розціплювачі просто немає елементів, які здатні вібрувати миттєво – тільки плавно згинатися, та й то за особливих умов.Зате в електромагнітному розціплювачі є й котушка (потенційний джерело гулу та тріску), і підпружинений стержень, який призначений для переміщення вздовж каналу від краю до краю. Найчастіше саме люфт цього сердечника всередині свого каналу змушує домашню автоматику гудіти. У пристрої багато металу та рухомих компонентів, через що брязкіт посилюється навіть при несуттєвій в абсолютному вимірі вібрації.

За значного потужнісного навантаження на мережу, а особливо – забезпечуваному кількома пристроями з різним принципом споживання енергії, струми можуть помістити сердечник у таку область усередині котушки, де він постійно видаватиме звук. При цьому пружина, яка повинна його стабілізувати, навпаки, послужити певним додатковим резонатором. Одночасно підключивши до розетки своєї квартири пілосос, утюг та болгарку, можна перевести сердечник у ті самі недалекі положення, оскільки профіль струму, який житиме кожен з цих пристроїв, буде відрізнятися. «Скинути налаштування» можна просто відключивши всю потужну техніку та дав автоматиці трохи відпочити.

Відповідь на питання про те, як собі слід поводитись при гудінні автоматів, теж досить легка. Практично завжди невеликий шум – це нормально з точки зору експлуатації. Він не може призвести до пожежі або вивести з ладу техніку, не спровокує інших неполадок. Найшвидше, це просто недопрацювання проектувальників такої автоматики – особливо, якщо вона була дешевою. Чи потрібно змінювати такий модуль? Обов'язкової вимоги немає. Замінювати його варто тільки в тому випадку, якщо він справді своїм шумом виводитиме мешканців із психічного рівноваги.Якщо автомат, який гуде, не заважає, про нього можна забути та ставитися так само байдуже, як до трансформаторної підстанції, що стоїть надворі.

Безпечна напруга у побуті

Чому гуде трансформатор, джерела вібрації та шуму, що таке магнітострикція

А чому гуде трансформатор? Ви колись замислювалися про це? Хтось скаже, що це від того, що погано закріплені між собою витки або обмотки коливаються, стукаючи об залізо. Може бути площа сердечника виявилася меншою за необхідну за розрахунками або занадто багато вольт на виток вийшло при намотуванні? А чи відповідає частота, що подається, даному матеріалу сердечника? Але давайте розбиратися.

Насправді причиною гудіння трансформатора спочатку є магнітострикція. Магнітострикцією називається явище зміни розмірів та форми феромагнітного тіла під дією змінного магнітного поля.

Розміри та форма феромагнітних тіл залежать від стану їхньої намагніченості. Джеймс Джоуль в 1842 році. вперше виявив, що при внесенні в магнітне поле заліза останнє змінює свою форму, подовжуючись за одними напрямками щодо поля і коротшаючи за іншими. Об'єм тіла при цьому помітно не змінювався.

Отже, якщо феромагнетик помістити в магнітне поле, це перш за все призведе до зміни його результуючої намагніченості.

Одночасно з цим відбуватиметься зміна розмірів тіла через те, що спонтанна намагніченість змінює свій напрямок у різних ділянках тіла, а отже, змінюється і напрямок спонтанних деформацій у них. Це властивість, яка властива всім тілам (феромагнетикам лише в найбільш яскравій формі).

Крім магнітострикції причинами шуму можуть бути масляні насоси і вентилятори систем охолодження потужних трансформаторів.Електродинамічні зусилля в обмотках та електромеханічні пристрої, що регулюють напругу під навантаженням, також створюють шум.

Значною мірою рівень цього шуму залежить від величини електромагнітного навантаження і габаритних розмірів трансформатора.

Ступінь вираженості явища залежить від величини магнітної індукції, а також від структури та від фізичних характеристик самої електротехнічної сталі.

Оскільки довжина хвилі для мережної частоти в трансформаторному маслі становить приблизно 12 метрів, а стінка бака розташована на невеликій відстані від осердя, то бак повністю приймає та відтворює відповідні вібрації прилеглих частин осердя.

Іноді інші джерела шуму виявляються голоснішими, наприклад, та ж система активного охолодження, проте в цілому домінує саме магнітний шум сердечника, викликаний магнітострикцією.

Під дією змінного магнітного поля, сердечник відчуває змінні магнітострикційні деформації. насправді ця залежність не прямопропорційна, і коливання, а за ними і вібрація бака, видають шум із найвищими гармоніками.

Як для холоднокатаної, так і для гарячекатаної електротехнічних сталей дані щодо відносного кількісного подовження при магнітострикції є.Гарячекатана листова сталь з підвищеним вмістом кремнію практично повністю перешкоджає прояву магнітострикції, і 6% кремнію, додані трансформаторну сталь, майже блокують її. Але таку сталь неможливо застосовувати в трансформаторах через не кращі механічні її характеристики.

У холоднокатаної сталі, при тому ж значенні магнітної індукції, відносне подовження виявляється менше, ніж у гарячекатаної сталі. Але через те, що індукція в сердечниках з холоднокатаної сталі перевершує індукцію для сталі гарячекатаної, подовження сердечників виявляються приблизно однаковими.

Дослідження показали, що шум магнітопроводу з гарячекатаної сталі при значенні індукції 1,35 Тл відповідає шуму холоднокатаної сталі при магнітній індукції 1,55 Тл. А при збільшенні індукції в осерді трансформатора з холоднокатаної сталі на 0,1 Тл, шум стає сильнішим на 8 дБ.

Трансформаторний сердечник може також потрапити в резонанс із коливаннями від магнітострикції, та ще й з гармоніками вібрацій у магнітопроводі. Якщо магнітопровід або деталі трансформатора попадуть у резонанс з даними гармоніками, то діапазон шуму з яскраво вираженими піками охопить кратні гармоніки подвоєної частоти.

Експериментально підтверджено, що гармоніки вібрацій магнітопроводу особливо яскраво виражені при високих значеннях магнітної індукції, коли відбувається перехід нелінійної ділянки кривої намагнічування за наявності великої кількості гармонік магнітострикційних вібрацій.

Одна з основних складових цього шуму в трансформаторі належить поперечним коливанням листів.Ці виразні вібрації виникають внаслідок відмінності листів за довжиною і товщиною, в результаті коефіцієнти подовження для кожного листа різні, а це веде до зміни зазору зчленування функції миттєвих значень індукції.

Це веде до перерозподілу у часі магнітних потоків між сусідніми аркушами, й у результаті виходять поперечні вібрації аркушів. Магнітний потік змінюється у часі, а разом із ним і ступінь насичення феромагнетика. Крива намагніченості спотворюється, і як наслідок, з'являються вищі гармоніки та шум магнітострикції.

Важливо, що довжина сердечника змінюється не тільки від магнитострикції, а й під дією магнітних сил, які виникають при переході магнітного потоку від пластини до пластини. Так виходить тоді, коли паралельно розташовані пластини відрізняються магнітною проникністю.

Експериментально підтверджено, що як поздовжні, так і поперечні коливання листів породжують вібрації та шум приблизно однакової інтенсивності. Тому навіть якщо повністю придушити одне з джерел шуму трансформатора, загальний шум не знизиться більш ніж на 3 дБ.

Реактори, дроселі, мають конструктивні повітряні зазори, відрізняє шум, викликаний саме магнітними силами. Між двома частинами, розділеними зазором, виникають змінно сили тяжіння з подвоєною частотою намагнічування.

Шум, що викликається електродинамічними силами в обмотках трансформатора, що працює під навантаженням, зазвичай досить тих, якщо відсутні осьові люфти, як це властиво для пружного пресування обмоток. Тому від навантаження рівень цього шуму трансформатора практично не залежить.

Це положення дозволяє нормувати рівень шуму трансформатора.Проте характер і величина навантаження все ж таки пов'язані з магнітною індукцією в трансформаторній сталі в процесі роботи, тому рівень магнітного шуму з потужністю навантаження все ж таки пов'язаний.

Сподіваємося, що ця невелика стаття дозволила недосвідченому читачеві отримати відповідь на запитання, чому ж гуде трансформатор.

Головний редактор сайту Електрик Інфо. Інженер-електрик з досвідом роботи на промислових підприємствах, викладач спецдисциплін у коледжі.

Інформація, опублікована на даному веб-сайті, представлена ​​виключно з метою ознайомлення, за застосування цієї інформації адміністрація сайту відповідальності не несе.