Чому трансформатор гуде при роботі?

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

Часто можна почути спрощене пояснення, що звуки, які виходять від будки або підстанції, зумовлені вібрацією установки. Однак, повинна ж бути й причина у такої вібрації. Трохи більше обізнані 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 намотка «бовтається» між рамкою, сердечником та зовнішньої рамкою? Чи впливає частота струму на частоту коливань внутрішніх вузлів? Давайте розбиратися.

Наукове пояснення

Правильна 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 дротах та кабелях, тільки їхня будова зазвичай не дозволяє досягти рівня чутного звуку. А ось за значного підвищенні напруги – до тих величин, при яких працюють високовольтні ЛЕП, почути шуми усе ж можливо навіть без застосування спеціального обладнання.

Якщо спробувати пояснити даний процес по-простому, то можна сказати, що справжнє джерело шуму – це точкова, фрагментарна деформація сердечника. Однак, розглянемо усе по порядку. Для початку необхідно правильно собі уявити, що таке трансформатор: зазвичай це дві котушки з намотаним на них дротом, які оточені металевим сердечником. При цьому важливо зрозуміти, що цей самий сердечник являє собою не монолітний виріб з металу, а складений з безлічі тонких пластинок, з'єднаних воєдино. При роботі на трансформатор надходить змінний струм, який потрапляє на первинну обмотку та генерує у ній електромагнітне поле. Через сердечник воно передається й вторинній обмотці, а на ній, у свою чергу, виникає струм з відмінним вольтажем.Вихідна величина напруги буде залежати від кількості витків у обох обмотках, тому між рівнем вольтажу та розмірами котушок є прямий зв'язок.

Через те, що загальний сердечник системи – це не цілісний об'єкт, у ньому є безліч мікроскопічних зон, про які наука знає лише, що у непрацюючому стані магнітне поле там є невпорядкованим. Коли ж на первинну котушку подається струм, структура поля упорядковується, й це змушує сам матеріал сердечника трохи деформуватися – у окремих зонах стискатися, у 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 й дозволяє людському вуху його вловлювати. Будь вона вищою, ми б, швидше за усе, нічого навіть не чули. Оскільки мова йде про змінний струм, магнітне поле встигає двічі за фазу змінити свій напрямок, «розгойдуючи» усі мікрообласті металу сердечника. Як ми знаємо, в Україні побутова електрична мережа на 220 В працює при частоті 50 Гц, і це означає, що трансформаторні обмотки коливаються вдвічі частіше – з частотою 100 Гц. А ось у США, де загальні мережі видають 110 В при 60 Гц, й трансформатори звучать вище – при 120 Гц.

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

Найбільший вплив на загальний рівень шуму чинять габарити трансформаторів та величина навантаження, під яким вони постійно працюють. До того ж, чимале значення має й сталь, яка використовується для формування набірного сердечника. Зазвичай уся трансформаторна установка збирається досить щільно, тому як такий люфт деталей майже виключається, через що пристрій вібрує майже як єдине ціле. Листи сердечника багаторазово викривляються-коливаються, це передається маслу та опорним частинам конструкції, а звідти – масляним бакам, кабелям та системам прокладки кабелю, захисним кожухам та стінам приміщень. Дослідження показали, що при роботі установки для забезпечення будинків струмом звичайної частоти, довжина хвилі у трансформаторному маслі становить близько 12 м. При цьому стінка бака з ним знаходиться на надзвичайно малій відстані від опорної частини сердечника, а тому при наростанні шару пилу на маслі ці два 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, у залежності від методу прокатки, по-різному поводяться у складі сердечників та провокують виникнення звуків з відмінними тонами. Фізичні властивості цих металів впливають на саму природу магнітострикції, до того ж абсолютно природна неідентичність листів, які складають сердечник, вносить додатковий внесок до того, як трансформатор буде звучати при роботі. Сьогодні відомо, що і поздовжні, й поперечні коливання пластин формують приблизно однаковий за інтенсивністю звук. Тому навіть при спробі придушити вібрацію у одному напрямку, у іншому вона залишиться у повній мірі, а загальне прогнозоване зниження зашумленості складе усього 3 дБ,що можна назвати майже несуттєвим.

Інші причини шуму та гулу

Звичайно, настільки комплексні процеси, як описані вище, мають величезну кількість нюансів та не усі з них можна передати простими словами людям без спеціальної підготовки. Проте, будь-яка людина у силах відзначити, що трансформатори звучать неоднаково, хоча мережа по усій країні одна. Чому ж тональність усе ж таки різниться? Насправді для цього є відразу декілька причин.

1. Котушки погано ізольовані. Якщо ізоляція обмоток виявиться недостатньою або буде фрагментарно пошкоджена, між витками почнуть проскакувати іскри. Для людського вуха це буде чутно як клацання або потріскування. Зі збільшенням кількості клацань та їхньої частоти зміниться й загальне сприйняття трансформаторного гулу. По суті, та сама причина викликає гул високовольтної ЛЕП за високої вологості або після дощу. При критичному пошкодженні ізоляції обмоток трансформатора шум змінюється кардинально та клацання вже майже починають заглушати 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 за частоти, яка відрізняється. Окрім того, частини кабелів, які виходять з-під короба, що захищає трансформатор, та направляються до розподільних щитів, можуть постукувати об обшивку, супроводжуючи мірний гул додатковим й навіть загрозливим гуркотом.
3. Робота допоміжного устаткування. На трансформаторних підстанціях встановлені не тільки самі трансформатори, але й низка пристроїв, які забезпечують життєдіяльність цього об'єкта інфраструктури. Тому у невеликих будинках з білої цегли можуть також шуміти вентиляційні установки, охолоджуючі основне обладнання, або насоси, які перекачують масло для самої роботи трансформаторів.

Відзначимо, що рівень шуму, який буде виходити 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 – у залежності від віддаленості від житлової споруди або цілого населеного пункту, від тієї потужності, на яку розрахований трансформатор, від типу його конструкції та ін. На кожен випадок є або ГОСТ/ДСТУ, або поширюється норма зі СНіП, ДБН або ПУЕ. Для того, щоб знизити ефекти шумового забруднення, поруч з 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 дійсно може часом гудіти, тому що всередині неї містяться блоки з принципом дії, який нагадує той, що описаний вище. Безумовно, у побуті на перше місце виходить не технічна сторона 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 усі ці питання відповісти щодо неважко. Якщо згадати, як влаштований будь-який сучасний автоматичний вимикач, то стане ясно, що шукати причину можна тільки у одному вузлі. Роз'яснимо: у даних 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 у електромагнітному розціплювачі є й котушка (потенційне джерело гулу та тріску), й підпружинений стрижень, який призначений для переміщення уздовж каналу від краю до краю. Найчастіше саме люфт цього сердечника всередині свого каналу й змушує домашню автоматику гудіти. У пристрої багато металу та рухомих компонентів, через що брязкіт посилюється навіть при несуттєвій у 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 всередині котушки, де він буде постійно видавати звук. При цьому пружина, яка повинна його стабілізувати, навпаки, послужить певним додатковим резонатором. Одночасно підключивши до розетки своєї квартири пилосос, праску та болгарку, можна перевести сердечник у те саме невдале положення, оскільки профіль струму, який живить кожен з цих пристроїв буде відрізнятися. «Скинути налаштування» можна просто відключивши усю потужну техніку та давши автоматиці трохи відпочити.

Відповідь на питання про те, як себе слід поводити при гудінні автоматів, теж досить легке. Практично завжди невеликий шум – це нормально з точки зору експлуатації. Він не може призвести до пожежі або вивести з ладу техніку, не спровокує інші неполадки. Швидше за усе, це просто недопрацювання проектувальників такої автоматики – особливо, якщо вона була дешевою. Чи потрібно міняти такий модуль? Обов'язкової вимоги немає. Замінювати його варто тільки у тому випадку, якщо він дійсно своїм шумом виводить мешканців з психічної рівноваги. Якщо автомат, який гуде, не заважає, про нього можна забути та ставитися так само байдуже, як до трансформаторної підстанції, що стоїть надворі.