Почему гудит трансформатор при работе

Почему гудит трансформатор, источники вибрации и шума, что такое магнитострикция

А почему гудит трансформатор? Вы когда-нибудь задумывались об этом? Кто-то скажет что это от того, что плохо закреплены между собой витки или обмотки колеблются, стукаясь о железо. Может быть площадь сердечника оказалась меньше требуемой по расчетам или слишком много вольт на виток получилось при намотке? А соответствует ли подаваемая частота данному материалу сердечника? Давайте, однако, разбираться.

На самом деле причиной гудения трансформатора изначально является магнитострикция. Магнитострикцией называется явление изменения размеров и формы ферромагнитного тела под действием переменного магнитного поля.

Размеры и форма ферромагнитных тел зависят от состояния их намагниченности. Джеймс Джоуль в 1842 r. впервые обнаружил, что при внесении в магнитное поле железа последнее меняет свою форму, удлиняясь по одним направлениям относительно поля и укорачиваясь по другим. Объем тела тела при этом заметно не менялся.

Итак, если ферромагнетик поместить в магнитное поле, то это прежде всего приведет к изменению его результирующей намагниченности.

Одновременно с этим будет происходить изменение размеров тела из-за тoгo, что спонтанная намагниченность меняет своё направление в различных участках тела, а следовательно, меняется и направление спонтанных деформаций в них. Это свойство, которое присуще всем телам (ферромагнетикам лишь в наиболее яркой форме).

Кроме магнитострикции причинами шума могут быть работающие масляные насосы и вентиляторы систем охлаждения мощных трансформаторов. Электродинамические усилия в обмотках и электромеханические устройства, регулирующие напряжение под нагрузкой, также создают шум.

В существенной степени уровень этого шума зависит от величины электромагнитной нагрузки и габаритных размеров трансформатора. И в основе шума именно вибрация ферромагнитного магнитопровода, сопровождающая магнитострикцию.

Степень выраженности явления зависит от величины магнитной индукции, а также от структуры и от физических характеристик самой электротехнической стали. Далее вибрация передается маслу и опорам сердечника, а от масла и опор сердечника — непосредственно баку.

Поскольку длина волны для сетевой частоты в трансформаторном масле составляет приблизительно 12 метров, а стенка бака расположена на небольшом расстоянии от сердечника, то бак полностью принимает и воспроизводит соответствующие вибрации близлежащих частей сердечника.

Иногда прочие источники шума оказываются громче, например та же система активного охлаждения, однако в целом доминирует именно магнитный шум сердечника, вызванный магнитострикцией.

Под действием переменного магнитного поля, сердечник испытывает переменные магнитострикционные деформации. И если бы листы стали, из которых набран сердечник, испытывали бы растяжения прямо пропорционально квадрату магнитной индукции, то магнитострикционные колебания обладали бы одной устойчивой частотой, равной 100 Гц для сетевых 50 Гц. Однако на деле эта зависимость не прямопропорциональна, и колебания, а за ними и вибрация бака, выдают шум с высшими гармониками.

Как для холоднокатаной, так и для горячекатаной электротехнических сталей данные по относительному количественному удлинению при магнитострикции имеются. Горячекатаная листовая сталь с повышенным содержанием кремния практически полностью препятствует проявлению магнитострикции, и 6% кремния, добавленные в трансформаторную сталь, почти блокируют ее. Но такую сталь невозможно применять в трансформаторах в силу не лучших механических ее характеристик.

У холоднокатаной стали, при том же значении магнитной индукции, относительное удлинение оказывается меньше, чем у стали горячекатаной. Но в силу того, что индукция в сердечниках из холоднокатаной стали превосходит индукцию для стали горячекатаной, удлинения сердечников оказываются приблизительно одинаковыми.

Исследования показали, что шум магнитопровода из горячекатаной стали при значении индукции в 1,35 Тл соответствует шуму холоднокатаной стали при магнитной индукции 1,55 Тл. А при увеличении индукции в сердечнике трансформатора из холоднокатаной стали на 0,1 Тл, шум становится сильнее на 8 дБ.

Трансформаторный сердечник может также попасть в резонанс с колебаниями от магнитострикции, да еще и с гармониками вибраций в магнитопроводе. Если магнитопровод или детали трансформатора угодят в резонанс с данными гармониками, то диапазон шума с ярко выраженными пиками охватит кратные гармоники удвоенной сетевой частоты.

Экспериментально подтверждено, что гармоники вибраций магнитопровода особо ярко выражены при высоких значениях магнитной индукции, когда происходит переход нелинейного участка кривой намагничивания при наличии обилия гармоник магнитострикционных вибраций.

Одна из главных составляющих этого шума в трансформаторе принадлежит поперечным колебаниям листов. Эти отчетливые вибрации возникают вследствие различия листов по длине и толщине, в итоге коэффициенты удлинения для каждого листа различны, а это ведет к изменению зазора сочленений в функции мгновенных значений индукции.

Это ведет к перераспределению во времени магнитных потоков между соседними листами, и в итоге получаются поперечные вибрации листов. Магнитный поток изменяется во времени, а вместе с ним и степень насыщения ферромагнетика. Кривая намагниченности искажается, и как следствие, появляются высшие гармоники и шум магнитострикции.

Важно, что длина сердечника изменяется уже не только от магнитострикции, но и под действием магнитных сил, которые возникают при переходе магнитного потока от пластины к пластине. Так получается тогда, когда параллельно расположенные пластины отличаются магнитной проницаемостью.

Экспериментально подтверждено, что как продольные, так и поперечные колебания листов порождают вибрации и шум приблизительно одинаковой интенсивности. Поэтому, даже если полностью подавить один из источников шума трансформатора, общий шум не снизится более чем на 3 дБ.

Реакторы, дроссели, имеющие конструктивные воздушные зазоры, отличает шум, вызванный именно магнитными силами. Между двумя частями, разделенными зазором, возникают переменно силы притяжения с удвоенной частотой намагничивания.

Шум, вызываемый электродинамическими силами в обмотках трансформатора, работающего под нагрузкой, как правило довольно тих, если отсутствуют осевые люфты, как это свойственно для упругой прессовки обмоток. Поэтому от нагрузки уровень этого шума трансформатора практически не зависит.

Данное положение позволяет нормировать уровень шума трансформатора. Однако характер и величина нагрузки все же связаны с магнитной индукцией в трансформаторной стали в процессе работы, поэтому уровень магнитного шума с мощностью нагрузки все же связан.

Надеемся, что эта небольшая статья позволила неискушенному читателю получить ответ на вопрос, почему же гудит трансформатор.

Для более глубокого понимания силовых трансформаторов и их роли в энергетической системе, рекомендуем ознакомиться с нашей статьей Применение силовых трансформаторов в энергетике. Здесь вы найдете полезные сведения о параметрах, структуре и эксплуатации этих ключевых электрических машин.

Главный редактор сайта Электрик Инфо. Инженер-электрик с опытом работы на промышленных предприятиях, преподаватель спецдисциплин в колледже.

• Генератор Маркса и его использование
• Термоэлектрический модуль Пельтье — устройство, принцип действия, характеристики
• Что такое трансформатор Тесла

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные факты

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Гудит силовой трансформатор: почему

Характерным признаком работы трансформатора выступает гудение. Но есть установленные пределы шума, превышение которых говорит о наличии неисправностей силового оборудования. Почему гудит трансформатор? В исправном состоянии шум вызван явлением, которое в учебниках физики носит название магнитострикции.

Суть заключается в изменении параметров ферромагнитного металла, из которого сделан сердечник оборудования. Воздействие на него магнитного поля приводит к тому, что шумит трансформатор. Дополнительными причинами появления характерного шума выступает работа вентиляторов и других систем охлаждения. Устройства, регулирующие напряжение тока, также гудят при работе.

От чего зависит уровень шума:

• от размеров трансформатора (чем больше габариты силового оборудования, тем сильнее гул при работе);
• возможности повышения нагрузки (ее увеличение отражается на «шумовом» эффекте);
• от свойств ферромагнитного материала сердечника.

Учитывая эти факторы, можно сказать, что если силовой трансформатор гудит в допустимых пределах, это не говорит о его поломке. Исключение: импульсное силовое оборудование. Шум, что возникает в исправном состоянии, находится за пределами слышимости, воспринимаемыми человеком.

Почему трансформатор начал гудеть

Оборудование, изначально работающее с нормальным уровнем шума, вдруг стало гудеть? Дополнительно слышен нехарактерный свистящий или дребезжащий звук? Это явный признак неисправности. Распространенная причина: нарушение структуры сердечника. Длительный срок эксплуатации наряду с постоянными колебаниями уровня нагрузки приводят к тому, что пластины сердечника расходятся. Учитывая принцип передачи звуковых волн, наличие зазоров между пластинами выступает фактором, повышающим уровень шума работающего трансформатора. Как устранить? Заново стянуть сердечник по принципу магнитопривода.

Интересует, почему шумит трансформатор, одновременно нагреваясь при этом? Причина заключается в повышении токовой нагрузки, которое возникает из-за межвиткового замыкания, или неисправностей в цепи. Как определить замыкание? Наблюдаются подтеки, оплавленная изоляция, почернения корпуса? Требуется вызов электриков для устранения межвиткового соединения. Если визуально неполадки не диагностируются, то определить факт замыкания можно при помощи мультиметра, сравнив полученные показания с данными паспорта прибора.

Но в любом случае причина сильного гула трансформатора – это нарушение номинального режима работы. Как его устранить? Обязательным выступает вызов электротехнического персонала, который продиагностирует силовое оборудование и устранит неисправность.

Обращение к мастерам

Интересует покупка трансформатора надежного производства? Нужна квалифицированная помощь по вопросам выбора и обслуживания? Обращайтесь к специалистам нашей компании. Они предметно расскажут, почему трансформатор гудит при работе, и ответят на другие вопросы, связанные с эксплуатацией силового оборудования.

Прямое сотрудничество с заводами-производителями обеспечивает постоянное расширение модельного ряда, предлагаемого на страницах нашего содержательного каталога. Мы гарантируем оперативную обработку заявок, помогая в решении спорных вопросов. Быстро доставим заказ по указанному адресу, благодаря сотрудничеству с национальными транспортными компаниями.

Нужна дополнительная информация? На главной странице указаны действующие контакты операторов. Здесь же есть актуальный график работы.

Почему гудит трансформатор

Почему гудит трансформатор? Вы когда-нибудь думали об этом? Кто-то может предположить что это от того, что плохо закреплены между собой витки или происходит колебания обмоток, ударяясь о железо. Возможно площадь сердечника оказалась недостаточной по расчетам или слишком большое напряжение на виток получилось при намотке? А будет ли соответствовать подаваемая частота имеющимуся материалу сердечника? Давайте разберемся в этом вопросе.

Пpи paбoтe тpaнcфopмaтopa пoявляeтcя хapaктepный звyк гyдeния. Этo нopмaльнoe явлeниe, oбъяcняющeecя пoявлeниeм мaгнитocтpикции.

Что такое трансформатор и пoнятиe мaгнитocтpикции

Чтoбы paзoбpaтьcя, пoчeмy cильнo гyдит ycилитeль, блoки питaния paзличных бытoвых пpибopoв или иныe тpaнcфopмaтopы, cлeдyeт paccмoтpeть aзы paбoты этoй тeхники.

Tpaнcфopмaтopoм нaзывaeтcя aгpeгaт, кoтopый пpизвaн пpeoбpaзoвывaть элeктpичecкий тoк в cooтвeтcтвии c тpeбoвaниями пoтpeбитeля. Пpибop cocтoит в caмoм пpocтoм видe из тaких чacтeй:

Магнитострикцией же называется явление изменения размеров и формы ферромагнитного тела под действием переменного магнитного поля.

Кроме магнитострикции причинами шума могут быть работающие масляные насосы и вентиляторы систем охлаждения мощных трансформаторов. Электродинамические усилия в обмотках и электромеханические устройства, регулирующие напряжение под нагрузкой, также создают шум.

Уpoвeнь шума

Гyдящий звyк пoявляeтcя пpи oпpeдeлeнных ycлoвиях paбoты aгpeгaтa. Oн зaвиcит oт нeкoтopых пapaмeтpoв oбopyдoвaния. В тeчeниe oднoгo циклa paбoты мaгнитoпpивoд pacтягивaeтcя и cжимaeтcя двa paзa. Ecли чacтoтa ceти cooтвeтcтвyeт cтaндapтнoмy знaчeнию для пepeмeннoгo тoкa (50 Гц), пoявитcя звyкoвaя вoлнa. Ee чacтoтa cocтaвит 100 Гц. Чeлoвeк пpи этoм ycлышит звyк гyдeния. Oн oтличaeтcя cвoeй интeнcивнocтью.

Уровень шума зависит от следующих факторов:

Учитывая перечисленные факторы можно констатировать, что для устройств, работающих в бытовых приборах, повышенный уровень шума, скорее исключение, чем правило. Это указывает на нештатную работу трансформатора, следовательно необходимо найти и устранить неисправность.

Почему трансформатор гудит при работе?

С детства каждому известно: гул, доносящийся из трансформаторной будки – это нормально, это часть работы установленного там оборудования. Тем не менее, немногие задумывались, почему же именно так происходит, что обуславливает шумы и насколько это безопасно. Именно в этих вопросах мы сегодня и будем разбираться.

Часто можно услышать упрощённое объяснение, что звуки, исходящие от будки или подстанции, обусловлены вибрацией установки. Однако, должна же быть и причина у такой вибрации. Чуть более осведомлённые люди уже обычно описывают происходящие внутри трансформатора процессы как разбалтывание витков или обмоток, которые стучат о металлическую рамку, однако снова встаёт вопрос, отчего же в условно монолитном устройстве начинается движение части элементов. Может ли случиться так, что намотка «болтается» между рамкой, сердечником и наружной рамкой? Влияет ли частота тока на частоту колебаний внутренних узлов? Давайте разбираться.

Научное объяснение

Правильное название явления, которое обуславливает шумы и вибрацию при работе трансформатора – магнитострикция. Этим словом обозначают изменение формы и размера ферромагнита, возникающее под воздействием переменного поля. В принципе, те же процессы происходят и в привычных нам проводах и кабелях, только их строение обычно не позволяет достичь уровня слышимого звука. А вот при значительном повышении напряжения – до тех величин, при которых работают высоковольтные ЛЭП, услышать шумы всё же возможно даже без применения специального оборудования.

Если попытаться объяснить рассматриваемый процесс по-простому, то можно сказать, что настоящий источник шума – это точечная, фрагментарная деформация сердечника. Однако, рассмотрим всё по порядку. Для начала необходимо правильно себе представить, что такое трансформатор: обычно это две катушки с намотанной на них проволокой, которые окружены металлическим сердечником. При этом важно понять, что этот самый сердечник представляет собой не монолитное изделие из металла, а составлен из множества тонких пластинок, соединённых воедино. При работе на трансформатор поступает переменный ток, который попадает на первичную обмотку и генерирует в ней электромагнитное поле. Через сердечник оно передаётся и вторичной обмотке, а на ней, в свою очередь, возникает ток с отличающимся вольтажом. Выходная величина напряжения будет зависеть от количества витков в обеих обмотках, потому между уровнем вольтажа и размерами катушек есть прямая связь.

Из-за того, что общий сердечник системы – это не цельный объект, в нём имеется множество микроскопических зон, о которых наука знает лишь, что в неработающем состоянии магнитное поле там не упорядочено. Когда же на первичную катушку подаётся ток, структура поля упорядочивается, и это заставляет сам материал сердечника немного деформироваться – в отдельных зонах сжиматься, в других – разжиматься. Именно этот процесс и называется магнитострикцией, а вибрации и шум, который они провоцируют, являются лишь следствием комплекса происходящих процессов.

Частота гула довольно низкая, что и позволяет человеческому уху его улавливать. Будь она выше, мы бы, скорее всего, ничего даже не слышали. Поскольку речь идёт о переменном токе, магнитное поле успевает дважды за фазу сменить своё направление, «раскачивая» все микрообласти металла сердечника. Как мы знаем, в Украине бытовая электрическая сеть на 220 В работает при частоте 50 Гц, и это означает, что трансформаторные обмотки колеблются вдвое чаще – с частотой 100 Гц. А вот в США, где общие сети выдают 110 В при 60 Гц, и трансформаторы звучат выше – при 120 Гц.

Исследование явления изменения формы и размеров ферромагнитных тел проводились ещё в ХІХ-том веке. Широко известный английский учёный-исследователь Джеймс Джоуль в 1842-ом году заметил, что при помещении тонкого железного объекта в магнитное поле металл удлиняется в одном направлении и сокращается в другом, сохраняя прежний объём. Естественно, что такая деформация сопровождается звуками – ведь каждому легко себе представить, что он услышит при попытке согнуть лист металла или даже обычной фольги. Ну а в условиях действия электромагнитного поля подобные процесс систематизируются и обретают стабильную частоту.

Наибольшее влияние на общий уровень шума оказывают габариты трансформаторов и величина нагрузки, под которой они постоянно работают. Вдобавок, немалое значение имеет и сталь, которая используется для формирования наборного сердечника. Обычно вся трансформаторная установка собирается довольно плотно, потому как таковой люфт деталей почти исключается, из-за чего устройство вибрирует почти как единое целое. Листы сердечника многократно искривляются-колеблются, это передаётся маслу и опорным частям конструкции, а оттуда – масляным бакам, кабелям и системам прокладки кабеля, защитным кожухам и стенам помещений. Исследования показали, что при работе установки для обеспечения домов током обычной частоты, длина волны в трансформаторном масле составляет около 12 м. При этом стенка бака с ним находится на чрезвычайно малом расстоянии от опорной части сердечника, а потому при нарастании слоя пыли на масле эти два элемента почти срастаются. Таким образом бак не просто принимает вибрации и резонирует вместе с ядром трансформатора, но даже воспроизводит звук и увеличивает его громкость.

Сегодня существует огромное количество исследований на тему того, как именно между собой коррелируют вибрация, шум и процессы внутри трансформатора. Известно, что электротехнические стали, в зависимости от метода прокатки, по-разному ведут себя в составе сердечников и провоцируют возникновение звуков с отличающимися тонами. Физические свойства этих металлов оказывают влияние на саму природу магнитострикции, притом совершенно естественная неидентичность листов, составляющих сердечник, вносит дополнительный вклад в то, как трансформатор будет звучать при работе. Сегодня известно, что и продольные, и поперечные колебания пластин формируют примерно одинаковый по интенсивности звук. Потому даже при попытке подавить вибрацию в одном направлении, в другом она останется в полной мере, а общее прогнозируемое снижение зашумлённости составит всего 3 дБ, что можно назвать почти несущественным.

Другие причины шума и гула

Разумеется, столь комплексные процессы, как описанные выше, имеют огромное количество нюансов и не все из них можно передать простыми словами людям без специальной подготовки. Тем не менее, любой человек в силах отметить, что трансформаторы звучат неодинаково, хотя сеть по всей стране одна. Почему же тональность всё-таки различается? На самом деле для этого есть сразу несколько причин.

1. Катушки плохо изолированы. Если изоляция обмоток окажется недостаточна или будет фрагментарно повреждена, между витками начнут проскакивать искры. Для человеческого уха это будет слышно как щелчок или потрескивание. С увеличением количества щелчков и их частоты изменится и общее восприятие трансформаторного гула. В сущности, та же самая причина вызывает гул высоковольтной ЛЭП при высокой влажности или после дождя. При критическом повреждении изоляции обмоток трансформатора шум меняется кардинально и щелчки уже почти начинают заглушать звук от вибрации стенок пластин сердечника. Данную ситуацию можно смело называть предаварийной.
2. Компоненты плохо закреплены. Зачастую в трансформаторах разбалтываются только те части, которые собираются на месте или крепятся мастерами непосредственно для коммутации. Это либо клеммы, либо зажимы проводов, которым вибрация просто передаётся при работе, из-за чего они начинают уже сами колебаться при отличающейся частоте. Кроме того, части кабелей, которые выходят из-под короба, защищающего трансформатор, и направляются к распределительным щитам, могут постукивать об обшивку, сопровождая мерный гул дополнительным и даже устрашающим грохотом.
3. Работа вспомогательного оборудования. На трансформаторных подстанциях установлены не только сами трансформаторы, но и ряд устройств, обеспечивающих жизнедеятельность этого объекта инфраструктуры. Потому в небольших зданиях из белого кирпича могут также шуметь вентиляционные установки, охлаждающие основное оборудование, или насосы, перекачивающие масло для самой работы трансформаторов.

Отметим, что уровень шума, который будет исходить от работающих трансформаторов, официально нормируется – по правилам он не должен превышать определённых величин. Лимиты задаются как по абсолютным значениям уровня шума, так и по ряду относительных – в зависимости от удалённости от жилой постройки или целого населённого пункта, от той мощности, на которую рассчитан трансформатор, от типа его конструкции и пр. На каждый случай имеется либо ГОСТ/ДСТУ, либо распространяется норма из СНиП, ГСН или ПУЭ. Для того, чтобы снизить эффекты шумового загрязнения, рядом с трансформаторами обычно монтируют особые экраны, обладающие звукопоглощающими свойствами, либо же вообще вносят некие изменения в конструкцию аппаратуры, организуя глушители.

Гудение автоматики в домашнем щитке

Нередко люди жалуются на то, что гул, похожий на трансформаторный, они слышат из бытового щитка. Защитная автоматика действительно может порой гудеть, потому что внутри неё содержатся блоки с принципом действия, напоминающим тот, что описан выше. Безусловно, в быту на первое место выходит не техническая сторона вопроса, а безопасность. Жильцы сильно беспокоятся: нормально ли, что при этом нет запаха гари, не станет ли шум причиной возгорания, опасен ли он, надо ли с ним бороться и, если да, то насколько срочно.

На все эти вопросы ответить относительно нетрудно. Если вспомнить, как устроен любой современный автоматический выключатель, то станет ясно, что искать причину можно только в одном узле. Разъясним: в данных устройствах сегодня имеется тепловой и электромагнитный расцепитель. Первый представляет собой пластину из биметалла, которая нагревается под воздействием тока и замыкает/размыкает цепь, а второй состоит из катушки с подвижным сердечником. В тепловом расцепителе попросту нет элементов, которые способны вибрировать мгновенно – только плавно изгибаться, и то при особых условиях. Зато в электромагнитном расцепителе есть и катушка (потенциальный источник гула и треска), и подпружиненный стержень, который предназначен для перемещения по каналу от края до края. Зачастую как раз люфт этого сердечника внутри своего канала и заставляет домашнюю автоматику гудеть. В устройстве много металла и подвижных компонентов, из-за чего дребезг усиливается даже при несущественной в абсолютном измерении вибрации.

При значительной мощностной нагрузке на сеть, а особенно – обеспечиваемой несколькими устройствами с разным принципом потребления энергии, токи могут поместить сердечник в такую область внутри катушки, где он будет постоянно издавать звук. При этом пружина, которая должна его стабилизировать, наоборот, послужит неким дополнительным резонатором. Одновременно подключив в розетки своей квартиры пылесос, утюг и болгарку, можно перевести сердечник в то самое неудачное положение, поскольку профиль тока, питающего каждое из этих устройств будет отличаться. «Сбросить настройки» можно просто отключив всю мощную технику и дав автоматике немного отдохнуть.

Ответ на вопрос о том, как себя следует вести при гудении автоматов, тоже довольно лёгок. Практически всегда небольшой шум – это нормально с точки зрения эксплуатации. Он не может привести к пожару или вывести из строя технику, не спровоцирует другие неполадки. Скорее всего, это просто недоработка проектировщиков такой автоматики – особенно, если она была дешёвой. Нужно ли менять такой модуль? Обязательного требования нет. Заменять его стоит только в том случае, если он действительно своим шумом выводит жильцов из психического равновесия. Если гудящий автомат не мешает, о нём можно забыть и относиться столь же равнодушно, как к стоящей во дворе трансформаторной подстанции.

Безопасное напряжение в быту