Шум трансформаторов

Шум трансформаторов обусловлен главным образом явлением магнитострикции*. К другим источникам шума, характерным для больших трансформаторов с форсированными системами охлаждения, относятся вентиляторы и масляные насосы. Кроме того, шум создается электродинамическими усилиями в обмотках и электромеханическими устройствами регулирования напряжения под нагрузкой. Уровень шума трансформаторов в большей мере определяется величиной электромагнитных нагрузок и габаритными размерами.

Главная причина шума заключается в вибрации сердечника, которая возникает вследствие магнитострикции, зависящей как от индукции, так и от физических и структурных параметров электротехнической стали. Вибрация передается баку через масло и непосредственно через опоры магнитопровода. Так как расстояние от магнитопровода до стенки бака мало по сравнению с длиной волны (в масле длина волны для частоты 100 Гц составляет около 12 м), то можно считать, что каждая часть бака воспроизводит вибрации самой близкой части магнитопровода.

В ряде случаев преобладающими могут становиться другие источники шума. В целом, можно сказать, что у трансформаторов преобладает магнитный шум.

Магнитный шум. Сердечники трансформаторов под действием магнитострикции деформируются. Если бы удлинения листов сердечника были прямо пропорциональны квадрату индукции, то колебания вследствие магнитострикции содержали бы только одну частоту, равную удвоенной частоте сети. Но на самом деле эта зависимость отличается от указанной, поэтому механические колебания, а соответственно, и произведенный шум, содержат высшие гармоники.

Для определения относительного количественного удлинения вследствие магнитострикции в настоящее время имеются достаточные данные как для горячекатаной, так и для холоднокатаной стали. В горячекатаной листовой стати повышением содержания кремния можно почти полностью исключить явление магнитострикции. Например, в стали, содержащей 6% кремния, магнитострикция почти не наблюдается. Однако такую сталь практически невозможно использовать для трансформаторов из-за плохих механических свойств.

Относительное удлинение холоднокатаной трансформаторной стали меньше, чем горячекатаной, при одинаковой индукции. Однако поскольку индукция в трансформаторах с сердечниками из холоднокатаной стала больше, чем в случае применения горячекатаной стали, то удлинения сердечников представляют близкие значения. Эксперимент показал, что уровень шума холоднокатаной стали при индукции равной, 1,55 Тл, такой же, как и у горячекатаной при индукции, равной 1,35 Тл, При возрастании индукции в трансформаторе с сердечником из холоднокатаной стали с 1,55 до 1,65 Тл уровень шума трансформатора возрастет примерно на 8 дБ.

Магнитопроводы трансформаторов могут попасть в резонанс как с колебаниями, вызванными магнитострикцией, так и с различными гармониками сил, возникающих в сердечнике. Когда магнитопровод или другие детали трансформатора попадают в резонанс с указанными гармониками, то в спектре шума трансформатора появляются преобладающие уровни в более широком диапазоне, который охватывает резонансные частоты, кратные удвоенной частоте питания.

Исследования показали, что гармоники колебаний магнитопровода трансформатора в наибольшей степени проявляются при больших значениях индукции, когда проходят нелинейный участок кривой намагничивания и когда колебания вследствие магнитострикции содержат много гармоник.

В трансформаторах важная составляющая шума генерируется поперечными вибрациями листов магнитопровода. Вибрации являются следствием различия в длине и толщине листов, составляющих сердечник, и различия значений коэффициента удлинения листов пакета, что ведет к изменению зазора сочленений в функции мгновенных значений индукции. Эти отклонения вызывают перераспределение во времени магнитных потоков от одного листа к другому и, следовательно, к поперечным вибрациям листов. Поток изменяется во времени и, следовательно, изменяется степень насыщения сердечника. Указанные причины одновременно вызывают искажение кривой намагничивания и, следовательно, увеличение содержания высших гармоник и шума, вызванного магнитострикцией.

Необходимо отметить, что длина магнитопровода изменяется не только из-за магнитострикции, но также из-за действия магнитных сил, возникающих при переходе магнитного потока от одного листа к другому (соседнему). Это явление возникает, когда параллельные листы имеют различную магнитную проницаемость.

Опыт показывает, что продольные и поперечные вибрации листов стати магнитопровода являются источниками шума примерно одинаковой мощности. По этой причине даже при полном подавлении одного из источников уровень шума трансформатора не уменьшится более чем на 3 дБ.

Шум, вызванный магнитными силами, как правило, имеет важное значение только в реакторах (дросселях), имеющих конструктивные воздушные зазоры. В этом случае между двумя частями, ограничивающими зазор, возникают переменные силы магнитного притяжения с удвоенной частотой намагничивания.

Шум, вызванный электродинамическими усилиями в обмотках трансформатора, работающего под нагрузкой, обычно невелик благодаря отсутствию люфтов в осевом направлении, так как прессовка обмоток считается упругой. По этой причине уровень шума практически не зависит от нагрузки. Это обстоятельство лает возможность нормировать уровень шума при работе трансформатора в режиме холостого хода. Однако характер и величина нагрузки трансформатора влияют на индукцию в стали и, следовательно, на уровень магнитного шума.

* Магнитострикция — явление изменения формы и размеров ферромагнит­ного тела, помешенного в переменное магнитное поле.