Dlaczego stacja transformatorowa buczy

Na Radziwiu, niedaleko mojego domu, stoi mała murowana stacja transformatorowa. Mijam ją codziennie w drodze do garażu sąsiada, od którego czasem pożyczam ściągacz. Latem wieczorem, gdy na ulicy cichnie ruch, słychać z niej równe, niskie buczenie. Sąsiadka z naprzeciwka jest przekonana, że „to prąd tak brzęczy w kablach”. Prąd w kablach nie brzęczy. Brzęczy żelazo.

Uczniom powtarzam, że do takiej stacji nie wchodzi się nigdy, nawet przez otwarte drzwi, nawet żeby komuś pomóc. Sam mam uprawnienia do eksploatacji urządzeń elektrycznych, a tej stacji też nie otwieram, bo nie jest moja i nie mam do niej upoważnienia. Rozbieramy ją tylko na papierze.

Z czego się składa

1. Kable średniego napięcia - przychodzą z sieci miejskiej, zwykle z napięciem 15 albo 20 tysięcy woltów.
2. Rozdzielnica średniego napięcia - kilka pól z rozłącznikami i zabezpieczeniami, przez które można odłączyć transformator albo przełączyć zasilanie.
3. Transformator - stalowa kadź z żebrami, w środku rdzeń z blach i uzwojenia zanurzone w oleju.
4. Rozdzielnica niskiego napięcia - szafa z bezpiecznikami, z której wychodzą kable do budynków.
5. Uziemienie - sieć stalowych płaskowników w ziemi, połączona z obudową i punktem neutralnym.
6. Budynek albo obudowa - murowana, betonowa lub stalowa, z wentylacją i zamkiem.

Dwa uzwojenia na jednym rdzeniu

Transformator działa tylko na prąd przemienny. Na wspólnym rdzeniu z cienkich blach stalowych nawinięte są dwa uzwojenia. Prąd płynący przez pierwsze, podłączone do średniego napięcia, wytwarza w rdzeniu zmienne pole magnetyczne. Pole przechodzi przez rdzeń i obejmuje drugie uzwojenie, w którym indukuje się napięcie. Jak duże, zależy od stosunku liczby zwojów. Jeśli drugie uzwojenie ma kilkadziesiąt razy mniej zwojów niż pierwsze, napięcie jest kilkadziesiąt razy niższe.

Z 15 tysięcy woltów robi się 400 woltów między fazami i 230 woltów między fazą a przewodem neutralnym. Te 230 woltów masz w gniazdku. Osiedlowa stacja ma zwykle moc rzędu kilkuset kilowoltoamperów i zasila od kilku do kilkudziesięciu budynków, zależnie od tego, ile prądu biorą.

Rdzeń składa się z cienkich, odizolowanych od siebie blach zamiast z litego żelaza. Zmienne pole indukuje w metalu prądy wirowe, które go grzeją, a cienkie blachy te prądy rozdzielają i ograniczają. Tak samo zbudowany jest rdzeń w każdym silniku elektrycznym i w każdym zasilaczu z transformatorem.

Rdzeń drga sto razy na sekundę

Wróćmy do buczenia. Stal transformatorowa w polu magnetycznym minimalnie zmienia wymiary. Nazywa się to magnetostrykcją. Rdzeń wydłuża się i skraca o ułamki mikrometra, i to przy każdym szczycie pola. A pole osiąga szczyt dwa razy w każdym okresie prądu, raz w jedną, raz w drugą stronę. W sieci o częstotliwości 50 herców daje to 100 drgań na sekundę. Pomiary drgań transformatorów potwierdzają, że składowa 100 Hz jest w ich hałasie najsilniejsza.

Do tego dochodzą drgania uzwojeń od sił elektromagnetycznych, które rosną razem z obciążeniem, i szum wentylatorów, jeśli transformator je ma. Wieczorem stacja nie buczy głośniej, po prostu na ulicy jest ciszej. Co innego nagła zmiana dźwięku, trzaski, syczenie albo zapach spalenizny. Wtedy trzeba zadzwonić na pogotowie energetyczne.

Olej chłodzi i izoluje

W stalowej kadzi rdzeń i uzwojenia są zanurzone w oleju transformatorowym. Olej robi dwie rzeczy naraz: izoluje części pod napięciem lepiej niż powietrze i odbiera ciepło z uzwojeń. Nagrzany unosi się, oddaje ciepło przez żebra kadzi do powietrza i opada, więc krąży bez pompy. Te żebra to charakterystyczne „kaloryfery” po bokach transformatora.

Małe transformatory rozdzielcze są dziś często hermetyczne, zamknięte szczelnie na całe życie, bez konserwatora oleju na górze. Starsze mają zbiornik wyrównawczy i odwilżacz z żelem, który zmienia kolor, gdy nasiąknie wilgocią. W zakładzie mieliśmy kilka transformatorów i ten żel był jednym z punktów obchodu: kolorowy w porządku, przebarwiony do wymiany.

Co się psuje? Najczęściej to, co jest wokół transformatora. Kable uszkodzone przy wykopach, zabezpieczenia po zwarciach w budynkach, zawilgocone złącza, gryzonie w rozdzielnicy. Sam transformator może pracować bardzo długo, kilkadziesiąt lat, jeśli nie jest przeciążany i ma czysty olej.

Dlaczego sąsiedni blok ma prąd, a ty nie

Z rozdzielnicy niskiego napięcia wychodzi kilka, czasem kilkanaście kabli, każdy do innego budynku albo grupy budynków. Każdy odpływ ma swoje bezpieczniki. Kiedy w jednym bloku zdarzy się poważne zwarcie albo koparka przetnie kabel, przepalają się bezpieczniki tylko tego odpływu, a reszta osiedla nawet tego nie zauważy. Stąd dobrze znana sytuacja: u ciebie ciemno, a u sąsiadów za oknem świeci się telewizor. Ekipa pogotowia jedzie wtedy do stacji, sprawdza, który odpływ wypadł, szuka przyczyny i dopiero potem wymienia wkładki.

Kiedy gaśnie całe osiedle naraz, przyczyna leży zwykle wyżej, po stronie średniego napięcia. Sieć średniego napięcia w miastach często buduje się w pętle, które w normalnej pracy są rozcięte w jednym punkcie. Po awarii można przełączyć zasilanie tak, żeby stacja dostała prąd z drugiej strony. Dlatego czasem prąd wraca po kilkudziesięciu minutach, chociaż uszkodzony kabel naprawia się jeszcze przez kilka dni.