Для современного общества характерно потребление больших объемов электрической энергии, которая используется различным оконечными нагрузками. Связующее звено между генерирующими устройствами и потребителем выполняется в виде системы электроснабжения. Ключевыми компонентами таковой являются линии электропередач и трансформаторы, которые при работе издают характерный 100-герцовый звук.

Вообще говоря, рядом с линией электропередачи с рабочим напряжением порядка 10 кВ и выше кроме гудения проводов иногда слышится характерное шелестящее потрескивание. Причина его возникновения проста: коронные разряды. Последние возникают преимущественно вблизи точек подвеса проводов на изоляторах, для области которых характерна сильная неоднородность электрического поля с явно выраженными локальными максимумами. Интенсивность «короны» не постоянна и сильно зависит от влажности воздуха.

Основная причина возникновения гудения проводов

Провод ЛЭП допустимо рассматривать как туго натянутую струну, в которой под действием ветровой нагрузки возникает стоячая волна, порождающая акустические эффекты. Однако, расчеты показывают, что резонансная частота подвешенного провода как механической системы отличается от 100 Гц более чем на порядок, т.е. издаваемый звук имеет явно иную природу. Кроме того, гудение имеет место даже в безветрие и, в отличие от коронного разряда, всегда происходит с одинаковой интенсивностью.

В результате в качестве приоритетной можно рассматривать только одну причину возникновения гудения: электрическое напряжение, причем исключительно высокое напряжение, порождающее довольно значительный электрический ток. Для обоснования справедливости этого утверждения вполне допустимо сослаться на следующие аргументы:

• при обесточивании ЛЭП гудение исчезает;
• у проводов внутридомовой проводки, работающие на напряжении 220 и 380 В и передающие ток не свыше единиц ампер, акустические эффекты отсутствуют;
• частота гудения соответствует второй гармонике 50-герцового сетевого напряжения

Заметим, что в США, где используется частота 60 Гц, провода гудят на частоте 120 Гц, что дополнительно подтверждает «сетевую» гипотезу возникновения рассматриваемого явления.

Соответственно, потенциально возможно несколько механизмов появления гудения.

Взаимодействие с магнитным полем Земли

При протекании тока по фазным проводам ЛЭП возникает переменное магнитное поле, которое взаимодействует с естественным магнитным полем Земли, в результате чего возникают соответствующие боковые механические перемещения. С учетом передачи по ЛЭП больших объемов энергии и расстояний между опорами усилия, действующие на фазные тросы, достигают значительной величины и потенциально способны создавать колебания большой амплитуды.

Тем не менее, этот эффект не может считаться причиной гудения. Это определяется следующими двумя соображениями

• порождающее механическое воздействие данной природы имеет частоту 50 Гц, которая не соответствует 100 Гц слышимого звука;

• резонансная частота проводов ЛЭП как механической системы очень далека от 100 Гц и, соответственно, с учетом большого натяжения провода, что видно по малой величине провиса, 50-герцовые колебания будут иметь очень малую амплитуду и не в состоянии создать существенный акустический шум.

Взаимодействие проводов между собой

ЛЭП обеспечивают передачу трехфазного напряжения. Это приводит к тому, что токи в проводах разных фаз всегда сдвинуты на 120 градусов, в результате чего между ними возникаем амперово механическое взаимодействие с частотой 100 Гц. При этом, однако, расстояние между фазными проводами в высоковольтных ЛЭП исчисляется метрами, что позволяет

• исключить междуфазный пробой даже в самых неблагоприятных погодных условиях без применения дополнительных изолирующих покрытий;
• эффективно подавить т.н. эффект близости, сопровождающийся перераспределением тока по сечению проводника и ростом его активного сопротивления с пропорциональным ростом джоулевых (тепловых) потерь.

С учетом этой особенности величина действующих них механических усилий данной природы оказывается пренебрежимо малой и значимых акустических эффектов не возникает.

Колебания самой структуры фазного троса

Для придания фазному проводу необходимой гибкости и прочности он формируется как 7-проволочная структура с центральной стальной проволокой и шестью окружающими ее алюминиевыми жилами, скрученными в виде троса.

Алюминий на открытом воздухе очень быстро покрывается пленкой окисла с плохой проводимостью. В результате этого ток, протекающий по отдельным жилам этой структуры, оказывается различным, что, в свою очередь, приводит к появлению переменных магнитных сил, действующих на центральную силовую стальную проволоку. Частота этого воздействия составляет 100 Гц.

Механизм взаимодействия отдельных проволок между собой практически идентичен ситуации взаимодействия отдельных фазных проводов, что приводит к совпадению частоты их колебаний. Однако, в отличие от отдельных фазных проводов как некой единой структуры

• ток по каждой проволоке оказывается в 6 раз меньше,
• расстояние между проволоками уменьшается более чем на три порядка;
• амперовы силы дополнительно усиливаются высокой магнитной проницаемостью стальной жилы.

В результате амплитуда колебаний фазного провода, вызываемых данным механизмом, оказывается довольно значительной и внешне проявляется как гудение.

Укажем на то, что кроме 100-герцовой основной частоты в спектре колебаний, строго говоря, присутствуют также ее высшие гармоники. Тем не менее, с учетом высокой добротности фазного провода как механической структуры они достаточно быстро затухают и не будет большой ошибкой рассматривать гудение как 100-герцовое гармоническое колебание.

Почему гудение усиливается зимой

В зимнее время года наблюдается усиление гудения. Данный эффект объективен, а в его основе лежит комплекс причин.

1. Во-первых, при понижении температуры за счет наличия коэффициента линейного расширения провод сжимается и сильнее натягивается между опорами. Добротность подобной механической системы возрастает, что сопровождается усилением звука.
2. Во-вторых, увеличение плотности холодного воздуха увеличивает его акустическую проводимость.
3. В-третьих, в зимнее время года за счет естественного «засыпания» природы в окружающей среде становится заметно тише и звук гудящих проводов субъективно воспринимается как более громкий.