МУЗЫКА  ТРАНСФОРМАТОРОВ

Лесков  Иван  Алексеевич

Троценко  Владислав  Михайлович

Беспалов  Никита  Валерьевич

студенты  3  курса,  энергетического  факультета,  Омского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Омск

E-mail :  leskov.ivan@mail.ru

Калимуллин  Алик  Талгатович

научный  руководитель,  ассистент,  каф.  ЭсПП,  Омский  государственный  технический  университет,  РФ,  г.  Омск

E-mail :  kat-190391@mail.ru

Какие  ассоциации  вызывает  звук  работающего  трансформатора  у  вас?  Монотонный  раздражающий  гул  —  ответите  вы  и  будете  правы,  но  лишь  отчасти,  поскольку  таковым  он  является  только  для  невооруженного  слуха.  Специалисту  же  этот  пятидесяти  герцевый  звук  способен  рассказать  о  многом.  Чувствительный  прибор  без  труда  фиксирует  постоянные  колебания  проходящей  частоты  тока  в  розетке.  В  России  по  ГОСТу  допускаются  частотные  колебания  в  сети  в  диапазоне  0,1—0,2  Гц.

Рисунок  1.  Карта  сетевого  напряжения  и  частоты  тока  в  мире

Все  компоненты  современных  энергетических  систем  работают  синхронно.  Словно  хор,  все  трансформаторы  одновременно  звучат  на  одной  ноте. 

Вы  считаете,  что  электричество  -  это  скучно?  Напрасно.

Знаете  ли  вы? 

·     что  в  энергетических  сетях  нашей  страны  протекает  3-фазный  ток.  Мы  привыкли  видеть  в  наших  домах  розетки  с  двумя  разъемами,  так  как  для  работы  бытовых  электроприборов  вполне  достаточно  1  фазы.  В  то  же  время  на  промышленные  объекты  подаются  все  три  фазы,  угол  между  ними  составляет  120  градусов.

·     у  синхронного  генератора,  статор  состоит  из  трех  обмоток,  расположенных  под  углом  120  градусов  относительно  друг  друга,  причем  на  каждую  обмотку  подается  переменный  ток.  Обмотки  статора  вращаются,  тем  самым  создавая  электромагнитное  поле,  с  промышленной  частотой  50  Гц.

Рисунок  2.Синхронная  машина  в  разрезе

·     ротор  —  это  обмотка,  концы  которой  замкнуты  накоротко.  При  холостом  ходе  ротор  вращается  со  скоростью  равной  скорости  магнитного  поля.  Если  не  учитывать  силы  сопротивления,  то  в  данном  режиме  двигатель  не  потребляет  энергию  и  больше  напоминает  трансформатор,  т.  е.  отсутствует  электродвижущая  сила  (ЭДС). 

·     ротор  может  быть,  как  потребителем,  так  и  генератором  энергии:  если  скорость  ротора  меньше  скорости  вращающегося  поля,  то  в  нем  возникнет  ЭДС,  величина  которой  будет  тем  больше,  чем  больше  угол  отклонения,  машина  станет  потребителем,  то  есть  становится  двигателем,  если  же  ротор  движется  быстрее  вращающегося  поля,  возникнет  ЭДС  самоиндукции,  препятствующая  вращению,  машина  в  данном  режиме  делится  энергией  и  становится  генератором.  То  есть  ход  синхронной  машины  всегда  стремится  к  соответствию  с  частотой  тока  в  сети,  и  чем  больше  отклонение,  тем  сильнее  это  стремление.

Электрические  провода  окружают  нас  повсеместно.  Проходя  по  ним,  электрический  ток  образует  магнитное  поле  или  электромагнитные  наводки.  Иными  словами,  высоковольтные  линии,  дроссели,  крупные  электродвигатели  и  электроприборы  выполняют  роль  антенн  и  как  бы  транслируют  в  эфир  свою  ‹‹песню››. 

Аналоговые  аудиоприборы,  а  точнее  их  электрические  компоненты,  также  принимают  эти  наводки.  Природа  этого  шума  объясняется  работой  электрических  сетей.  Любая  цифровая  запись,  сделанная  вблизи  передающих  линий  (ЛЭП,  провода,  розетки)  оставит  в  себе  след  этого  шума  в  аудиозаписи.  Однако,  его  частота  не  всегда  равна  точно  50  герцам,  на  протяжении  времени  частота  незначительно  отклоняется  на  величины  порядка  нескольких  тысячных  герца.  Это  вызвано  тем,  что  режим  работы  электросети  определяет  прежде  всего  потребитель,  а  предсказать  действия  миллионов  людей  невозможно  [2].

В  цепях  переменного  тока  происходят  синусоидальные  колебания,  в  каждый  отдельный  момент  времени  значение  величины  напряжения  меняются.  Ток  в  цепи  тоже  изменяется  по  синусоидальному  закону.  На  практике  часто  применяют  понятие  ‹‹мгновенного  значения››  напряжения  и  тока.  Рассчитать  величину  напряжения  или  тока  можно  по  формуле:

  ,  (1)

где:    —  амплитуда  напряжения,  В.

Но  гораздо  чаще  применяется  ‹‹эффективное››  значение  напряжения  или  тока.  Так  как  действующее  напряжение  или  ток  равно  0,707  соответственно.  Расчетные  соотношения  выглядят  следующим  образом:

  ;  (2)

  .  (3)

Рисунок  3.График  синусоидальных  колебаний  переменного  тока

Наводки  можно  обнаружить  практически  на  любой  записи,  которая  была  сделана  на  аналоговом  оборудовании,  например,  с  помощью  кассетного  диктофона.  Зафиксировать  их  позволяет  цифровой  диктофон,  микрофон  которого  преобразует  звук  в  аналоговый  электрический  сигнал  после  чего  оцифровывает  его.

Чтобы  понимать  суть  процесса,  нужно  знать,  что  наводки  —  это  не  звук,  а  электромагнитные  волны,  диапазон  этих  волн  можно  рассмотреть  в  таблице  1  [3].  Также  важно  учитывать,  что  они  взаимодействуют  с  полезным  сигналом,  образуя  гармоники  кратные  50  Гц,  что  позволяет  отыскать  их  даже  в  диапазоне  человеческого  голоса.  То  есть,  диктофону  не  обязательно  иметь  показатели,  дающие  возможность  ему  записывать  пятидесяти  герцевый  сигнал,  чтобы  зафиксировать  значение  частоты  в  сети.

Таблица  1.

Диапазон  электромагнитных  волн

Наводки  и  их  гармоники  значительно  слабее  полезного  сигнала.  Однако  экспертам  не  составляет  труда  оцифровать  все,  даже  самые  слабые  компоненты  входного  сигнала  и  подвергнуть  их  компьютерному  анализу.

Современные  технологии  позволяют  не  только  услышать  наводки,  но  и  как  бы  увидеть  их  на  видеозаписи.  Находящиеся  в  кадре  люминесцентные  лампы  мерцают  с  частотой,  соответствующей  частоте  тока  в  сети.  Изменения  яркости  кадра,  незаметны  человеческому  глазу,  но  поддаются  компьютерному  анализу. 

Существованием  теории  о  том,  что  колебания  частоты  тока  в  сети  в  определенный  момент  времени  уникальны  как  отпечаток  пальца  человека,  мы  обязаны  румынскому  специалисту  Каталину  Григорашу.  Данное  предположение  сделано  им  около  10  лет  назад  и  вполне  обоснованно,  ведь  частота  в  единой  энергетической  сети  зависит  от  нагрузки,  а  именно  от  действий  огромного  количества  потребителей  энергии,  которые  нельзя  предугадать.  Общеизвестно,  что  частота  падает,  если  нагрузка  растет  и  наоборот  (естественно  колебания  в  тысячные  доли  герца).

Не  стоит  понимать  это  буквально:  конечно,  включения  одной  электрической  лампочки  не  отразится  на  частоте  тока.  Но  если  в  каком-нибудь  городе  вечером  на  многотысячном  стадионе  будет  проходить  шоу,  неподалеку  откроется  крупное  предприятие,  а  все  телевизоры  транслируют  Чемпионат  мира  по  футболу,  то  мы  сможем  зафиксировать  эти  колебания.  Чем  сложнее  структура  сети,  чем  больше  населенных  пунктов,  электростанций  и  крупных  предприятий  объединяет  она  в  себе,  тем  более  яркий  след  она  оставляет.

Впервые  метод  определения  даты  и  времени  фонограммы  по  анализу  наводок  был  применен  в  судебной  практике  в  Англии,  что  закономерно.  Ведь  в  Великобритании  на  всей  её  территории  действует  единая  национальная  энергетическая  сеть.  То  есть  для  анализа  записей  из  любого  уголка  страны  можно  использовать  единую  базу  данных  частоты  тока  в  сети.

Для  обеспечения  потребности  сети  требуется  работа  целого  ряда  различных  электростанций,  отличающихся  по  типу,  размеру  и  мощности,  и,  не  смотря  на  это  в  электрических  сетях  любого  прибора  в  стране  колебания  бьются  одинаково.  И  это  —  заслуга  Николы  Теслы  и  Михаила  Доливо-Добровольского,  создателей  трехфазного  синхронного  электродвигателя  или  генератора.  Главное  свойство  синхронной  машины  —  стремление  к  соответствию  частоты  вращения  вала  частоте  тока  в  сети.

Если  частота  синхронного  генератора  электростанции  отстает  от  сети,  образуется  крутящий  момент,  который  заставляет  машину  ускориться.  Генератор  в  данном  случае  становится  электродвигателем.  При  этом,  чем  сильнее  его  отставание,  тем  больший  момент  развивается.  Напротив,  при  опережении  частоты  сети  в  генераторе,  возникает  тормозной  момент,  машина  при  этом  отдает  энергию  в  сеть.  Этот  очень  сильный  эффект  называется  синхронизмом  или  самосинхронизацией.

Нельзя  переоценить  важность  синхронной  работы  генераторов  для  стабильности  сети.  Даже  небольшая  рассинхронизация  за  счет  того  самого  реактивного  момента  повышает  износ  и  даже  может  привести  к  гибели  силовых  машин.  Значительная  рассинхронизация  может  иметь  куда  более  опасные  последствия  –  скачки  напряжения  в  сети,  чреватые  выходом  из  строя  не  бытовых  электроприборов,  но  даже  целых  электростанций.  Наглядное  тому  подтвеждение  —  каскадная  авария  энергосистемы,  произшедшая  в  Москве  в  2005  году,  когда  отказ  одной  крупной  электростанции  и  следующее  за  ним  падение  напряжения  привели  к  последовательному  вынужденному  выходу  из  строя  других  станций  и,  как  следствие,  вся  система  сломалась.

Энергетическая  сеть  нашей  страны  масштабна.  Она  покрывает  восемь  часовых  поясов  и  включает  в  себя  69  объединенных  между  собой  региональных  энергосистем,  работающих  в  синхронном  режиме.  Значительный  масштаб  сети  имеет  свои  особенности.  Для  функционирования  такой  обширной  сети  необходимы  протяженные  и  дорогостоящие  высоковольтные  линии.  Вместе  с  тем,  имеются  и  безусловные  преимущества:  к  примеру,  возможность  перенаправлять  энергию  в  места  её  дефицита,  вести  и  хранить  базу  данных  частот  по  регионам  и  конечно  же  строить  более  крупные  и  эффективные  электростанции.

Безусловно,  Россия  превышает  размерами  Англию.  И,  например,  изучив  запись  телефонного  разговора  между  Калининградом  и  Владивостоком,  можно  обнаружить  сразу  несколько  наводок  с  различными  частотами.  Именно  благодаря  этой  разнице  в  частотах  существует  возможность  перенаправлять  мощность  между  регионами.  Каждая  из  69  региональных  энергосистем  синхронна  и  стабильна,  что  позволяет  этому  методу  надежно  работать  в  каждой  из  них.

Такая  перспективная  для  криминалистики  технология  имеет  русские  корни.  Еще  с  начала  девяностых  метод  анализа  электромагнитных  наводок  применялся  компанией  «Центр  речевых  технологий»  для  определения  подлинности  фонограмм.  Сигнал  с  вышеуказанными  допущениями  —  это  синусоида,  и  в  случае  монтажа  записи  возможно  зафиксировать  разрыв  синусоиды  в  месте  склейки.  Если  же  разные  фрагменты  записи  сделаны  в  различных  условиях,  то  изменение  можно  заметить  изменения  по  всем  показателям:  фазе,  амплитуде  и  частоте.

Однако  время  не  стоит  на  месте  и  накладывает  все  больше  ограничений  на  данный  метод  экспертизы.  Например,  данным  способом  нельзя  проанализировать  разговор,  записанный  по  мобильному  телефону.  Дело  в  том,  что  стандарт  GSM  устанавливает  очень  плотное  сжатие  звукового  сигнала,  сохраняющее  лишь  приблизительную  информацию  о  тембральной  структуре  голоса,  к  тому  же  полностью  уничтожаются  слабые  гармоники. 

В  случае,  когда  разговор  записывается  с  помощью  встроенного  диктофона  телефона,  исключается  прохождение  сигнала  через  аналоговые  цепи.  Соответственно  сигнал  не  включает  в  себя  электромагнитные  наводки.

Нельзя  также  не  принимать  во  внимание,  что  алгоритмы  сжатия  постоянно  совершенствуются  и  более  качественно  различают  и  сохраняют  полезный  сигнал  от  посторонних  шумов,  подлежащих  удалению.  Формат  МP3  обладает  переменным  разрешением  и  уже  не  дает  возможности  полностью  воспроизвести  картину  колебаний  частоты  в  сети.

На  помощь  следственным  органам  приходят  диктофоны  со  специальными  функциями:  «водяных  знаков»  и  цифровой  подписи.  При  записи  в  фонограмму  умышленно  вставляется  специальный  кодирующий  сигнал,  неразличимый  на  слух,  который  позволяет  с  высочайшей  точностью  установить  точное  время  записи,  а  также  отсутствие  монтажа  [1].

Список  литературы:

1.О  чем  гудит  трансформатор.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.popmech.ru/technologies/14203-o-chem-gudit-transformator/#main  (дата  обращения:  10.09.2014).

2.Частотный  анализ  наводок  электрической  сети  в  криминалистике.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.nanonewsnet.ru/news/2012/chastotnyi-analiz-navodok-elektricheskoi-seti-v-kriminalistike  (дата  обращения:  10.09.2014).

3.Шкала  электромагнитных  волн.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://koi.tspu.ru/waves/ch5_4.htm  (дата  обращения:  10.09.2014).