Бесшумных трансформаторов не бывает

Опубликовано: 29 Ноябрь 2012

трансформаторы в работе

         Каков источник всего этого шума?

            Да, все мы знаем, что бесшумных трансформаторов не бывает. Создать бесшумный трансформатор фактически невозможно, но в мире, заботящимся об окружающей среде, и имеющим жесткие правила в связи с этим, основным вопросом является не уровень шума, а его природа – и это очень важно.
Трансформаторы издают низкочастотный тональный звук, который люди, живущие вблизи них, ощущают, как раздражающее "гудение", слышное даже на фоне другого шума.
Электроэнергетика обладает рядом решений, позволяющих ослабить гудение, исходящее от сердечника, и от обмоток катушки трансформатора, когда трансформатор находится под нагрузкой. Шум от сердечника создается магнитострикцией (изменением формы) пластин сердечника, когда магнитное поле проходит через них. Этот шум также известен, как холостой шум, так как он не зависит от нагрузки, подаваемой на трансформатор.
Магнитопровод трансформатора является основным и важным источником шума. Шум сердечника зависит от магнитных свойств материала, из которого он изготовлен (стальных пластин), и от плотности магнитного потока. Этот звук имеет низкую частоту (которая вдвое выше частоты подаваемой нагрузки). Магнитные силы, формируемые в сердечнике, вызывают вибрацию и шум. Шум нагрузки возникает только у трансформаторов, к которым подается нагрузка, и он добавляется к холостому шуму (шуму сердечника). Этот шум вызывается электромагнитными силами, связанными с рассеиванием магнитного поля. Источником данного шума являются стенки корпуса, магнитные экраны, и вибрация обмоток. Шумы, вызываемые сердечником и обмотками, находятся, в основном, в полосе частот 100-600 Hz. Частотный диапазон шума, вызванного вентиляторами охлаждения (аэродинамический/воздушный, двигательный/шум подшипников), как правило, имеет более широкий диапазон частот. Факторами, влияющими на общий шум вентиляторов, являются: скорость вращения, структура лопастей, количество вентиляторов, и расположение радиаторов.
Шум от насоса при работающих вентиляторах, не играет роли, и имеет низкую частоту.
            Магнитострикция имеет частоту вдвое выше частоты подаваемой нагрузки: при частоте 50 Hz, пластины сердечника вибрируют с частотой 100 раз в секунду. Более того, чем выше плотность магнитного потока, тем выше частота нечетных гармоник.
Когда резонансная частота сердечника или корпуса совпадает с частотой возбуждения, то уровень шума увеличивается еще больше.
Гудение также производится вибрацией, вызываемой током нагрузки, проходящим через витки обмотки, заставляющим их взаимодействовать с потоком рассеивания, который он генерирует. Уровень шума нагрузки определяется величиной тока нагрузки. Он существует всегда, но в последнее время ему начинает уделяться относительно больше внимания, поскольку появились эффективные средства снижения шума сердечника.
В ряде случаев, шум нагрузки является доминантным шумом, и в новых применениях трансформаторов ему уделяется все больше внимания.
Отметим, что в общем уровне шума участвует и шум широкого частотного диапазона, создаваемый охлаждающими вентиляторами. Но, поскольку вентиляторы охлаждения широко используются в промышленности, то решения по снижению их шума не являются специфическими для отрасли передачи и распределения электроэнергии, и поэтому не обсуждаются здесь.

         Виброакустические источники энергии в силовых трансформаторах

            Шум силового трансформатора, в основном, является узкополосным шумом низкой частоты, и спектр шума имеет тональные составляющие, кратные частоте силовой линии. Силовые трансформаторы имеют множество источников виброакустической энергии.

К наиболее важным источникам относятся:

            1. Вибрация сердечника трансформатора, как результат феномена магнитострикции
2. Вибрация обмоток трансформатора, как результат воздействия электродинамических сил
3. Устройства системы охлаждения трансформатора, такие как вентиляторы и масляные насосы.

Вопросы конструкции

Улучшения конструкции стандартного трансформатора и используемых материалов снижают количество децибел, задающих уровень шума.
Например, сталь с высокой магнитной проницаемостью (Hi-B), ограничивает магнитострикцию за счет поверхности с более высокой степенью ориентации частиц.
Другим методом, набирающим популярность, является укладка с высокой точностью пластин сердечника в перекрывающиеся структуры, что снижает образование воздушных зазоров в местах соединения пластин сердечника. Для укрепления связи между пластинами, чтобы не дать им ударять друг друга, ребра пластин склеиваются вместе, стандартизуется запрессовка хомутов, и распространяется отказ от сквозных болтов.
Кроме того, во всех точках соприкосновения сердечника и корпуса используется прочное, гибкое крепление, предотвращающее передачу резонанса, возникающего в элементах трансформатора или в масле от одного элемента конструкции к другому.

Методы наблюдения звука

Для обнаружения шума и вибраций, подразделение передачи и распределения электроэнергии компании Areva использует акустоскопию, акустическую голографию, и лазерную виброметрию. Акустические методы отображают шум быстро и всеобъемлюще за счет дифференцирования уровней шума, что позволяет обнаружить, откуда он исходит.
            Компании Areva T&D и AB Engineering для измерения шума в полосе частот от 100 до 500 Hzиспользуют микрофонный массив, содержащий 110 микрофонов, размещаемый на расстоянии 2 метров от корпуса.
Для каждой полосы частот, создаются карты идентичного масштаба, показывающие красным цветом "горячие" точки на синим фоне, свободном от шума. Используя эти карты, легко обнаружить источники шума. Недавно, для отображения шума трансформатора, была использована акустическая голография, анализирующая шумы в ближнем поле. Для этого было создана антенна из 23 микрофонов для сканирования семи квадратов 20 х 20 см. Программное обеспечение вычислило поле звукового давления, и выявило источники звукового излучения, изобразив их как пространственно расположенные двумерные карты для различных частот, вплоть до 850 Hz.
Лазерная виброметрия представляет собой бесконтактный метод, применяемый для труднодоступных, и опасных мест. Она использует эффект Доплера, измеряя частотную модуляцию лазерного луча, отраженного от вибрирующего объекта. Лазерные виброметры могут автоматически сканировать большое количество последовательных точек, получая измерения вибрации с высоким пространственным разрешением.
Когда трансформатор находится под нагрузкой, энергия от вибрации катушек и любого устройства, контролирующего магнитный поток, передается на корпус, затем в воздух, и в окружающую среду. Следовательно, важно сконструировать корпус таким образом, чтобы он не резонировал на частотах, близких к частоте возбуждения. Такие меры, как резонансные поглотители, могут дать снижение шума на 3 децибелы.

Решения в месте установки

Распространенным методом препятствования распространению шума непосредственно на месте установки трансформатора является использование стеновых панелей, прикрепленных к корпусу трансформатора. Обычно они закрывают только бока корпуса, снижая уровень шума на 4-10 децибелы в зависимости от закрываемого ими объема. Но они могут препятствовать охлаждению, поэтому часто вместо стеновых панелей используются акустические барьеры, устанавливаемые вблизи трансформатора с одной или нескольких сторон, или полностью окружающие его.
Простейшим решением является высокий акустический экран, который может проходить вокруг каждой стороны трансформатора, превышая его высоту. Даже одиночные барьеры способны снизить уровень шума на 10-15 дБ, в зависимости от нахождения наблюдателя.

голограмма шума трансформатора
Акустическая голография, используемая для отображения шума трансформатора

            Конечно, полный охват сверху и с боков, приведет к наиболее радикальным результатам, обеспечивая снижение шума на 25 дБ, или даже на 40 дБ, если  в качестве экрана используется массивная структура из бетона и стали, полностью изолированная от вибраций. Всегда следует оставлять пространство между стенками корпуса и барьером, величина которого не должна быть четным кратным половины длины волны частоты сети. Например, для трансформатора, работающего с частотой 50 Hz, это расстояние не должно быть равным 1.7 м, 3.4 м, и т.п. В противном случае образуются стоячие волны, вызывающие эхо, и усиливающие уровень шума. Ослабление уровня шума зависит от того, как много применяется методов, и каким образом они используются. Объединяя перекрывающееся Hi-B пластины сердечника с изоляторами вибрации, можно снизить уровень шума на 6 дБ. Если добавить стеновые панели, устанавливаемые на корпус, то снижение шума может достичь уже 10 дБ.
Но лучшим решением, дающим самое большое улучшение, является полное бесконтактное ограждение.
Конечно, конструкторы могут понизить уровень шума трансформатора, снижая уровень индуктивности сердечника, или плотность магнитного потока. Но платой за это становится увеличение размеров сердечника, обмоток, и общей стоимости.

         Потребность в исследованиях и разработках

            Потребность снижения уровней шума требует проведения исследовательских и конструкторских работ.
Некоторые методы снижения шума хорошо известны, но возможны и совершенно новые подходы, такие как поглотители резонанса, или эластичные поглотители шума, выстилающие внутреннюю поверхность трансформатора. Большинство выбираемых решений требуют хорошего понимания природы шума, и отображения вибраций. Доступны новые методы идентификации такой информации, позволяющие получать лучшие характеристики источников шума.
Выигрышем от использования этих новых подходов может стать снижение времени измерения, облегчение интерпретации измерений, доступ к другой информации (при локализации источника), и многое другое.

Ещё по теме:

написано в рубрике: Статьи
Метки: , ,

Оставить отзыв