Снижение шума и вибрации трансформаторов и реакторов в эксплуатации
| Вид материала | Документы |
- Положение об экспертной системе контроля и оценки состояния и условий эксплуатации, 534.73kb.
- Практикум тест №12 Защита от вибрации, шума, ультра- и инфразвука, 40.58kb.
- 6 Защита от шума и вибрации, 59.37kb.
- Инструкция устанавливает требования к материалам, применяемым при ремонте и требования, 1453.08kb.
- Установка для поверки измерительных трансформаторов тока, 78.01kb.
- Положение о рейтинге составлено согласно «Положения по рейтингу», 257.18kb.
- С. Г. Калякин Описана система концентрации водорода и кислорода (сккв) в помещениях, 67.91kb.
- Тематический план лекций по коммунальной гигиене для студентов VI курса медико-профилактического, 15.69kb.
- Зубчатые передачи нового поколения, 46.9kb.
- Приказ Государственного комитета Украины по надзору за охраной труда, 192.52kb.
Снижение шума и вибрации трансформаторов и реакторов в эксплуатации
Ю. Строганов
Несмотря на то что последние 10 лет энергетики работают в стремительно меняющейся отрасли, и к переменам вроде бы уже все привыкли, 2008-й - год знаменательный. Хотя наша оптовая генерирующая компания уже ступила на новое поле реформированной отрасли, первые шаги на нем мы сделали с помощью РАО "ЕЭС России", которое оставило нам право и привилегию довершить начатое в 1998 г.
1. ВВЕДЕНИЕ
Находящееся в эксплуатации на промышленных предприятиях и в жилых районах трансформаторно-реакторное оборудование производит шум, неблагоприятно воздействующий на экологию, что ведет к ухудшению здоровья обслуживающего персонала предприятий и населения. Одновременно, вибрация оборудования, являющаяся причиной его шума, влияет на его собственную механическую прочность, снижая срок службы и повышая возможность возникновения внутренних повреждений, зачастую приводящих к розливу трансформаторного масла с последующими пожарами, что ведет к материальным потерям и создает дополнительные риски для населения.
Эти обстоятельства, в условиях постоянно возрастающей нагрузки на экологию, диктуют необходимость выработки эффективных мер, во-первых, по снижению вибрации и шума в источнике и, во-вторых, по ограничению их распространения в окружающем пространстве.
Регламентируемой [1] шумовой характеристикой для трансформаторов является корректированный уровень звуковой мощности (КУЗМ), LPA, дБА [2, 3]; вибрационной характеристикой для реакторов является параметр виброперемещения (мкм, среднеквадратический) [4, 5]. КУЗМ определяется по результатам измеренного уровня звука (LA, дБА) трансформатора. Измерение уровня звука осуществляется шумомером со схемой коррекции "А", соответствующей чувствительности человеческого уха. При спектральном анализе звука измеряются уровни звукового давления (дБ) в полосах частот, октавных или третьоктавных.
2. ИСТОЧНИКИ ВИБРАЦИИ И ШУМА В ТРАНСФОРМАТОРАХ
Шум трансформаторов вызывается вибрацией активной части, а также вентиляторами системы охлаждения. Существенное влияние на шум трансформатора оказывают резонансные явления, возникающие в его отдельных элементах - охладителях, стенках бака, расширителе, трубопроводах и т.д.
Вибрация активной части трансформатора обусловлена магнитострикционными и электромагнитными силами в магнитной системе и динамическими силами в обмотках. В трансформаторах преобладает магнитострикционная составляющая вибрации. В магнитных системах реакторов, имеющих немагнитные зазоры, могут преобладать магнитные силы тяжения в зазорах.
2.1. МАГНИТОСТРИКЦИЯ
Магнитострикцией называют явление деформации кристаллической решетки магнитного материала при его намагничивании. В процессе возрастания индукции сначала происходит смещение границ кристаллов материала, а затем их вращение, что ведет к изменению линейных размеров стали. Измеряется магнитострикция в относительных единицах изменения длины l=Δl/l . Магнитострикционное удлинение листа стали может достигать нескольких десятков микрон на один метр длины.
При перемагничивании магнитной системы трансформаторов индукция в ней достигает максимума дважды за один период частоты переменного тока, что соответствует двухкратному изменению длины листов стали магнитной системы. Это ведет к периодическим колебаниям магнитной системы на удвоенной частоте переменного электрического тока (вибрация с частотой 100 Гц при частоте сети 50Гц).
Говоря о значении магнитострикции, имеется в виду среднее (по длине листа) максимальное значение, соответствующее определенной индукции без учета гармонических составляющих.
Магнитострикция современной анизотропной стали находится в диапазоне от -0,4-10 6 до 1,5-Ю"6 (при индукции 1,5 Тл).
Отжиг стали улучшает ее магнитострикционные характеристики. Механические воздействия существенно увеличивают магнитострикцию. Сильное воздействие оказывает сжатие листа в направлении прокатки (что характерно для конструкций активной части трансформаторов, прессовка которой часто осуществляется именно в этом направлении). При напряжении сжатия, составляющем 20 кГ/см2, магнитострикция увеличивается пятикратно.
2.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИЛЫ
Магнитная система
Вместе с силами магнитострикционного происхождения, магнитная система испытывает воздействие сил магнитного притяжения. Наиболее ярко магнитные силы проявляются в стыковых соединениях. В шихтованных магнитных системах магнитный поток вынужден перетекать из листа в лист в воздушном или масляном зазорах, образующихся за счет неплотной стыковки листов стали. При этом возникают поперечные силы, приводящие к изгибным колебаниям листов. Поскольку листы стали на участках, соседствующих с зазорами, перенасыщаются, здесь увеличиваются также и магнитострикционные силы.
Силы магнитного притяжения преобладают в реакторах, где магнитная система имеет немагнитные зазоры. Возникающая при этом вибрация также происходит на удвоенной частоте напряжения сети.
Обмотка
Одним из источников шума трансформаторов является обмотка, проводники которой вибрируют под действием сил взаимного притяжения при протекании в них переменного тока в режиме нагрузки.
Генерирующими звук поверхностями в данном случае являются торцевые части обмоток, прессующие кольца, ярмовые балки, детали крепления.
До последнего времени шуму обмотки не придавалось значения, поскольку при индукции порядка 1,5-1,7 Тл он значительно ниже шума магнитной системы.
Шум, обусловленный обмоткой, зависит от тока нагрузки. Например, при токе, составляющем 70% номинального, шум трансформатора на 6 дБ меньше, чем при номинальном токе (у трансформаторов с пониженной индукцией).
2.3. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
Вентиляторы
Для трансформаторов, имеющих систему охлаждения с принудительной циркуляцией воздуха (Д, ДЦ), шум, создаваемый вентиляторами, обычно является преобладающим.
Звуковая мощность вентилятора зависит от его производительности, частоты вращения, конструкции. Шум вентиляторов преимущественно аэродинамического происхождения; в меньшей степени - механического. Учитывая, что уровень шума вентиляторов зависит в 6-й степени от скорости воздуха и только в 1-й степени от его производительности, для снижения шума следует использовать менее быстроходные вентиляторы. Шум вентиляторов находится в области 1000 Гц, к которой наиболее чувствительно человеческое ухо. В спектре частот шума вентилятора основная гармоника определяется выражением пк/60, где n - частота вращения вентилятора, оборотов в минуту; к - количество лопаток.
Высокочастотные составляющие спектра шума вентилятора обусловлены срывом вихря с лопаток и турбулентным потоком воздуха, набегающего на элементы конструкции.
Приблизительно общий уровень звуковой мощности вентилятора можно определить по формуле:
Lp = 10 lg Q + 20 lgp + 37, дБ
где:
Q - расход воздуха, м3 /с;
р - давление, н/м2 .
Охладители и радиаторы
Уровни звука оборудованных вентиляторами охладителей выше, чем у отдельно стоящих вентиляторов. Это обусловлено их большей поверхностью звукоизлучения и, зачастую, резонансами отдельных деталей охладителя. Радиаторы системы охлаждения с естественной циркуляцией воздуха и масла могут иметь повышенный шум из-за передачи вибрации от бака.
Насосы
Используемые в системах охлаждения масло-насосы не оказывают влияния на общий уровень звука трансформаторов - их уровень звуковой мощности на несколько порядков ниже, чем у трансформаторов.
Повышение уровня звука маслонасоса обычно означает его аварийное состояние: выход из строя подшипника, задевание крыльчатки насоса за корпус или ротора двигателя за статор. Подобные дефекты маслонасоса могут привести к снижению электрической прочности изоляции трансформатора из-за попадания в масло продуктов истирания металлических деталей такого насоса.
В связи с этим необходим периодический контроль состояния маслонасосов. Шум маслонасоса обычно маскируется шумом работающего трансформатора; состояние насоса лучше всего определять по уровню его вибрации.
2.4. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ
2.4.1. ЗАВИСИМОСТЬ ШУМА ТРАНСФОРМАТОРА ОТ РАЗМЕРОВ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
Уровни звуковой мощности трансформаторов пропорциональны их массогабаритным параметрам, хотя на практике эта зависимость может значительно меняться под действием разного рода конструктивно-технологических факторов[6].
Уровень звуковой мощности трансформатора находится в прямой пропорциональной зависимости от длины стержня магнитной системы:
Lр=LV +20 lg 1+10 lg S0, дБ
где:
I - наибольшая длина стержня, м;
So - площадь поперечного сечения стержня, м2 ;
Lv - виброскорость, дБ (при индукции В=1,6 Тл, Lv, = 70 дБ; снижение индукции на 0,5 Тл обеспечивает уменьшение виброскорости на 10 дБ).
Значение Lv, зависит от свойств электротехнической стали, распределения поперечных магнитных потоков в углах и над средним стержнем магнитной системы, а также от высших гармоник магнитострикции и магнитного потока на отдельных участках магнитной системы, что определяет известную приближенность расчета. При прочих равных условиях увеличение длины стержня вдвое повышает уровень звука на 6 дБ. Резонанс магнитной системы может увеличить уровень звука трансформатора на 5 дБ.
Характерным для магнитных систем трансформаторов является густой спектр собственных частот в диапазоне 1-3 кГц, обусловленных отдельными пластинами электротехнической стали. Последние не всегда монолитно стянуты, в толще магнитной системы имеются пустоты, определяемые коэффициентом заполнения стали (не менее 0,97 по ГОСТ 21427.2-83), что ведет к высокочастотным резонансным колебаниям пластин и их участков.
Этим, в частности, объясняется высокий уровень звука трансформаторов с частотой питающего напряжения 400 Гц и выше.
2.4 2. ВЛИЯНИЕ МАССЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ
Существует прямая зависимость уровней звуковой мощности трансформаторов от их электрической мощности [7]. Эта зависимость может меняться с изменением конструкции и материалов, индукции или массы при сохранении на прежнем уровне прочих параметров. Для геометрически подобных трансформаторов их уровень звуковой мощности пропорционален массе (М), или линейным размерам в третьей степени, а также пропорционален электрической мощности трансформатора [8] в степени 3/4:
Lp=L'0+20/gM, дБ
Lp=L"0+20 Ig S, дБ
где:
M - масса магнитной системы, т;
S - мощность, кВА;
L'o, L"o - постоянные для конкретных типов трансформаторов, которые зависят от величины индукции и конструкции.
Эти зависимости справедливы при неизменном значении магнитострикции и в отсутствии резонансов.
2.4.3.ВЛИЯНИЕ ИНДУКЦИИ
Уровень звука трансформатора изменяется на 3 дБ при изменении индукции на 10%. Это соотношение характерно для основной гармоники шума трансформатора.
Высшие гармоники (3-я и 5-я) при снижении индукции уменьшаются быстрее: на 4-5 дБ при снижении индукции на 10%, что связано с улучшением синусоидальности индукции в отдельных участках магнитной системы.
Уровни вибрации и звука трансформатора зависят от характера распределения магнитных потоков по сечению сердечника.
Индукция во внутренних углах шихтованных рамных магнитных систем может достигать удвоенного значения от номинального, что является предпосылкой повышения вибраций и шума.
Для трехфазных магнитных систем характерно повышенное содержание 3-й гармоники шума, что связано как с фазовым сдвигом колебаний отдельных стержней, так и с наличием значительной 3-й гармоники индукции. Повышенным шумом и вибрацией отличаются симметричные трехфазные магнитные системы из навитых магнитопроводов, где 3-я гармоника индукции может достигать 40% от основной гармоники.
2.4.4.ВЛИЯНИЕ БАКА И РАСПОЛОЖЕННЫХ НА БАКЕ ЭЛЕМЕНТОВ
Бак обычно повышает уровень звука источника, т.е. активной части трансформатора, как за счет увеличения поверхности звукового излучения, так и за счет резонанса стенок бака. Это повышение характерно для низших гармоник звука. Более высокие гармоники источника, звукоизолированные баком, могут и снижаться.
Передача вибрационной энергии от активной части к стенкам бака происходит через опоры либо через элементы крепления активной части к баку, а также через масло. Из соображений механической прочности стенки баков обычно укрепляют ребрами жесткости. Максимальные вибрации имеют место в центре пластин между ребрами жесткости и зависят от значения собственной частоты пластин.
У плоских баков трансформаторов амплитуда вибрационных смещений случайно зависит от неплоскостности пластины стенки и от полученных ею механических напряжений в процессе сварочных работ. Более закономерный характер распределения максимальных вибраций имеют круглые в плане баки.
Зачастую повышенный шум трансформатора связан с вибрацией резонирующих элементов бака - лестниц, трубопроводов, расширителя и т.д.
2.4.5.ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Вибрации и шум трансформаторов во многом зависят от режимов их работы.
Спектральное содержание характеристик вибрации и шума трансформаторов связано с частотой питающего напряжения. У трехфазных трансформаторов (частота сети - 50 Гц) наиболее ярко выражены первые три гармоники - 100, 200, 300 Гц, у однофазных - первые две. Соответственно трансформаторы с частотой питающего тока 400 Гц имеют гармонические составляющие шума и вибрации 800, 1600, 2500 и т.д. Гц.
Емкостная нагрузка ухудшает виброакустические характеристики по сравнению с индуктивной нагрузкой. Повышенную виброактивность и уровень звука имеют электропечные трансформаторы, работающие в режиме расплава с перемежающейся дугой на электродах печи. Амплитуда и частотный состав вибрации и звука преобразовательных трансформаторов зависят от типа схемы выпрямления.
Включение трансформатора в работу приводит к повышенному шуму вследствие остаточной намагниченности магнитопровода. Из-за перенасыщения магнитопровода уровень шума может превысить уровень при нормальной работе на 20 дБ. Снижение шума до установившегося состояния после включения может длиться до 6 часов.
2.4.6. КАЧЕСТВО ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Определенное влияние на уровень звука трансформаторов оказывают высокочастотные помехи в питающем напряжении сети, в которых работают различные тиристорные устройства. Электрические помехи в таких сетях обычно невелики и составляют доли процента от номинального напряжения. Однако эти составляющие могут повысить уровень звука сухих трансформаторов малой и средней мощности на 20-30 дБ. Это повышение связано с резонансами отдельных пластин магнитной системы, их вибрации и взаимного соударения.
Борьба с этим явлением затруднительна, т.к. связана с устранением резонанса отдельных пластин активной стали, особенно в углах шихтованных магнитных систем.
3. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ШУМА ТРАНСФОРМАТОРОВ И РЕАКТОРОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
Снижение шума трансформаторов связано с решением задач из области акустики, вибрации, динамики, механики, материаловедения, электротехники.
Процесс снижения шума трансформаторов, находящихся в эксплуатации, следует разделить на ряд этапов:
< обеспечение малошумности внутренних источников вибрации и шума, т. е. магнитной системы, обмоток и вентиляторов;
< виброизоляция этих источников от металлоконструкций бака;
< устранение резонансов стенок бака (кожуха) и элементов, расположенных на баке;
< ограждение внутренних источников звука звукопоглощающими устройствами;
< установка на вибрирующие элементы вибропоглощающих устройств;
< принятие внешних мер по предотвращению распространения звука трансформаторов в местах их эксплуатации.
Разработке плана мероприятий по снижению шума конкретных трансформаторов должно предшествовать виброакустическое обследование помещения электроустановки, рабочих мест и непосредственно источников повышенного шума.
3.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ
Помещение электроустановки и рабочие места
При обследовании определяются:
а) общий уровень звука в помещении
б) его спектральный состав.
Измерения осуществляются на рабочих местах помещения и в непосредственной бли-Кэсти к источникам шума. Целью обследования является определение вклада в общий уровень звука в помещении каждого из его источников. (Поскольку уровни звука отдельных источников складываются логарифмически, при равенстве уровней звука, к примеру, двух источников, даже полное отключение одного из них уменьшит общий уровень звука в помещении всего лишь на 3 дБА.)
Трансформаторное оборудование
Определяются:
а) общий уровень звука трансформатора;
б) вибрация стенок бака, охладителей, прочих заземленных элементов конструкции;
в) спектральный состав шума и вибрации.
Фиксируются напряжение и частота питающего тока, температура элементов конструкции и окружающей среды.
Виброакустическое обследование позволит выявить, во-первых, наиболее шумные источники звука в помещении, с которыми следует бороться в первую очередь, и, во-вторых, определиться с последовательностью этапов проводимых мероприятий.
Применительно к трансформаторам, работы по снижению их шума следует начинать, как правило, с устранения резонансов элементов конструкции бака и охладителей. Далее планом мероприятий должно предусматриваться устранение вибрации и шума внутренних частей трансформатора, которое можно осуществлять, например, во время плановых профилактических или капитальных ремонтов. И только в последнюю очередь следует предусматривать внешние меры, направленные на предотвращение распространения шума от источника в окружающее пространство, как наиболее дорогостоящие.
3.2. СНИЖЕНИЕ УРОВНЕЙ ВИБРАЦИИ И ШУМА, ИЗЛУЧАЕМОГО БАКОМ И ЭЛЕМЕНТАМИ, РАСПОЛОЖЕННЫМИ НА БАКЕ МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Стенки бака
Для уменьшения шума, излучаемого баком трансформатора, необходимо увеличение жесткости бака с помощью дополнительных ребер жесткости. Навариваемые на стенки бака ребра жесткости снижают их вибрацию и, следовательно, шум трансформатора. При этом происходит отстройка собственной частоты стенок бака от частоты возбуждающей силы (100 Гц). Чтобы не попасть при этом в область резонанса, вначале определяется собственная частота (f0) стенки -экспериментально либо расчетом - по формуле:
F0 = 2,48 · 106b (1/А2 + 1/В2)2 / Ц1 + 0,036/b(1/А2 + 1/В2), Гц
где:
А, В и b - ширина, длина и толщина пластины, мм.
Дополнительные ребра устанавливаются в середине плоских участков бака в направлении их наибольшей длины. На баки, круглые в плане, ребра жесткости устанавливаются горизонтально, поскольку такие баки имеют выраженные максимумы и минимумы вибрации по окружности бака.
Дальнейшее уменьшение шума может быть достигнуто установкой на вибрирующие элементы демпферов, настроенных на конкретную частоту. Наиболее выраженной составляющей шума у 1-фазного трансформаторов является 2-я гармоника (200 Гц), у 3-фазного трансформатора - 3-я (300 Гц). С помощью демпфирующих устройств (антивибраторов) уровень шума бака трансформатора можно снизить на величину до 5 дБ.
Шумо- и вибропоглощение в стенках бака достигается также нанесением на них различных покрытий (при этом ухудшаются условия охлаждения). Вибропоглощающие покрытия могут быть изготовлены из жесткой пластмассы, нанесенной на демпфируемую поверхность, причем потери в материале создаются за счет растяжения покрытия.
Рабочая температура материала обеспечивается различными пластификаторам. К таким материалам относятся: мастичные - "Нева", "Ан-тивибрит-2", А5, А7, ВМП, битумные компаунды, листовые типа "Агат". Листовые материалы наносятся на конструкции с помощью клея, мастичные - напылением, шприцами. Затухание амплитуды изгибной волны в пластине определяется протяженностью покрытия. Коэффициент потерь зависит от соотношения толщины покрытия и пластины.
Охладители и вентиляторы
Охладители типа ДЦ, оборудованные трубками с разветвленной поверхностью, могут издавать повышенный высокочастотный шум, обусловленный вибрацией, передаваемой от бака трансформатора, с последующим трением трубок между собой. Между такими трубками следует установить дистанцирующие элементы.
Трубы радиаторов системы охлаждения Д, в случае их повышенной вибрации, следует закрепить.
В условиях эксплуатации простейшим способом снижения шума вентиляторов является их экранирование посредством звукоизолирующих панелей со звукопоглощающими покрытиями, которые не должны в то же время ухудшать условия охлаждения трансформатора. Эффективность этого способа зависит от размеров экрана, зачастую она недостаточна, учитывая способность звука огибать преграды на пути распространения.
Для снижения уровня звука вентиляторов возможны также следующие мероприятия:
< установка вентиляторов на резиновые или пружинные амортизаторы;
< балансировка вращающихся частей вентилятора, включая крыльчатку и ротор электродвигателя;
< замена лопаток вентилятора, выполненных из металла, на стеклопластиковые, как не поддающиеся коррозии и лучше балансирующиеся;
< устранение элементов, находящихся в потоке воздуха;
< нанесение звукопоглощающих материалов на входе и выходе вентилятора.
Меры, снижающие шум вентиляторов, оправданны, если не вызывают уменьшения их производительности.
Поэтому уменьшение скорости вращения вентилятора, как снижающее его шум, должно сопровождаться увеличением числа лопаток, их ширины и диаметра, а также увеличением размеров самого вентилятора.
Для центробежных вентиляторов возможно использование лопаток, загнутых вперед. Снижение шума осевых вентиляторов достигается за счет применения профилированных лопаток, уменьшения зазора рабочего колеса, установки направляющих за лопатками.
Снижение скорости вращения целесообразно примерно до 750 об/мин. Эти и другие меры позволяют снизить уровень звука вентиляторов до 10 дБ. Разумеется, в условиях эксплуатации изменения конструкции вентиляторов затруднительны, поэтому предпочтение следует отдавать методам, связанным с применением звукопоглощающих устройств и материалов.
Расширители, воздухоосушители, трубопроводы, лестницы, консоли для установки арматуры и пр.
Указанные элементы после проведения соответствующих проверок должны быть ужесточены и закреплены. В местах креплений следует предусмотреть прокладки из упругого материала.
Фундамент под трансформатор
Вибрация трансформатора передается через фундамент на конструкции здания, в котором он установлен и который из-за этого начинает излучать собственный низкочастотный шум. Поэтому фундамент под трансформатор не должен, по возможности, иметь связей со строительными конструкциями здания.
В любом случае масса фундамента под трансформатор должна, по меньшей мере, в 10 раз превосходить массу трансформатора, что снижает влияние вибрации трансформатора на фундамент.
Одновременно жесткая установка трансформатора на массивном фундаменте, при условии соблюдения равномерности распределения нагрузки на поверхности фундамента, устраняет возможность возрастания вибрации трансформатора из-за внутренних механических напряжений конструкции, обусловленных неравномерной нагрузкой.
3.3. СНИЖЕНИЕ ШУМА АКТИВНОЙ ЧАСТИ И ЕЕ ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ ОТ БАКА
Магнитные характеристики
Магнитные характеристики электротехнической стали трансформаторов в эксплуатации изменить к лучшему невозможно. При проведении работ на активной части следует стремиться к тому, чтобы ее магнитные характеристики по крайней мере не ухудшить.
Поскольку механические воздействия на электротехническую сталь повышают ее магнитострикцию, а следовательно, и шум трансформатора, таких воздействий при проведении работ на активной части следует избегать. Такое же влияние на сталь оказывает ее сжатие в направлении прокатки.
Поэтому запрессовка магнитной системы и обмоток должна соответствовать заводским рекомендациям. Несоответствующая запрессовка может создать предпосылки для резонансов как всей активной части, так и ее элементов, вплоть до отдельной пластины электротехнической стали. Поэтому желательно при проведении работ на активной части контролировать ее частоту свободных колебаний.
Возможности снижения шума обмоток
До настоящего времени не найдено действенных средств для снижения шума, создаваемого обмотками. Возможности имеются в снижении эластичности обмотки путем применения изоляционных материалов с большим динамическим модулем упругости и за счет усовершенствования системы крепления обмоток. Простое увеличение усилий прессовки обмоток их уровень звука не уменьшает.
Вибро- и звукоизоляция активной части
Поскольку бак (или кожух) трансформатора резко усиливает передаваемые от активной части вибрацию и шум за счет как увеличения поверхности излучения, так и резонансов отдельных элементов бака, необходимо ограничить передачу акустической энергии за счет вибро- и звукоизоляции активной части от бака. Вибрация передается через опоры, металлические элементы крепления активной части к стенкам или крышке бака, а также через масло.
При проведении мероприятий по снижению шума трансформатора прежде всего следует устранить металлические контакты между активной частью и баком. Следует проверить состояние винтов, крепящих активную часть во время транспортирования, - винты должны быть удалены. Все жесткие элементы крепления активной части к баку должны быть заменены на упругие или устранены полностью. Заземление остова должно быть выполнено гибкой медной шиной.
Активная часть устанавливается в баке трансформатора на виброизоляторах, в качестве которых используются резиновые или пружинные амортизаторы, электрокартонные плиты и т.д. Собственная частота (f0) установленной на виброизоляторах активной части должна быть в 2-3 раза меньше частоты возбуждающих вибрацию сил. Например, для трансформаторов с основной гармоникой возбуждающих вибрацию сил f = 100 Гц должно выполняться условие fo< 50 Гц. Только в этом случае амортизаторами будет обеспечено снижение вибрационной силы, передаваемой от активной части на бак трансформатора. При
, коэффициент передачи т = 100%, т.е. виброизоляция равна нулю. Собственную частоту системы с избранным виброизолятором удобно определять экспериментально. Для этого виброизолятор нагружается известной массой и определяется статическая осадка виброизолятора d, см. Собственная частота определяется по формуле:
,Гц Например, при статической осадке виброизолятора, равной 0,4см, собственная частота равна fo=8 Гц; при d=2,5см, fo=3 Гц и т.д.
Снижению шума трансформатора способствуют также следующие мероприятия:
< размещение виброизолирующих опор на равных расстояниях от центра тяжести активной части, что обеспечивает их равномерную нагрузку;
< установка виброизолирующих опор непосредственно над катками или другими опорными фундаментными элементами.
Вместе с тем активная часть, установленная на слишком "мягких" амортизаторах, может сама сильно вибрировать, повышая вибрацию бака или кожуха за счет звука, передаваемого по воздуху или маслу. Поэтому может быть оправданным жесткое крепление трансформатора или даже только активной части к тяжелому фундаменту, амортизационно развязанному с конструкциями здания. Присоединение дополнительной массы фундамента к остову понижает его собственные уровни вибрации и уменьшает амплитуду возбуждающих вибрационных сил, передаваемых в окружающую среду.
При выборе амортизирующих конструкций необходимо обращать внимание, помимо параметров жесткости и демпфирования, также на их надежность в работе, стабильность параметров, малость массы и габаритов, противодействие агрессивным средам (масло).
Устранить второй путь передачи вибрации и звука, т.е. от активной части на бак через масло, затруднительно. Возможна звукоизоляция за счет установки на активной части или на стенках бака звукоизолирующих барьеров. Такие барьеры могут выполняться в виде полостей, заполненных воздухом. Из-за разности волнового сопротивления воздушной и масляной сред звук почти полностью отражается в масло. При установке гасящих звук барьеров на магнитопроводе звукоизоляция меньше, чем при установке на внутренних стенках бака. Материал таких барьеров -сталь, алюминий, свинец. Вместе с тем барьеры любой конструкции, расположенные в масле, ухудшают условия охлаждения трансформатора, что, в свою очередь, требует применения новых средств охлаждения.
3.4. СНИЖЕНИЕ ШУМА СУХИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Спецификой сухих трансформаторов мощностью до 1000 кВА является большое разнообразие конструкций магнитных систем, среди которых можно назвать шихтованные, навитые, стыковые (склеиваемые из двух половин), симметричные пространственные, при множестве модификаций, обусловленных типами стыков, видами шихтовки, характером прессовки и т.д.
Наиболее шумными являются симметричные пространственные магнитные системы 3-фазных трансформаторов, укомплектованные тремя О-образными навитыми магнитными элементами. Повышенная виброактивность такой системы обусловлена резкой несинусоидальностью индукции в отдельных элементах, низкой жесткостью конструкции и собственными частотами, находящимися в диапазоне 100-300 Гц.
1-фазные трансформаторы с навитой тороидальной магнитной системой также имеют малую величину шумовых характеристик. Положительный эффект в данном случае достигается за счет вибро- и звукоизолирующих свойств обмотки, которая полностью охватывает магнитную систему. Крепление тороидальной активной части за центр тяжести еще более улучшает виброшумовые характеристики такого трансформатора.
Существенное снижение уровня звука трансформаторов достигается при помощи пропитки и склейки магнитной системы материалами на основе эпоксидных смол. Происходящее при склейке замоноличивание магнитной системы устраняет ее вибрации в направлении, перпендикулярном плоскости листа, при некотором ухудшении магнитострикции стали. Эффект пропитки тем выше, чем глубже в толщу магнитной системы проникает склеивающий материал.
Но зачастую жидкий компаунд, во-первых, не проникает во все пустоты между пластинами стали, а во-вторых, вытекает из них в процессе полимеризации. Коэффициент температурного расширения пропитывающего материала должен быть меньше, чем у электротехнической стали: в этом случае полимеризованный материал горячего отверждения будет по мере охлаждения оказывать растягивающее действие на сталь магнитной системы.
Более всего распространены сухие трансформаторы 3-фазные с шихтованной магнитной системой. Шум активной части таких трансформаторов без кожуха невысок. Однако он резко возрастает у полностью собранного трансформатора с кожухом, который увеличивает поверхность звуко-излучения трансформатора и к тому же не обладает достаточной жесткостью, будучи изготовлен из тонколистовой стали.
Для снижения шума сухого трансформатора может оказаться достаточным удаление кожуха, с последующей установкой ограждения непосредственно на фундаменте.
Наибольший шум (иногда в области частот 1000 Гц) имеет место во внутренних углах окон магнитопровода. На этих участках имеет место повышенная индукция (до 2Вн). вызывающая возрастание вибрации и, соответственно, шума. Поскольку такие участки сухих трансформаторов доступны, снижение шума осуществляется путем заливки внутренних углов окон магнитопровода эпоксидным компаундом.
В процессе эксплуатации может ослабнуть прессовка магнитной системы. В частности, бывает ослаблена стяжка листов стержней магнитопровода, функции которой выполняет насаженная на стержень обмотка - дистанцирующие рейки свободно перемещаются от руки.
Прессовку следует восстановить, а между обмоткой и стержнем установить дополнительные рейки. Это мероприятие позволит снизить как низкочастотные, так и высокочастотные составляющие шума.
3.5. СНИЖЕНИЕ ВИБРАЦИЙ И ШУМА ШУНТИРУЮЩИХ И ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ РЕАКТОРОВ [8,9]
Вибрация и звук реакторного оборудования могут достигать значительных величин, что обусловлено конструкцией магнитных систем реакторов. В магнитопроводах реакторов имеются немагнитные зазоры, в которых возникают значительные периодические силы магнитного притяжения между элементами магнитопровода (рис. 1 а, б, в).
В дополнение к магнитострикционным силам силы магнитного притяжения, возникающие в зазорах с периодичностью рабочего напряжения, повышают вибрацию элементов магнитной системы в продольном направлении. Кроме того, выпучивание магнитного потока в зазорах вызывает появление его поперечной составляющей и, соответственно, изгибные колебания магнитной системы.
Для снижения уровня такого рода вибраций, в зазорах устанавливаются дистанцирующие элементы из материала с повышенной жесткостью, например, из фарфора. В стержневых реакторах фарфоровые элементы равномерно распределяются по длине стержня. В бесстержневых шунтирующих реакторах с магнитными системами броневого и ярмового типа проблема вибрации решается с помощью размещаемой в обмотке фарфоровой стойки, на которую опираются окончания С-образных магнитных шунтов или ярем. Запрессовка стойки из фарфора, отличающейся высокими жесткостными характеристиками, обеспечивает малые амплитуды колебаний магнитных элементов системы.
Как правило, повышение шума и вибрации реакторов связано с недостаточной запрессовкой магнитной системы, в частности ее фарфоровых элементов. В процессе эксплуатации происходит ослабление прессовки центрального стержня реактора или фарфоровой стойки. Их подпрессовке при проведении ремонтных работ препятствует высокая жесткость магнитной системы в целом.
Снижение вибрации и шума активной части реактора сопряжено с большими затратами. После разборки реактора и выемки активной части из бака следует:
< расшихтовать верхнее ярмо или верхнюю часть С-образных шунтов;
< установить на стержень или фарфоровую стойку дополнительные жесткие прокладки (стеклотекстолит);
< запрессовать стойку или центральный стержень;
< произвести перешихтовку верхней части остова.
При проведении такого рода работы важно соблюдать определенную последовательность операций. Запрессовка стержня после перешихтовки магнитной системы становится невозможной из-за, как уже упоминалось, высокой жесткости магнитной системы в целом.
Все прочие работы, направленные на снижение шума реакторов, аналогичны мероприятиям, предназначенным для трансформаторов.
3.6. ВНЕШНИЕ МЕРЫ СНИЖЕНИЯ ШУМА
Внешние меры, направленные на снижение передаваемого в окружающее пространство шума трансформатора, предусматривают установку на трансформаторе или поблизости звукоизолирующих конструкций.
Экраны
С одной или со всех сторон трансформатора, возможно ближе к нему, могут устанавливаться экраны, перпендикулярные к защищаемому направлению. Края экранов должны выступать за трансформатор в стороны и вверх.
Ослабление уровня шума у защищаемого объекта при установленном экране может быть оценено по формуле:
где:
а и b - расстояние от трансформатора до края экрана и от него до защищаемого объекта;
с - расстояние от трансформатора до объекта по прямой линии, м;
l- длина волны звука, м.
Расчет производится для преобладающих гармоник спектра звука. Для первых двух l (100 и 200 Гц) = 3,4м и 1,7м.
Со стороны трансформатора экран (кирпичная или иная стенка) должен быть покрыт звукопоглощающими материалами (ЗПМ). В качестве ЗПМ используются - пенопласт, минеральная вата, стекловолокно; в качестве демпфирующих материалов - битумные компаунды.
Подобные же акустические экраны из тонколистового металла с демпфирующим покрытием из ЗПМ могут навешиваться непосредственно на трансформатор. Акустическая эффективность подобных экранов невысока и локальна (5-7 дБА). Поскольку экраны имеют ограниченную площадь, звук трансформатора их огибает, что снижает эффект звукоизоляции, в особенности на низких частотах.
Практически бесполезным оказывается навешивание экранов на трансформатор, установленном в полуреверберационном помещении, из-за отражения звука от потолка, пола и стен. При использовании звукопоглощающих материалов в открытых установках следует помнить, что ЗПМ имеют пористую структуру, поглощают влагу и быстро теряют свои свойства. Для защиты ЗПМ применяются покрытия из акустически прозрачной сетки или стеклоткани с малой толщиной (0,06 мм).
Звукозащитиые укрытия
Большее снижение звука (до 25 дБА) может быть достигнуто при полном укрытии трансформатора звукоизолирующими кожухами.
Звукоизолирующие кожухи обычно изготавливаются из листового металла, облицованного с внутренней стороны ЗПМ. Могут применяться алюминий, асбоцемент, кирпич, фарфор с наружным покрытием, бетон. Установленная внутри кожуха облицовка ЗПМ может выполняться из минеральной ваты, полужестких минераловатных плит в оболочке из стеклоткани, покрытых со стороны трансформатора перфорированным листом либо сеткой.
Эффективны многослойные панели из внутреннего стального перфорированного и внешнего свинцового листов, между которыми помещается пористый звукопоглощающий материал. Между собой панели соединяются болтами; в стыках устанавливаются упругие прокладки.
При этом должны быть решены вопросы выноса за пределы укрытия систем охлаждения и обеспечение звукоизоляции труб системы охлаждения, проходящих через укрытие. Сверху звукоизоляция не должна быть выше нижнего края фарфора и не уменьшать изоляционных расстояний. Такой тип звукоизоляции может снизить уровень шума на 15-20 дБ.
Помещения электроустановок
Наибольший эффект достигается при установке трансформаторов в отдельных помещениях. Такие помещения могут быть выполнены из кирпича или бетона, устанавливаются они на отдельном фундаменте, не связанном с фундаментом трансформатора. Любые щели в конструкции окон, дверей, стен, вентиляционных каналов должны быть исключены. Для снижения звукоотражения от стен и потолка последние оснащаются звукопоглощающей облицовкой из стекловолокнистых материалов.
При сооружении укрытия, имеющего толстые кирпичные стены и стоящего на отдельном фундаменте, можно получить ограничение шума - до 40 ДБА.
Стоимость таких способов снижения шума может быть достаточно высока.
Помещения подстанций, в которых работают трансформаторы, имеют, как правило, внутренние поверхности с высоким уровнем звукоотражения. Повышенный шум в таких помещениях часто связан с явлением реверберации. Для снижения уровня шума внутри помещений на их стены и потолок следует устанавливать звукопоглощающие конструкции. Конструкция помещений должна препятствовать распространению шума за их пределы. Помещения не должны иметь щелей; стены, потолок, двери должны обладать достаточной массой. Вентиляционные проемы и отверстия должны находиться в верхней части помещений и обработаны звукопоглощающими материалами.
Согласно сведениям, представленным на сессии СИГРЕ в 1998 году, были достигнуты следующие уровни снижения шума:
< звукопоглощающие стенки, смонтированные на баке - 5 дБА;
< двухслойные легкие панели - 15 дБА;
< кирпичные или бетонные стены - 20-30 дБА;
< отдельные помещения - 40 дБА.
Согласно [10], экономическая эффективность системы активного подавления шума приблизительно на 30% выше, чем у защитной стенки (экрана). Однако следует заметить, что для более высоких тонов система дает меньшее снижение, как это видно из приведенных данных. Звукоизолирующее действие стены для более высоких тонов будет лучше.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Знание причин, вызывающих шум находящихся в эксплуатации трансформаторов и реакторов, комплексный подход к решению виброакустических проблем, а также имеющиеся расчетные методы позволяют снизить шум и вибрации этого оборудования до приемлемых значений, предусмотренных стандартами.
ЛИТЕРАТУРА
1.Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Шум. Трансформаторы силовые масляные. Нормы и методы контроля. ГОСТ 12.2.024-87. Введ. 1/1 1989. М., 26 с.
2. ССБТ. Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в свободном звуковом поле над звукоотражающей поверхностью: Технический метод. ГОСТ 12.1.026-80. Введ. 1/7 1981. М., 11 с.
3. ССБТ. Шум. Определение шумовых характеристик источников шума: Ориентировочный метод. ГОСТ 12.1.028-80. Введ. I/VII 1981. М., 8 с
4. Вибрация. Общие требования к проведению измерений. ГОСТ 12.1.034-84.
5. Аппаратура для измерения параметров вибрации. ГОСТ 12.4.012-83.
6. Reiplinger Е., Study of noise emitted bypower transformers, based on todey's view point. CIGRE. International Conference on large high voltage electric systems. 1988, 12-08.
7. Power transformer Handbook. Edited by Berhard Hochart, Alstom transformer division. Sunt-Ouen, France. First English Edition.
8. Реакторы масляные, шунтирующие: Технические условия ТУ 16-90.
9. Реакторы масляные, заземляющие дугогасящие: Технические условия ТУ 16-88.
10. J. Vierengel, В. Ahlmann, T. Mudry, P. Boss. Use of active noise control technology to quiet power transformers.
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник: © Ю. Строганов. Снижение шума и вибрации трансформаторов и реакторов в эксплуатации. Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, № 10, 2008. – С.9-20.
Материал размещен на www.transform.ru: 10.12.2008 г.