VIBRACIJE IN HRUP TRANSFORMATORJA Peter TARMAN peter.tarman@kolektor.com Miha NASTRAN miha.nastran@kolektor.com Povzetek Članek obravnava pristop Kolektor Etre pri raziskavah hrupa transformatorjev. Predstavljeni so nekateri vplivi, ki lahko povečujejo hrup in vibracije, kot na primer vgrajena magnetostrikcijsko nesprejemljiva kvaliteta elektro pločevine v magnetno jedro ali obratovanje magnetnega jedra v območju lastnih frekvenc. Z uporabo metode zvočne holografije so na primeru modelnega transformatorja prikazani učinki nekaterih ukrepov. Pri tem je podana zvočna slika magnetnega jedra, kot tudi celotnega transformatorja. Predstavljen je numerični model za napovedovanje hrupa in vibracij. Ključne besede: hrup transformatorja, magnetostrikcija, resonanca magnetnega jedra, zvočna holografija TRANSFORMER VIBRATIONS AND NOISE Peter TARMAN peter.tarman@kolektor.com Miha NASTRAN miha.nastran@kolektor.com Abstract This paper describes the approach of Kolektor Etra about transformer noise research. It presents some impacts that can result noise and vibration increase, such as unacceptable quality of magnetic core steel or magnetic core operation around a full or partial core resonance. Acoustic holography is used for result presentation. Acoustic images of magnetic core as well as of whole transformer are presented. Finally numerical model for noise and vibration prediction is presented. Keywords: transformer noise, magnetostriction, magnetic core resonance, acoustic holography
I. UVOD Hrup je eden od pomembnih dejavnikov, ki vplivajo na kvaliteto življenja ljudi. V urbanem okolju so transformatorji sestavni del, ki prispeva h povečanju onesnaževanja s hrupom, posebno v nočnem času, ko je izvorov manj. Energetski transformatorji so zelo učinkovite naprave, ki imajo v povprečju zelo velik izkoristek. Posebno pri velikih transformatorjih je ta okoli 99% in več. Manj kot 1% energije, ki vstopa v transformator se pretvori v izgube, pri tem velik del preide v toploto, del gre za napajanje raznih pomožnih naprav, le izjemno majhen delež, skoraj zanemarljiv, se pretvori v hrup transformatorja (< 10-4 W). Kljub temu je ta delež velikokrat zadosti velik, da predstavlja neželeno motnjo v okolici. Hrup transformatorja je nizko frekvenčni hrup pri osnovni frekvenci, ki je dvakratnik napajalne frekvence in njenih harmonikih. Je posledica vibracij, ki se med obratovanjem transformatorja prenašajo iz magnetnega jedra in tuljav preko strukture transformatorja in preko olja, dokler ne dosežejo sten kotla transformatorja. Vibrirajoče stene kotla na koncu emitirajo hrup v okolico. Za učinkovito zmanjševanje hrupa pri transformatorjih je potrebno podrobno poznavanje izvorov hrupa in prenosa na okolico. Kolektor Etra v sodelovanju s Fakulteto za strojništvo v Ljubljani in Univerzo v Cardiffu izvaja obsežno raziskavo na področju hrupa transformatorjev. V prvi stopnji so bili izvedeni številni eksperimenti, ki jim je sledil razvoj programskega orodja za napovedovanje hrupa. Glavni izvor hrupa v prostem teku predstavljajo vibracije magnetnega jedra, ki nastanejo zaradi magnetostrikcije. Poznani so številni ukrepi za zmanjšanje hrupa transformatorja, kot na primer vibracijsko izoliranje magnetnega jedra od kotla transformatorja, zmanjšanje gostote magnetnega pretoka v jedru, uporaba magnetne pločevine z majhno magnetostrikcijo, uvedba natančnega zlaganja lamel jedra, uporaba zvočnih panelov in podobno. Za tih transformator je poleg navedenih ukrepov potrebno zagotoviti, da jedro ne obratuje v resonanci ali njeni bližini. Podobno velja za kotel in pokrov transformatorja, kot tudi za vse ostale elemente, ki so pritrjeni na transformator. II. IZVOR HRUPA V PROSTEM TEKU TRANSFORMATORJEV Hrup v prostem teku transformatorja povzroča magnetostrikcija. S tem pojmom označujemo majhne deformacije, ki nastanejo v lamelah magnetnega jedra, ko so izpostavljene magnetnemu polju. Magnetostrikcija je neodvisna od smeri magnetnega pretoka, zato pri transformatorjih z napajalno frekvenco 50 Hz nastopijo deformacije pri dvakratni napajalni frekvenci, to je 100 krat v sekundi. Z večanjem gostote magnetnega pretoka so tudi deformacije večje. Relacija med velikostjo deformacij in gostoto magnetnega pretoka ni linearna, zato deformacije nastopijo ne samo pri osnovni frekvenci 100 Hz, temveč tudi pri njenih harmonikih (200 Hz, 300 Hz, 400 Hz, )[1]. Transformator: Vibroakustični izvor: vibracije magnetnega jedra zaradi magnetostrikcije Slika 1: Poenostavljen vibroakustični model transformatorja v prostem teku [2]. Slika 2: Frekvenčni spekter hrupa tipičnega transformatorja v prostem teku (A-vrednoteno). III. Prenos preko strukture Električna energija JEDRO TRANSFORMATORJA Prenos preko olja Radiacijska površina: stene kotla transformatorja Zvočna energija Jedro transformatorja je sestavljeno iz lamel visoko permeabilne elektro orientirane pločevine. Debeline lamel so večinoma med 0.23 in 0.30 mm. Trdnost in končno obliko jedra zagotavljajo jarmske in stebrne letve, ki jih povezujejo stremena. S ciljem zmanjšanja vzbujanja zaradi magnetostrikcije sta v veljavi običajno dva pristopa [3]:
11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV Laško 2013 - zmanjšanje gostote magnetnega pretoka v magnetnem jedru, kar posledično poveča velikost transformatorja in uporaba magnetne pločevine z visoko stopnjo magnetne orientiranosti in majhno magnetostrikcijo. Za ilustracijo pomembnosti pravilnega izbora elektro pločevine je bil izveden test na transformatorju z močjo 7,5 MVA. Izdelani sta bili dve geometrijsko enaki magnetni jedri, ki sta bili sestavljeni iz različnih elektro pločevin. V enem jedru je bila uporabljena pločevina z večjo magnetostrikcijo, v drugem visoko orientirana pločevina z majhno magnetostrikcijo. Hrup je bil izmerjen pri obeh transformatorjih po standardnem postopku (IEC 60076-10). Test je pokazal, da je bila razlika v ravni zvočnega tlaka okoli 10 db. Slika 3: Magnetostrikcija (»peak to peak«) transformatorske pločevine v odvisnosti od gostote magnetnega pretoka. Pri ustreznem akustičnem načrtovanju magnetnega jedra ni pomembna samo majhna gostota magnetnega pretoka v jedru in uporaba ustrezne elektro pločevine, temveč tudi izogibanje resonancam jedra. Dinamika jedra je, zaradi specifične geometrije in številnih sestavnih delov, zelo bogata, s številnimi resonancami. Slika 5 prikazuje odziv modelnega magnetnega jedra, ki je bilo vzbujano s testnimi navitji. V navedenem primeru je vzbujevalna frekvenca zaradi magnetostrikcije sovpadla z resonančno frekvenco jedra. Zaradi delovanja jedra v resonanci ali njeni bližini je lahko hrup transformatorja bistveno večji. Slika 8 prikazuje zvočno sevanje kotla, ko je vzbujevalna frekvenca zaradi magnetostrikcije sovpadla z lastno frekvenco magnetnega jedra (Slika 8 na desni) in ko sta bili omenjeni frekvenci različni (Slika 8 na levi). V primeru modelnega transformatorja je bila ugotovljena razlika 5 db. Slika 4:. Zvočno holografiranje modelnega magnetnega jedra. Jedro je bilo vzbujano s testnimi navitji. Slika 5:. Odziv modelnega jedra med obratovanjem vzbujanje s testnimi navitji (levo), zvočna holografija modelnega jedra (desno). IV. KOTEL TRANSFORMATORJA Poleg zunanjih izvorov hrupa, kot so na primer hladilni ventilatorji, predstavljajo stene kotla in pokrov transformatorja glavne površine preko katerih se prenaša hrup v okolico. Kotel in pokrov, skupaj z vsemi ojačitvami, dovodnimi in odvodnimi odprtinami, nosilci, predstavljajo iz dinamskega vidika kompleksno strukturo. Analiza vibracij pokaže, da imata kotel in pokrov številne resonance, ki so v frekvenčnem spektru zelo blizu ena do druge. Vsem resonancam se je zato pri obratovanju transformatorja težko izogniti. Za zmanjšanje hrupa je potrebno posvetiti pozornost povečani trdnosti strukture kotla in postavitvi ojačitev na kotlu.
11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV Laško 2013 Slika 8: Zvočna holografija kotla modelnega transformatorja med obratovanjem. Vzbujevalna frekvenca in resonančna frekvenca magnetnega jedra sta sovpadli (desno). Slika 6:. Zvočna holografiranje kotla modelnega transformatorja med obratovanjem. Slika 7 prikazuje odziv kotla modelnega transformatorja, ki vsebuje vsiljene in resonančne komponente nihanja. Z uporabo zvočne holografije lahko ugotovimo, da na mestih, kjer so nihanja največja, je tudi sevanje zvoka največje (Slika 8). Slika 9: Zvočno holografiranje kotla transformatorja med obratovanjem (brez hladilnih reber). V. NUMERIČNI MODEL Če povzamemo, je velikost vibracij magnetnega jedra odvisna predvsem od gostote magnetnega pretoka v jedru, vgrajene magnetne pločevine, geometrije in stisnjenosti jedra ter ostalih pomembnih parametrov. Te vibracije se lahko še ojačijo, če vzbujevalne frekvence jedra sovpadejo z resonančnimi frekvencami kotla in pokrova. Slika 7:. Odziv kotla modelnega transformatorja med obratovanjem. Slika 10: Simulacija porazdelitve gostote magnetnega pretoka v jedru modelnega transformatorja v dveh različnih časovnih zaporedjih. Na podlagi zgoraj omenjenih spoznanj je bil razvit numerični model za napovedovanje vibracij jedra, kotla in pokrova. Verificiran je bil na pomanjšanem
modelu transformatorja, kot tudi na večjem transformatorju. Numerični model vključuje naslednje korake: - porazdelitev tlačnih napetosti po jedru transformatorja, - porazdelitev gostote magnetnega pretoka v jedru transformatorja, - modalne oblike jedra, kotla in pokrova, - odziv jedra zaradi magnetostrikcije in - odziva kotla in pokrova zaradi vibracij jedra. transformatorja je potrebno zagotoviti, da so resonančne frekvence jedra in kotla transformatorja čim dlje od vzbujevalnih frekvenc. Na primeru modelnega transformatorja je bila ugotovljena povečana raven zvočnega tlaka za 5 db, ko je vzbujevalna frekvenca zaradi magnetostrikcije sovpadla z resonančno frekvenco magnetnega jedra. Dobro poznavanje fizikalnega ozadja je osnova za razvoj učinkovitega numeričnega modela za napovedovanje vibracij in hrupa transformatorjev. Numerični model omogoča poleg napovedovanja hrupa tudi akustično optimizacijo, saj je z njim mogoče določiti najustreznejšo elektro pločevino in se izogniti resonancam jedra, kotla in pokrova. REFERENCE [1] Jan Anger, Anders Daneryd. (2009). Noise in Power Transformers Models for Generation, Transmision and Propagation. UK Magnetics Society. [2] Transformers make less noise Information from Areva T&D. (2009). Energize. [3] Ramis S. Girgis, Mats S. Bernesjö, Scott Thomas, Jan Anger, Donald Chu, Harold R. Moore. (2011). Development of Ultra-Low- Noise Transformer Technology. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 26, No.1. Slika 11: Simulacija ene izmed lastnih oblik modelnega magnetnega jedra. Z natančnim numeričnim modelom je možno napovedati vibracije jedra, kotla in pokrova ter predvideti, ali bo katerikoli element med obratovanjem v resonanci, oziroma njeni bližini. V takšnem primeru je možno opraviti določene spremembe pri dizajniranju in se resonancam izogniti še pred začetkom izdelave transformatorja. VI. ZAKLJUČKI Za zmanjšanje hrupnosti transformatorjev, je pomembno, da poznamo vzroke in mehanizme nastanka vibracij in njihovo širjenje po strukturi in olju transformatorjev ter ne nazadnje poznavanje širjenja zvoka od zunanjih sten transformatorja na okolico. Pri preučevanju fizikalnih vzrokov za nastanek in širjenje hrupa je zaželena uporaba sodobnih merilnih tehnik, kot so na primer eksperimentalna in obratovalna modalna analiza ter zvočna holografija. Na hrup transformatorja v prostem teku bistveno vpliva velikost magnetostrikcije, ki jo definira vgrajena magnetna pločevina v jedro transformatorja. Meritve so pokazale razliko 10 db, ko smo primerjali hrup transformatorjev z enakimi jedri in vgrajeno različno magnetno pločevino. Za majhen hrup