Методы измерения и анализа шума трансформаторов

Методы анализа шума трансформаторов, как и электрических вращающихся машин, сложны и можно только указать направления, основанные на знании источников шума.
Оценка шума трансформаторов производится с помощью уровня звукового давления.
В последнее время рассматривается вопрос введения в нормы уровня звуковой мощности вместо уровня звукового давления, зависящего не только от источника, но и от расстояния и от положения в пространстве, т. е. характерного только для определенного места измерения. Уровень звуковой мощности, напротив, является полной характеристикой источника шума, и по его зависимости от частоты возможна оценка уровня звукового давления для любого положения в пространстве и для любого удаления.
Измерения шума трансформаторов должны производиться в свободном поле, которое очень трудно осуществить, учитывая также условие, чтобы уровень шумового фона был не меньше чем на 8 дБ ниже уровня шума при работе трансформатора. Эти условия удовлетворяются с избытком в заглушенных камерах, построенных специально с этой целью.

Рис. 1. Расположение точек измерения вокруг трансформатора по американской норме.

1 — главный кран для слива масла; 2 — опорная поверхность для точек измерения; 3 — точки измерения; 4 — радиаторы с усиленным воздушным обдувом; 5 — вентиляторы; 6 — бак трансформатора.

Однако, когда измерения производятся не в заглушенных камерах и фоновый шум превзойден при работе трансформатора в точке, в которой производятся измерения,  не меньше чем па 4 дБ, можно учитывать результаты, внося соответствующие коррективы.
Что касается использования заглушенных камер, которые при измерении уровня шума трансформаторов имеют значительные размеры в особенности для больших трансформаторов, то существует мнение, что метод не оправдан с экономической точки зрения. Это подтверждается результатами, полученными в настоящее время некоторыми фирмами, которые не использовали такие камеры.
В этом смысле рекомендуется проводить измерения в более спокойные часы, например ночью, используя передвижные стены, специально сконструированные для этой цели. Этот способ считается эффективным, так как облегчает измерения шума на заводах путем подавления отражений от стен или от предметов, находящихся в испытательном цехе. Используемые стены должны иметь размеры около 4X4 м и должны быть установлены с той стороны, с которой делаются измерения. Во время измерений необходимо, чтобы вибрации не
Передавались от трансформатора полу,  а возможные акустические отражающие поверхности находились па расстоянии не менее 3 м от точек, в которых производятся измерения.
Главной поверхностью трансформатора, излучающей шум, считается вертикальная, как это показано на рис. 1. При этом в поверхность не включаются патрубки, краны, индикаторы уровня масла, термометры и т. д.
Положения микрофона относительно трансформатора показаны на рис. 1. Расстояние между точками измерения в плане берется по американской норме  равным 0,9 м. Количество точек рекомендуется не меньше четырех, а расстояние от главной поверхности излучения до микрофона равно 0,3 м и в случае форсированного охлаждения воздухом 1,8 м.
Расположение точек по вертикали равно половине высоты бака, если она не превышает 2,5 м. Если высота бака больше 2,5 м, то точки измерения располагаются в плане на 1/3 и 2/3 от высоты бака.
Нормы VDE  предусматривают, чтобы точки измерения находились на половине высоты бака и на расстоянии 1 м от излучающей поверхности трансформатора. Если мощность трансформатора превышает 1,6 MB-А, расстояние до точек измерения возрастает до 3 м или до 5 м при мощности больше 60 MB • А.
У трансформаторов мощностью до 1,6 MB-А используют четыре точки измерения, расположенные перед стенками бака. У трансформаторов мощностью свыше 1 MB-А следует брать восемь точек — по две с каждой стороны.

У трансформаторов с принудительным воздушным охлаждением измерения должны выполняться при тех же условиях, первый раз при работающем вентиляторе, а второй раз — при отключенном. После этого производится спектральный анализ шума в точке, расположенной на указанном выше расстоянии, но по направлению, перпендикулярному к боковой поверхности трансформатора.
При каждом измерении необходимо проверять, что микрофон не находится в узле стоячей волны. Это осуществляется путем прослеживания изменения уровня звука, который при небольших смещениях микрофона вокруг точки измерения также должен измеряться очень мало.
Расположение измерительных точек по TGL 200-1584 (Германия)  производится, как и для вращающихся машин, т. е. на поверхности сферы радиуса г с центром в центре опорной базы трансформатора. Таким образом, созданы предпосылки для расчета звуковой мощности, которая лучше характеризует источник шума.
Уровень шума трансформатора определяется как среднее из всех измеренных вокруг трансформатора значений.
Сравнение звуковых уровней, полученных при измерениях с корректирующими фильтрами А, В и С шумомеров, требует, чтобы указывался фильтр, с которым производилось измерение, для того чтобы иметь критерий для сравнения результатов.
Корректирующий фильтр А, применяемый при всех методах измерения шума электрических вращающихся машин, не всегда используется при измерении шума трансформаторов. Но, как следует из специальной литературы, наблюдается очевидная тенденция к использованию только корректирующего фильтра А, при помощи которого оценка получается ближе к звуковому ощущению. Чтобы можно было показать разницу между результатами, получаемыми в случае измерения неуравновешенного значения с фильтром Сив случае, когда корректировка происходит при использовании фильтра
Т а б л и ц а  1

Примечание. Значения округлены до целого числа-
А, в табл. 1 приведен спектр шума, рассчитанного для сердечника трансформатора, а также и измеренный спектр шума этого же сердечника, находящегося в собранном трансформаторе.
В США на основе существующей практики были введены нормы максимально допустимого уровня шума сухих и масляных трансформаторов. Не был нормирован уровень шума печных трансформаторов, выпрямительных и других специальных трансформаторов.
Другие страны, за исключением США, не считают возможным гарантировать уровень шума трансформаторов и воздерживаются от принятия любых норм, пока не будут выполнены полные измерения конструируемых новых серий трансформаторов.
Таблица 2

Обозначения систем охлаждения:
1—охлаждение масляное, естественное; маслом и водой; водой и принудительная циркуляция масла; 2 — принудительное воздушное охлаждение для увеличения мощности на 33% 3 — принудительное воздушное охлаждение и принудительная циркуляция масла с целью увеличения мощности трансформатора от 33 до 67%.

Максимально допустимые уровни для шума трансформаторов, стандартизованые в Германии, не имеют экспериментальной основы и создают большие скачки между тремя классами шума 61 дБ для 0,6—10 MB-А; 70 дБ для 10—40 MB - А и 80 дБ для 40—100 MB-А. Поэтому имеются предложения изменить как методы измерения и оценки шума, так и современные пределы шума.
В табл. 5-2 приведена выдержка максимально допустимых значений уровня шума для силовых трансформаторов из американских норм NEMA. Значения в таблице даны в функции эквивалентной мощности 5 масляного трансформатора, отнесенной к режиму с двумя обмотками, для различных систем охлаждения и импульсных испытательных напряжений. Эквивалентная мощность определяется как полусумма мощностей всех обмоток трансформатора. Считается, что трансформаторы имеют изоляцию класса А.
Необходимо помнить, что по американским нормам максимальное импульсное испытательное напряжение 360 кВ соответствует максимальному рабочему напряжению 69 кВ, 450—650 кВ соответствует 92— 138 кВ, а 750 кВ и больше соответствуют рабочему напряжению 161 кВ и более.
Из анализа табл. 5-2 следует, что при малых мощностях основной шум вентиляторный, а при больших преобладает магнитный.
У сухих трансформаторов с естественным воздушным охлаждением допустимый уровень шума в функции мощности приведен в табл. 3.
Т а б л и ц а 3

Для сухих трансформаторов с принудительным воздушным охлаждением допустимый уровень шума на 3—4 дБ больше. Так как сухие трансформаторы часто используются в жилых помещениях или предприятиях, то в этом случае задача подавления шума имеет большое значение.
Для промежуточных значений мощностей трансформаторов допустимым уровнем шума считается ближайший больший.
Задачи, связанные с распределением электрической энергии в районах большого потребления и на заводах, требуют в первую очередь установления методов измерения и допустимых уровней шума.
Небольшие трансформаторостроительные заводы не выполняют измерений и исследований в этой области и зависят от больших фирм, особенно американских, которыми были предприняты исследования в этой области.
За последнее время и в Европе начали выполнять систематические измерения, которые могут привести к осуществлению улучшенных трансформаторов и получению соответствующих норм допустимых уровней шума.
Как следует из табл. 1, между рассчитанными и измеренными во время работы трансформатора величинами имеются достаточно большие различия, поэтому необходимо произвести анализ шума с тем, чтобы определить распределение акустических уровней по частотам.

Приводятся некоторые данные спектрального состава шума некоторых трансформаторов на частоты 60 (табл. 4) и 50 Гц (табл. 5).
Для исследования причин, вызывающих шум, иногда можно использовать спектр вибраций стенок бака, имея в виду формулу, которая показывает, что скорость вибраций пропорциональна давлению, излучаемому этой поверхностью.
Важной задачей при изучении трансформаторов является изучение на моделях шума, относительно которого имеется мало данных. Моделирование, больше применялось для изучения помещения, в котором монтировался трансформатор, с целью ослабления шума, произведенного трансформатором во время работы.
Для трансформатора, смонтированного снаружи, необходимо учитывать, как и для всех акустических источников, две характеристики: изменение акустического уровня в функции расстояния и тенденции в распределении (по частотам) излученного звука.
4

Эти две величины связаны между собой, но формула, выражающая эту связь, очень сложна, когда кривые распределения имеют неправильный вид, как в случае трансформатора. В первом приближении трансформатор можно считать сферическим источником (по крайней мере для низкочастотных составляющих) и, следовательно, звуковое давление изменяется обратно пропорционально расстоянию от рассматриваемой точки до центра трансформатора. Другими словами, удвоение расстояния приводит к уменьшению акустического уровня на 6 дБ. Если трансформатор имеет большие размеры, то его можно отнести к цилиндрическим источникам п вблизи него ослабление будет равно 3 дБ для каждого удвоения расстояния. Таким образом, закон изменения ослабления с расстоянием объединяет две кривые: одну для непосредственной близости с ослаблением 3 дБ и другую для более отдаленных точек с ослаблением 5 дБ при удвоении расстояния (рис. 2). Обычно уровень шума на расстоянии, примерно равном сумме трех линейных размеров трансформатора — длины, высоты и ширины, приблизительно на 12 дБ меньше, чем на расстоянии 0,3 м от поверхности бака.

Таблица 5-5

Рис. 2. Ослабление уровня шума с расстоянием относительно акустически излучаемой поверхности трансформатора.
Ь — видимая ширина; h — высота трансформатора.
Выходит, что размещение точек измерения в свободном поле следует производить на таком расстоянии, которое обеспечивает измерение в однородном поле и возможность пересчета уровня звукового давления на другое расстояние от трансформатора. Расстояния, предусмотренные нормами NEMA, не отвечают этим требованиям, а нормы VDE намного более подходят для этой цели. В случае сравнения шума трансформатора с уровнем звуковой мощности задача размещения точек измерения остается открытой.
Несмотря на то что трансформатор принято считать ненаправленным акустическим источником, практика показала, что трансформаторы являются сильно направленными акустическими источниками. Если у электрических машин направленность шума является следствием в основном вентиляционного шума, то у трансформаторов направленность больше выражена с боковых частей бака. На рис. 3 показаны диаграммы направленности трех трансформаторов 160 кВ-А, 300/230 В с масляным охлаждением и размерами 0,95X0,36X1,02 м. Измерения производились в заглушенной камере с внутренними размерами 9 Х 10Х7 м, расстояние между излучателем и микрофоном равнялось 30 см.
Фактор направленности рассчитывается при помощи формулы (4-94), так же как у электрических машин со сферическим излучением шума.
Следует учесть, что как направленность, так и средний уровень шума изменяются от одного трансформатора к другому, если даже они выполнены на одном предприятии и в одной партии.
Таким образом, у партии из 20 трансформаторов мощностью 160 кВ • А и на напряжение 5 300/380 В с масляным охлаждением   средние уровни шума находятся между 40,9 и 45,7 дБ, а максимальные уровни между 43 и 48 дБ.

Для определения на расстоянии г уровня шума нормального трехфазного трансформатора по американским нормам можно использовать номограмму, приведенную на рис. 5-21 . Для регулируемых под нагрузкой трансформаторов полученную величину нужно увеличивать на 1 дБ.

Рис. 3. Диаграмма направленности шума трех трансформаторов 160 кВ • А, 5 300/230 В.
Как пользоваться номограммой, ясно из примера, разобранного на рис. 4  для трансформатора 5 MB-А, 13,8 кВ с уровнем шума 67 дБ па расстоянии 0,3 м. Проводится первая прямая, соединяющая точку 5 MB -АХ 13,8 кВ = 69 MB • А Х кВ на первой линии с 67 дБ на второй линии нормального уровня шума, и от точки пересечения этой прямой через точку расстояния г с опорной линией проводится вторая прямая, по которой определяют уровень шума.
Например, при г—30 м точка пересечения второй прямой с правой шкалой дает искомый уровень шума /-2=41,7 дБ.
Если уровень шума трансформатора превосходит допустимый, то необходимо принимать меры для уменьшения шума.

Рис. 4. Номограмма для определения изменения уровня шума с расстоянием для трансформатора, смонтированного на открытом месте.
5 — полная эквивалентная мощность, MB • A; U — высокое напряжение, кВ; г — расстояние от центра трансформатора в сравниваемой точке, м;
— стандартный уровень шума, дБ; L2 — уровень шума на. расстоянии г, дБ.

Следует учесть, что по всем вопросам, связанным со способами измерения и анализа шума трансформатора, так же как и относящихся к допустимым уровням шума, появляется все больше специальной литературы.