Методы уменьшения шума трансформаторов

При установке трансформатора в цехе, жилом помещении или в непосредственной близости к ним необходимо позаботиться, чтобы он не стал нетерпимым источником шума. Нужно исследовать, каков допустимый акустический уровень для каждого места, и принять необходимые меры для его поддержания в предусмотренных пределах. Данные относительно допустимых максимальных пределов зависят от места установки трансформатора (жилое помещение, полупромышленная или промышленная зона), величины фонового шума, спектра излучаемого шума и длительности излучения.
Трансформаторы непрерывно излучают шум, в котором преобладают низкие частоты и спектр которого немного изменяется со временем.
Для того чтобы дать более ясную картину для трансформаторов, уровень шума которых соответствует нормам NEMA, достаточно сказать, что трансформатор мощностью 500 кВ • А должен быть расположен на расстоянии не менее 12 м для обеспечения нормального уровня шума в камере с открытым окном, в то время как трансформатор мощностью 60 MB • А должен быть расположен на расстоянии не менее 200 м.

Рис. 1. Изменение относительной стоимости трансформатора в функции уровня шума.
Чтобы избежать вредного влияния шума, рекомендуется по линии ИСО, чтобы в жилом помещении уровень ночного шума для обеспечения оптимального состояния тишины не превышал 25 дБ (А), предпочтительно уменьшить его до 20 дБ (А).
Размещение трансформатора па соответствующем расстоянии для обеспечения приемлемого уровня шума не всегда возможно, поэтому требуется применение соответствующих методов уменьшения шума трансформаторов.
Уменьшение шума трансформаторов достигается либо воздействием непосредственно на источники, либо заглушением различными способами произведенного шума.
Для подавления шума, вызванного магнитострикцией, до сего времени существует только один верный, но очень дорогостоящий путь, а именно уменьшение индукции в стержнях и ярмах. Опыт показал, что для уменьшения на 10 дБ уровня шума трансформатора, выполненного из горячекатаной стали, требуется уменьшить индукцию от 13,5 до 0,95 Т. Это приводит к увеличению средней стоимости трансформатора на 20%. Чем меньше уровень шума трансформатора, тем больше стоит дальнейшее уменьшение его шума. Например, при уменьшении уровня шума на 6 дБ стоимость трансформатора возрастает на 9%, если начальный уровень был 60 дБ, и только на 3%, если его уровень был 80 дБ. На рис.  показано относительное уменьшение индукции, а на рис.  1 показана зависимость относительной стоимости трансформаторов от их уровней шума .
Вообще, путем уменьшения индукции не всегда можно получить значительное уменьшение уровня шума, так как требуется увеличение сечения стержня, что приводит к увеличению поверхности, излучающей шум.
В магнитопроводах, выполненных из горячекатаной стали, как было показано, вибрации, вызванные явлением магнитострикции, намного богаче гармониками. Для уменьшения магнитного шума трансформаторов с таким сердечником было предложено ввести от вспомогательного источника гармоники в напряжение питания с целью уничтожения явления магнитострикции. Необходимое напряжение может быть получено от синхронного вращающегося преобразователя или от фазовращателя. Как недостаток этого способа считается появление в линейном напряжении соответствующих гармоник, а также необходимость дополнительных установок для практического осуществления этого решения.
Уменьшение, или даже исключение, источников шума, возникающих в стыках вследствие действия магнитных сил, может быть достигнуто путем использования только однородных листов, имеющих одинаковые магнитные и механические свойства; сталь должна иметь одинаковую толщину по всей своей плоскости, чтобы не было волнистости или других деформаций, включая деформации, происходящие при транспортировке и во время производственного процесса. Поэтому должно уделяться особое внимание качеству сборки и стягивания магнитопровода во избежание перехода магнитного потока от одного листа к другому, что вызывает периодические магнитные силы, генерирующие шум. Поэтому не должны оставаться свободными концы листов или нестянутые части. В табл.  1 приведены результаты исследований влияния соединений и стягивания листов магнитопровода на шум сердечника трансформатора. Исследования были выполнены на магнитопроводе из горячекатаной стали с содержанием 4% кремния при индукции 1,3 Т и частоте 50 Гц.

Таблица 1

* Магнитопроводы: 1—тороидальный 0 233/380, высотой 50 мм; 2—однофазного трансформатора 10 кВ-А; 3 — трехфазного трансформатора 10 кВ-А.
Необходимо учитывать, что при стягивании пакета с усилием, превышающим предписанные пределы, возможно появление резонанса деталей при более высоких частотах, на которые ухо очень чувствительно. Испытания показали, что при слабой стяжке повышенный уровень шума находится в области низких частот, а при более сильной стяжке — в области более высоких частот .

Рис. 2. Эскиз размещения звукопоглощающих барьеров внутри бака трансформатора.
1 — бак; 2 — выемная часть; 3 — звукопоглощающий барьер; 4 — амортизаторы; 5 — уровень масла.

Наклонное соединение листов из тестированной холоднокатаной стали дало удовлетворительные результаты в части уменьшения потерь и особенно в части уменьшения магнитного шума. При наклонном соединении сердечник не должен быть жестким с соответствующей общей собственной (частотой, а ярм о и стержни имеют различные собственные частоты, которые часто находятся выше частот, вызванных явлением магнитострикции .
Значительное (уменьшение шума трансформаторов (получено (путем установки выемной части на упругие прокладки, которые не передают вибрации сердечника баку. Почти половина мощности шума  передается от магнитопровода через масло,
а другая половина через дно бака. Поэтому если даже полностью устранить один из путей передачи шума, то уровень шума трансформатора уменьшится не более чем на 3 дБ.
Эксперименты, выполненные на трансформаторах 60 и 400 кВ • А, показали, что прокладки, на которых (устанавливалась выемная часть трансформатора, приводили к уменьшению уровня шума на 4—5 дБ, но если использовались звукопоглощающие перегородки внутри бака, то уровень шума уменьшался на 24—35 дБ практически без ухудшения охлаждения трансформатора . На рис. 2  показан способ уменьшения шума трансформатора путем установки внутри бака звукопоглощающих перегородок и установки выемной части на упругие прокладки. Звукопоглощающие перегородки могут быть с двойными стенками, а  пространство между мим и заполнено каким-либо инертным газом.

Рис. 3. Эквивалентная схема упругого экрана, расположенного в масле между активной частью и баком трансформатора. а — механическая схема; б — электрическая схема.

Эту систему уменьшения шума можно моделировать, ее эквивалентные схемы — механическая и электрическая — представлены на рис. 3. В этих схемах я— упругая постоянная пружины, моделирующей экран, т — масса бака и масла вне экрана, х\ и Хг— смещения двух точек экрана и F — периодическая сила, генерирующая колебания экрана. Силе F из эквивалентной механической схемы соответствует в эквивалентной схеме ток /, а скорости вибрации х соответствует напряжение и. Таким же образом индуктивность L соответствует Ijk, а емкость С массе т. Резонансная /пульсация  этой системы имеет значение, определяемое формулой: отношение скорости вибрации на входе к скорости вибрации на выходе этой системы равно коэффициенту передачи, а изменение максимального коэффициента передачи в функции коэффициента относительной амортизации.   Если масса не дана, то этот результат может быть получен воздействием на параметр \k, который прямо пропорционален модулю упругости и обратно пропорционален толщине экрана.

Рис. 4. Ослабление шума в функции частоты, достигнутое при помощи экрана из синтетического каучука и расположенного между активной частью и баком трансформатора.
1 и 2 — результаты, полученные при помощи трубки Кундта; 3— результаты, полученные при прямых измерениях на трансформаторе.
На рис. 4  показаны ослабления, полученные вследствие принятых мер на трансформаторе, предусмотренном экранами из синтетического каучука, по сравнению с полученными результатами для участка экрана, моделированного  в трубе Кундта.
Отрицательные значения ослабления соответствуют практически усилению шума.
На рис.  5  показана принципиальная схема моделирования акустического экрана при помощи трубки Кундта. Напоминаем, что трубка Кундта — это устройство, используемое ib акустике, позволяющее создавать плоские волны внутри трубы, внутренний диаметр которой должен быть меньше половины измеренной волны. В зависимости от формы закрывающей пробки можно получить как распространяющиеся, так и стоячие волны.
Кроме систем глушения шума путем введения звукопоглощающих преград, для трансформаторов малой мощности (были сделаны некоторые конструктивные предложения, основанные на использовании гексафторида серы в качестве хладоагента. У таких трансформаторов бак выполняет функцию звукопоглощающего кожуха, а упомянутый газ обладает звукопоглощающими свойствами и поэтому, не может возникнуть явление резонанса вследствие накопления акустической энергии.
Несмотря на то что такие трансформаторы давно изобретены, до сего времени их не изготовляли большими сериями, но они, однако, оставались в поле зрения конструкторов и исследователей.   
Средства уменьшения источников шума трансформаторов немногочисленны и имеют большую эффективность, но они очень дороги. Поэтому ставится задача уменьшения шума трансформаторов внешними средствами, как, например, соответствующим монтажом во избежание резонанса бака с звукоизолированным помещением, акустическими препятствиями и акустической компенсацией созданных шумов.

Рис. 5. Моделирование акустических экранов при помощи трубки Кундта.
1 — источник вибрации; 2 — упругий экран; 3 — стенка из жести; 4— звукопоглощающая пробка для устранения отражений; 5 — масло.

Правильный монтаж трансформаторов выполняется на амортизаторах во избежание резонанса конструкции, на которой выполнен монтаж. Качество амортизации оценивается при помощи отношения частоты раздражающего звука f к частоте собственных колебаний /0 конструкции или одного ее элемента. Например, при отношении /У/о = 2 получается ослабление звука, передаваемого через (конструкцию, на 6,5 дБ; при значении отношения 3 — уменьшение звука на 14 дБ; при значении 5—уменьшение на 20 дБ.
Для (получения удовлетворительных результатов частота собственных колебаний трансформатора с упругими амортизаторами не должна превосходить половины и трети частоты первой гармоники Ш1ума. Для амортизации трансформаторов применяется специальный синтетический каучук с допустимым давлением от 3,5 до 7кгс/ом2.
Можно осуществлять амортизаторы из стальных рессор, а также использовать комбинацию сталь — каучук.
Трансформатор не должен иметь жестких соединений с поверхностями, могущими излучать шум. Необходимо уделить особое внимание радиаторам и трубопроводам между трансформатором и радиатором, как и шинопроводам, с тем чтобы они не входили в резонанс. Повышение уровня шума смонтированных трансформаторов может быть вызвано резонансом любой части трансформатора.
Одним из наиболее эффективных и иногда наиболее дешевых способов уменьшения шума трансформаторов является звукоизолирующий стальной кожух, охватывающий бак трансформатора. В результате получается бак с двойными стенками, промежуток между которыми можно заполнить звукопоглощающим материалом.
Радиаторы и охлаждающие устройства, находящиеся вне бака, соединены с баком трансформатора при помощи упругих элементов. Кожух имеет только упругие соединения с баком трансформатора с целью предотвращения прямой передачи вибраций. Устройства для подъема и транспортировки, устройство регулирования напряжения, как и другие принадлежности, остаются на баке трансформатора, а в кожухе предусмотрены отверстия для доступа к ним. Кожух не закрывает выводов, а указатель уровня масла устанавливается снаружи изолирующего кожуха. Опыт показал, что сборку кожухов следует производить для трансформаторов до 50 MB-А на заводе, а для трансформаторов большей мощности — на месте монтажа. Все гибкие связи с каркасом изготовляются на заводе, а на месте установки монтируются кожух в целом и система охлаждения, таким образом, наличие кожуха усложняет монтаж трансформатора.
Изучение таких кожухов было выполнено фирмой General Electric в заглушенной камере больших размеров. Для измерения шума трансформатора без кожуха микрофон находился на стандартном расстоянии 0,3 м от кожуха, то же положение сохранялось после устранения кожуха, т. е. добавлялось 0,3 м — расстояние между баком и кожухом. Во время измерений были установлены и все охлаждающие устройства. Измерения и спектры шума были выполнены для различных значений напряжений, заключенных между 60 и 100%. Часть результатов для трансформатора 10 MB-А, 65/15 кВ приведены в табл. 1.
Таблица  1

Как видно, уровень шума определяется в первую очередь первой и второй гармониками (120 и 240 Гц, частота напряжения питания равна 60 Гц).
В 1958 г. эта же фирма установила в Нью-Йорке пять трансформаторов по 70 MB • А с акустически изолирующими кожухами. Уровень шума этих трансформаторов был уменьшен таким способом до 50 дБ.
Этот же способ был применен и другими фирмами, в частности фирмой Siemens. На рис. 6  показан эскиз способа установки звукоизолирующих стенок у недавно выполненных однофазных трансформаторов 333 MB • А, 220/400 кВ. Монтаж звукопоглощающих стен производится на месте установки трансформатора, стены охватывают бак, а также охлаждающие трансформатор батареи.
Форсированное охлаждение обеспечено путем циркуляции масла и обдува батарей Если шум насоса пренебрежимо мал по сравнению с магнитным шумом трансформатора, то шум вентиляторов составляет такую большую долю, что им нельзя (пренебрегать. Используемые четыре вентилятора имеют частоту вращения 950 об/мин и каждый обеспечивает расход 4 М3/с.  

Рис. 6. Схема размещения звукопоглощающих стен у однофазного трансформатора 333 MB • А, 400/220 кВ, построенного фирмой Siemens.
1 — проходной изолятор 400 кВ; 2 — вход воздуха; 3 —проходной изолятор 220 кВ; 4 — стенки для ослабления шума; 5 — доступ к пульту управления;  6 — выход воздуха; 7 — вентилятор; 8 — стенка для ослабления шума с звукопоглощающей обшивкой; 9 — охладители.

Измерения, выполненные на таком трансформаторе соответственно VDE, показали, что при использовании звукоизолирующих стен получено ослабление на 12 дБ (А), когда вентиляторы не работали, и на 16 дБ (А) при работающих вентиляторах.
Такие ослабления были получены в обоих (случаях на расстоянии 5 м от излучающей поверхности трансформатора. На рис. 7  показано изменение уровня шума в функции расстояния от трансформатора, а на рис. 8 — спектры шума для указанных случаев, т. е. со звукоизолирующими стенами и без них. Эти рисунки дают ясное представление о звукоизоляционных свойствах стенок и определении области, возмущенной шумом.
Фирма Siemens осуществила некоторые системы ослабления шума трансформаторов, но с меньшей эффективностью.

Рис.  7. Ослабление шума в функции расстояния от трансформатора, из рис. 6.
а — без звукопоглощающих стен; б — со звукопоглощающими стенами.

На стены бака были наложены резиновые амортизаторы, согласованные для частот 100, 200 и 300 Гц (рис. 9), после чего были применены звукоизолирующие стенки только с боковых сторон трансформатора, (без охвата охлаждающих батарей. На рис. 10 показаны различные этапы монтажа системы уменьшения шума трансформатора 30 MB • А.
Ори монтаже трансформатора в больших свободных пространствах ослабление шума в определенных направлениях осуществляется ори помощи акустических экранов. Изучение акустических экранов было выполнено в заглушенной камере фирмы General Electric на уменьшенных моделях, что дало возможность исследовать значительное число вариантов путем измерений во многих точках вокруг трансформатора. Эксперименты были выполнены для трансформаторов мощностью от ,1,5 до 125 MB • А при масштабе 1 7. Поэтому напряжение питания имело частоту 7 60 = 420 Гц, а основная гармоника шума 840 Гц.

Рис. 8. Спектры шума трансформатора на расстояния 5 м от излучающей поверхности.
а — без звукопоглощающих стен; б — со звукопоглощающими стенами.

Рис. 9 . Принципиальная схема решения, принятого фирмой Siemens для уменьшения шума.
1 — магнитная цепь; 2 — бак; 3 — звукопоглощающий барьер; 4 — амортизаторы шума для определенных частот; 5 — радиаторы; 6 — вентиляторы; 7 — амортизаторы для выемной части.
Результаты измерений почти не отличаются от теоретических данных для экранов (ограждений) типов L и U. При ограждении четырьмя стенами получается очень большое несоответствие, так как не учитывается возрастание шума внутри ограждения.
На основании этих экспериментов были установлены общие правила для акустического экранирования трансформаторов. Так, для выбора высоты акустических экранов на рис. 11  дана диаграмма, на которой показана зависимость между необходимым размером высоты стены, измеренным от центра трансформатора, / расстоянием гi между центром бака и экраном для различных значений ослаблений, дополняющая, таким образом.
Выбор числа акустических экранов (стен) диктуется конкретными условиями на месте монтажа. Ограждение вида/ L, образованное двумя экранами, уменьшает шум в пределах угла ISO0, а вида U — угла 180°.

Рис. 10. Передвижной трехфазный трансформатор, построенный фирмой Siemens, с пониженным уровнем шума.
а — без звукопоглощающих барьеров (видны глушители шума, настроенные на определенные частоты); б — после монтажа звукопоглощающих барьеров; в — полностью смонтированный трансформатор.

Рис. 11. Выбор высоты экрана в функции его расстояния от центра бака и желаемого ослабления.
1 — бак трансформатора; 2 — экран; 3 — точка, в которой производится измерение.
шума во всех направлениях. Для уменьшения дифракции вверху рекомендуется выполнять экраны такого вида, как показано на рис. 12.

Рис. 12. Схема конструкций в случае ограждения четырьмя стенами (экранами).
1 — трансформатор; 2 — кирпичные стены: 3— потолок, не полностью закрывающий трансформатор; 4 — звукопоглощающая стенка.

Экранирование одной стеной почти ,не используется из-за дифракции на краях экрана.
Самое эффективное средство уменьшения шума трансформаторов— это полностью закрытая камера с массивными стенами. Такие камеры могут уменьшить шум на 30—40 дБ, но представляют большие трудности при проектировании и -осуществлении, так как ставится задача исключения потерь в трансформаторах, поглощения стенами помещения звуков и соответствующего выполнения дверей.
Задача поглощения акустической энергии внутри камеры, где проанализированы звукоизолирующие полностью  закрытые кожухи. И в этом случае в зависимости от величины постоянной поглощения помещения действительны все три возможности, даваемые формулой.
На рис.  13 представлены эскизы таких звукоизолирующих ячеек тяжелого и легкого типов. В случае тяжелого типа (рис. 13,а) трансформатор монтируется в камере с соблюдением изоляционных расстояний от частей, находящихся под напряжением, до стен и потолка камеры; имеются часто дополнительные проходные изоляторы. Стоимость такой камеры достигает 20—25% стоимости трансформатора.

Рис. 13. Эскизы камер (ячеек) для акустической изоляции трансформаторов.
а — камера тяжелого типа; б — камера упрощенного типа; в — камера тяжелого типа, но с прямой связью кабеля на выводы трансформатора; 1 — стены камеры; 2 — бак трансформатора; 3 —- упругие прокладки; 4 — упругие связи для труб; 5 — проходные изоляторы; 6 — труба для выхода воздуха; 7 — радиаторы; 8 — демонтируемые бетонные блоки для крыши; 9 — кабели.

Камера упрощенного типа (рис. 13,6 и в) в 6—8 раз дешевле, но ослабление уменьшается на 15—20 дБ. В этих случаях высота камеры немного больше высоты бака, а вводы проходят через легко разбираемый потолок камеры. Конструкция камер тяжелого типа намного упрощается, если кабель высокого напряжения присоединить прямо к трансформатору (рис. 13,в).
Установки охлаждения можно разместить как снаружи, так и внутри камеры. Если система охлаждения смонтирована снаружи, то все трубы и другие связи должны быть достаточно гибкими и должны быть приняты как можно более строгие меры для ограждения передачи вибраций. Используемые насосы и вентиляторы должны быть выбраны с виброакустической точки зрения и должны быть соответствующим образом смонтированы.

1 Толщина используемых стальных листов равна 1 мм, а вес 1 м2 полностью смонтированной панели — около 70 кг.
Если установки охлаждения смонтированы внутри, то в вентиляционных каналах необходима акустическая изоляция для всей гаммы слышимых частот. Как было показано в § 3-6, поглощение шума в вентиляционных каналах легче всего осуществляется при помощи акустических фильтров, настроенных либо на дискретные частоты, либо на полосы частот.
Выполнение стен  с низким коэффициентом акустической передачи не представляет больших трудностей. Они могут быть изготовлены из бетона, кирпича, стального листа или дерева,   где были рассмотрены основные конструкции заглушенных камер.
Как и в случае заглушенных камер, доступ к трансформатору ставит серьезные задачи для соответствующей звукоизоляции. По мнению специалистов  рационально реализовать ячейки с демонтируемыми стенами.
В табл. 2  приводится стоимость осуществления доступа в помещение. Для сравнения взята стоимость кирпичной стены.
Проблемы, касающиеся акустически изолированных помещений, широко обсуждались на CIGRE, где и проблема шума трансформатора начала за последнее время получать все большее значение. Доклады CIGRE, упомянутые выше и учитывающие опыт в области эксплуатации многочисленных акустически изолированных камер, легли в основу теории уменьшения шума, которая была положена в основу практических указаний, данных выше.
В специальной литературе указывается еще метод уменьшения шума трансформаторов  путем акустической компенсации, основанной на интерференции звуковых волн. Вблизи трансформатора устанавливаются источники излучения звука (диффузоры). Они питаются напряжением, содержащим частоту гармоник, которые преобладают в шуме трансформаторов. Расположение диффузоров, амплитуда и фаза каждой гармоники регулируются отдельно в функции спектра шума, чтобы звуки, излучаемые компенсатором, были в желаемой точке в противофазе со звуками трансформатора. Исследования, выполненные на малых моделях в акустических лабораториях и на трансформаторах в натуральную величину, дали положительные результаты. Получено таким способом уменьшение шума на 20 дБ в определенной точке и на 6 дБ в пределах угла 35° для каждого диффузора. Однако для введения этих методов, видимо, необходимо разработать специальную аппаратуру для автоматического регулирования компенсации с учетом изменения шума трансформатора в функции напряжения, нагрузки или других факторов.
Представляют интерес опыты, выполненные фирмой Siemens— Schuckert  с целью компенсации шума без специальной аппаратуры. На стенах бака закрепляются стальные диски, частота собственных колебаний которых немного меньше частоты главной гармоники шума, например 95 Гц при основной гармонике 100 Гц. Колебания дисков сдвинуты по фазе относительно колебаний стержня, при помощи которого они крепятся к баку, на 180°, при этом звук, излученный диском, компенсирует первую гармонику, что может привести к снижению шума на 10 дБ. Но в более поздней работе этого же автора  указанный способ не упоминается.
В заключение можно сказать, что методы уменьшения шума трансформаторов относительно надежны, но в то же время дорогостоящи и их применение требует предварительного технико-экономического расчета. При серийном производстве трансформаторов нельзя ставить задачу уменьшения шума при помощи электромагнитного расчета размеров, так как не во всех местах монтажа соответствующих трансформаторов имеются одинаковые ограничения уровня шума. Во всех случаях требуется строгое соблюдение технологических процессов, проверенных с точки зрения обеспечения уменьшенного уровня шума.
Для больших или малых единиц, но смонтированных в жилых районах, задача уменьшения шума носит очень острый характер, что требует применения наиболее эффективных с технической и экономической точек зрения методов из числа описанных в настоящей работе.