CC BY
66Соснина Е. Н., канд. техн. наук, доц. Маслеева О. В., канд. техн. наук, доц. Бедретдинов Р. Ш., аспирант Липужин И. А., магистрант Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ШУМОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ*
sosnina@nntu.nnov.ru
Дана экологическая оценка шума, создаваемого энергетическим оборудованием трансформаторных подстанций. Рассмотрены источники шума в трансформаторах. Проведены расчеты уровня шума проектируемой для технического университета трансформаторной подстанции (ТП) классом напряжения 10/0,4 кВ с тремя сухими трансформаторами: мощностью 400 кВА (2 шт.) и 1000 кВА (1 шт.). Расчеты показали, что шум, создаваемый ТП, будет ниже допустимого для территории, непосредственно прилегающей к университету. Поэтому специальных мероприятий по снижению шума не требуется.
Ключевые слова: сухой трансформатор, трансформаторная подстанция, шум.
Силовые трансформаторы подстанций являются основными элементами электрической сети и служат для преобразования электроэнергии одного напряжения в другое, связи между отдельными участками сети, регулирования напряжения и перетоков мощности. При эксплуатации силовых трансформаторов возможно негативное воздействие на окружающую среду, а именно: происходит отчуждение территории, на которой строится подстанция, электромагнитное излучение высоковольтного оборудования, шум, образующиеся отходы, которые необходимо утилизировать. Под шумовым воздействием, в том числе объектов энергетики, находятся очень большие группы населения, особенно в крупных городах. В данной работе дана экологическая оценка шума, создаваемого энергетическим оборудованием трансформаторной подстанции 10/0,4кВ.
Шум оказывает существенное воздействие на человека, окружающую его среду, и сравнивается с такими воздействиями, как разрушение озонового слоя и кислотными дождями. Фактор шума становится всё более определяющим среди лимитирующих экологических факторов в развитых странах. Неблагоприятное воздействие шума на человека известно давно. Шум приводит к ухудшению состояния человека: функциональные расстройства его нервной системы наступают раньше, чем снижение слуховой чувствительности. Шумовая болезнь характеризуется комплексом симптомов: снижение слуховой чувствительности; изменением функции пищеварения; сердечнососудистой недостаточностью; нейроэндокринным расстройством. Специалисты утверждают, что за счет повышенного шума заболеваемость в городах увеличива-
ется на 30%, уменьшается продолжительность жизни на 8-10 лет, трудоспособность снижается минимум на 10%, а эффективность отдыха почти вдвое.
Источники 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. [1, 2, 3].
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.
При перемагничивании магнитной системы трансформаторов индукция в ней достигает максимума дважды за один период частоты переменного тока, что соответствует двукратному 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).
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 магни-тострикционные силы.
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. Шум, обусловленный обмоткой, зависит от тока нагрузки.
Существует прямая зависимость уровней звуковой мощности трансформаторов от их электрической мощности. Эта зависимость может меняться с изменением конструкции и материалов, индукции или массы при сохранении на прежнем уровне прочих параметров.
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.
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 Гц и т.д.
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.
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.
Однофазные 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.
Более всего распространены сухие трансформаторы трехфазные 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 звукоизлучения трансформатора и к тому же не обладает достаточной жесткостью, будучи изготовлен из тонколистовой стали.
Наибольший шум (иногда в области частот 1000 Гц) имеет место во внутренних углах окон магнитопровода. На этих участках имеет место повышенная индукция, вызывающая возрастание вибрации и, соответственно, шума. Поскольку такие участки сухих трансформаторов доступны, снижение шума осуществляется путем заливки внутренних углов окон магнито-провода эпоксидным компаундом.
В процессе эксплуатации может ослабнуть прессовка магнитной системы. В частности, бывает ослаблена стяжка листов стержней магни-топровода, функции которой выполняет насаженная на стержень обмотка. Прессовку следует восстановить, а между обмоткой и стержнем установить дополнительные рейки. Это мероприятие позволит снизить как низкочастотные, так и высокочастотные составляющие шума.
Расчет шума трансформаторов подстанции
Для оценки шумового воздействия проектируемой ТП, которую предполагается установить во дворе учебного корпуса технического университета, необходимо произвести расчет уровня звукового давления на территории, прилегающей к учебным корпусам.
ТП размещена в кирпичном здании, имеющем размеры 6х6х4 м. Здание ТП имеет металлическую дверь размером 2х1 м, двое металлических ворот размером 2,5х3 м.
На ТП будет установлено 3 сухих трансформатора: номинальной мощностью 400 кВА -2 шт; 1000 кВА - 1шт классом напряжения 10/0,4 кВ. Трансформаторы изготовлены на ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяж-маш» [4].
Силовые трансформаторы с литой изоляцией предназначены для распределительных подстанций для внутренней установки и обладают высокой механической и термической прочностью. Материал обмоток - алюминий. Магнито-провод изготовлен из листов холоднокатаной электротехнической стали по технологии «Step-lap», позволяющей значительно снизить уровень шума. Обмотки низшего напряжения намотаны из алюминиевой ленты с изоляцией между витками, пропитаны смолой. Обмотки высшего напряжения капсулированного типа выполнены методом литья в вакууме на основе многокомпонентной смолы. Охлаждение естественное воздушное. Степень защиты от IP00 до IP 23. Кожух имеет вентиляционные отверстия для охлаждения.
Регламентируемой шумовой характеристикой для трансформаторов является корректированный уровень звуковой мощности LPA, дБА, который указывается в технических характеристиках трансформатора. Корректированный уровень звуковой мощности для сухих трансформаторов представлены в табл.1.
Таблица 1
Шумовые характеристики трансформаторов
ТСЛ
Мощность (кВА) Корректированный уровень звуковой мощности не более LPA, дБА
250 65
400 68
630 70
1000 73
Акустический расчет уровня звукового давления Ь, дБ, в помещении с несколькими источниками шума [5]:
где - октавный уровень звуковой мощности, дБ; х - коэффициент, учитывающий влияние ближнего поля; Ф - фактор направленности источника шума; О - пространственный угол излучения источника, рад; г - расстояние от акустического центра источника шума до расчетной точки, м; к - коэффициент, учитывающий нарушение диффузности
звукового поля в помещении; В - акустическая
2
постоянная помещения, м .
Акустическая постоянная помещения:
А
B=-
(2)
Р
где
лср
- средний коэффициент
звукопоглощения; А - эквивалентная площадь
2
звукопоглощения, м .
Эквивалентная площадь звукопоглощения:
A = Vi ■Si,
(3)
где а! - коэффициент звукопоглощения г-й поверхности; 5г- - площадь г-й поверхности, м2.
Для расчета приняты следующие значения параметров в соответствии с [5]:
— уровень звуковой мощности, Ьк1 = 68 дБ; Ьч,2 = 73 дБ;
— коэффициент, учитывающий влияние ближнего поля: х = 2;
— фактор направленности источника шума: Ф = 1 (для источников с равномерным излучением);
— пространственный угол излучения источника: О = 2п рад (для источника шума, находящегося на полу);
— расстояние от акустического центра источника шума до расчетной точки: г = 1 м;
— коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в помещении: к = 1,25;
— средний коэффициент звукопоглощения: Яср = 0,15;
— площадь г-й поверхности: 5" = 64 м2;
— эквивалентная площадь звукопоглощения: А = 9,6 м2;
— акустическая постоянная помещения: В = 11,3 м2.
Результатом расчета является величина шума внутри здания ТП: Ь = 72,9 дБА.
Уровень звуковой мощности шума Ь^, дБ, прошедшей через ограждение на территорию рассчитывается по формуле:
(4)
где Ькг - уровень звуковой мощности г-го источника, дБА; Вш - акустическая постоянная помещения с источником (источниками) шума, м2; 5 - площадь ограждения, м2; Я - изоляция воздушного шума ограждением, дБА.
Расчет шума выполняли для трех случаев: 1) шум, прошедший через кирпичную стену; 2) шум, прошедший через кирпичную стену, в которой имеется металлическая дверь; 3) шум, прошедший через кирпичную стену, в которой имеются двое металлических ворот.
Для расчета шума, прошедшего через кирпичную стену, приняты следующие значения: ЬК = 72,9 дБА; Вш = 11,3 м2; 5 = 24 м2;
Я = 47 дБ согласно [5] уменьшение шума 15-сантиметровой оштукатуренной кирпичной стеной.
В результате расчета получается, что величина шума с наружной стороны здания ТП составляет Ь^ = 25,26 дБА.
Если ограждающая конструкция состоит из нескольких частей с различной звукоизоляцией, Я определяют по формуле:
где - площадь г-й части, м2; Яг - изоляция воздушного шума г-й частью, дБ.
Если ограждающая конструкция состоит из двух частей с различной звукоизоляцией (Я1 > Я2), Я определяют по формуле:
-1
5
(5)
ЙОЯ
(6)
Для расчета шума, прошедшего через кирпичную стену, в которой имеется металлическая дверь размером 2х1 м, приняты следующие значения:
ЬК = 72,9 дБА;
Вш = 11,3 м2;
51 = 22 м2 (кирпичная стена);
Я1 = 47 дБ согласно [5] уменьшение шума 15-сантиметровой оштукатуренной кирпичной стеной;
52 = 2 м2 (металлическая дверь);
Я2 = 22 дБ для металлического листа толщиной 2 мм.
Звукоизоляция стены составляет Я = 32,64
дБА.
В результате расчета получается, что величина шума с наружной стороны здания ТП составляет Ь = 39,61 дБА.
Для расчета шума, прошедшего через кирпичную стену, в которой имеются двое металлических ворот размером 2,5х3 м, приняты следующие значения: = 72,9 дБА;
Вш = 11,3 м2;
51 = 9 м2(кирпичная стена);
Я1 = 47 дБ согласно [5] уменьшение шума 15-сантиметровой оштукатуренной кирпичной стеной;
52 = 15 м2 (двое металлических ворот);
Я2 = 22 дБ для металлического листа толщиной 2 мм.
Звукоизоляция стены составляет Я = 24,03
дБА.
В результате расчета получается, что величина шума с наружной стороны здания ТП составляет Ь = 48,22 дБА.
Результаты расчетов приведены в таблице
2.
Допустимые уровни шума в жилых домах и на территории около домов согласно СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки» приведены в табл. 2.
Таблица 2
Расчетные и допустимые уровни шума_
Рабочее место Уровни звука и эквивалентные уровни звука (в дБА)
Расчетные уровни шума с наружной стороны здания ТП
• кирпичная стена 25,26
• кирпичная стена, в которой имеется металлическая дверь 39,61
• кирпичная стена, в которой имеются двое металлических ворот 48,22
Допустимые уровни шума на территории, непосредственно прилегающие к зданиям поликлиник, школ и других учебных заведений, детских дошкольных учреждений, площадки отдыха микрорайонов и групп жилых домов 55
Таким образом, шум, создаваемый проектируемой ТП 10/0,4кВ с тремя сухими трансформаторами суммарной номинальной мощностью 1800 кВА, с любой стороны здания будет ниже допустимого для территории, непосредственно прилегающей к техническому университету. Поэтому специальных
мероприятий по снижению шума не требуется.
*Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (госконтракт № 16.526.12.6016 от 11.10.2011 г.).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лазароиу, Д.Ф. Шум электрических машин и трансформаторов: пер. с рум. / Д.Ф. Лазароиу, Н. Бикир. - М.: Энергия, 1973. - 271 с.
2. Тупов, В. Б. Снижение шума от энергетического оборудования/ В.Б. Тупов. -М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 232 с. - ISBN 5-70461182-6
3. Шубов, И.Г. Шум и вибрация электрических машин: 2-е изд., перераб. и доп. / И. Г. Шубов. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 208
4. Уралэлектротяжмаш Энергомаш -Екатеринбург [Электронный ресурс]. - URL: http://www.uetm.ru (дата обращения: 15.09.2012).
5. СНиП 23.03.2003 "Защита от шума".
