Metody redukcji hałasu transformatorów energetycznych

Grzegorz Makarewicz, Leszek Morzyński, Grzegorz Matuszewski, Wiktor Zawieska
Zakład Zagrożeń Akustycznych i Elektromagnetycznych CIOP 

Jednym ze wskaźników współczesnego rozwoju cywilizacyjnego jest zapotrzebowanie na energię elektryczną. Mimo konstruowania coraz bardziej nowoczesnych, energooszczędnych urządzeń zapotrzebowanie to jest coraz większe. Przyczyna jest prosta: tempo wzrostu liczby i rodzajów odbiorników energii elektrycznej znacznie przewyższa efekty wdrażania nowoczesnych rozwiązań w kierunku poprawy ich skuteczności pracy. 

Sprostanie rosnącym wymaganiom na energię elektryczną wiąże się z instalowaniem transformatorów energetycznych o coraz większych mocach. Zmniejszanie strat związanych z przekazywaniem energii na duże odległości powoduje konieczność lokalizacji transformatorów jak najbliżej odbiorników energii. W praktyce oznacza to, że transformatory umieszczane są nie tylko w specjalnie budowanych stacjach energetycznych i rozdzielniach, lecz również w pobliżu osiedli mieszkaniowych, bezpośrednim sąsiedztwie budynków lub w ich wnętrzach. 

Transformator energetyczny źródłem hałasu niskoczęstotliwościowego 

Hałas wytwarzany przez transformator związany jest przede wszystkim z występowaniem zjawiska magnetostrykcji [3, 4]. Materiał ferromagnetyczny tworzący rdzeń transformatora w zmiennym polu magnetycznym zmienia swoje wymiary. Na Rys. 1. przedstawiono wykresy ilustrujące zależności względnych zmian długości próbek ferromagnetycznych ε = Δl/l od natężenia pola magnetycznego dla trzech powszechnie stosowanych ferromagnetyków. Jak widać różne ferromagnetyki zachowują się w różny sposób. Przeciętne wartości parametru ε są rzędu 10-5...10-6 m. 

Rys. 1. Względne zmiany wymiarów materiału ferromagnetycznego ε w funkcji natężenia pola magnetycznego H 

Odkształcanie rdzenia transformatora umieszczonego wewnątrz uzwojenia, przez który płynie prąd zmienny, powoduje jego drgania z częstotliwością równą podwojonej częstotliwości prądu. Jest to spowodowane faktem, że zmiana wymiarów rdzenia towarzyszy bezwzględnej zmianie wartości natężenia pola magnetycznego niezależnie od kierunku zmian. Ponieważ częstotliwość sygnału w systemach elektroenergetycznych w zależności od kraju wynosi 50Hz lub 60Hz transformatory energetyczne są klasycznym wręcz przykładem źródeł hałasu niskoczęstotliwościowego. Termin „hałas niskoczęstotliwościowy” oznacza hałas, którego najistotniejsze z punktu widzenia poziomu hałasu składniki widma leżą w zakresie częstotliwości nie przekraczającym 400 Hz (Rys. 2). 

Rys. 2. Przebieg poziomu ciśnienia akustycznego L w funkcji częstotliwości dla typowego transformatora energetycznego pracującego z częstotliwością 50 Hz 

Innymi źródłami hałasu są drgania uzwojeń spowodowane siłami elektrodynamicznymi oraz źródła o charakterze niestacjonarnym spotykane w transformatorach dużej mocy. Te źródła to wentylatory i pompy olejowe stosowane do wymuszania obiegu środka chłodzącego oraz układy przełączania i regulacji pod obciążeniem. 

Poziom hałasu transformatora energetycznego zależy w dużej mierze od jego mocy, wymiarów, masy i obciążenia. Badania eksperymentalne pozwoliły określić szereg zależności umożliwiających ocenę poziomu mocy akustycznej transformatora. Na Rys. 3. przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów poziomu mocy akustycznej dla dwóch typów transformatorów energetycznych w funkcji ich mocy elektrycznej. Typy różnią się zastosowanymi konstrukcjami mechanicznymi. W ramach danego typu transformatory charakteryzują się różnymi wartościami mocy elektrycznej. 

Rys. 3. Zależność poziomu mocy akustycznej Lp od mocy elektrycznej Pe dla dwóch typów transformatorów energetycznych różniących się konstrukcjami mechanicznymi 

Wyniki pomiarów uzupełniono liniami prostymi, których równania mogą służyć do oceny mocy akustycznej transformatorów wchodzących do tej samej grupy asortymentowej. Uzyskane w taki sposób zależności mają charakter przybliżony, mogą być jednak pomocne na etapach projektowania transformatora. 

Podstawy prawne 

Niezależnie od specyficznych cech wyróżniających transformator energetyczny z pośród innych źródeł hałasu, jako źródło szkodliwego czynnika fizycznego podlega on powszechnie stosowanym przepisom prawnym. Podstawowym dokumentem jest więc ten, który ustala normatywy higieniczne dla hałasu na stanowiskach pracy z uwagi na ochronę słuchu, czyli Polska Norma PN-N-01307:1994 [12]. Wartości zawarte w normie należy w pewnych sytuacjach skorygować w przypadku, gdy na hałas narażony jest pracownik młodociany [13] bądź kobieta [14]. 

Naturalnym miejscem montowania transformatorów dużej mocy są obiekty energetyczne. Warunki akustyczne występujące w tych obiektach opisane są w Polskiej Normie PN-92/M-35200 [11]. Dopuszczalne wartości równoważnego poziomu dźwięku A ze względu na charakter wykonywanej pracy przedstawiono w Tab. 1. 

Tab.1

Wartości dopuszczalne równoważnego poziomu dźwięku A w zależności od rodzaju pomieszczenia obiektu energetycznego [11] 

Kolejnym ważnym dokumentem jest Polska Norma PN-87/B-02151/02 [10]. Przykładowe wartości dopuszczalne równoważnych poziomów dźwięku A w różnych rodzajach pomieszczeń przeznaczonych do przebywania ludzi (w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej) przedstawiono w Tab. 2. Zostały one uporządkowane w kolejności rosnących wartości. Zmieniają się one w przedziale 30-50dB w ciągu dnia i 30-40dB w nocy. 

Tab.2.

Zestawienie dopuszczalny równoważnych poziomów dźwięku A hałasu przenikającego do pomieszczenia od wszystkich źródeł hałasu łącznie L_Aeq [10]

Dopuszczalny, maksymalny poziom dźwięku A zmierzony w odległości 1m od transformatora pracującego przy minimalnych wartościach obciążenia zlokalizowanego w budynku mieszkalnym lub zamieszkania zbiorowego wynosi 62 dB [10]. Wartość ta obowiązuje dla całej doby. Porównując tą wartość z wymaganiami przedstawionymi w Tab. 2. Łatwo zauważyć, że nawet w przypadku, gdy transformator spełnia wymagania normy [10], nie oznacza to automatycznego spełnienia wymagań dotyczących hałasu przenikającego do pomieszczeń, i nawet w przypadku transformatorów wytwarzających stosunkowo niewielki hałas może być konieczne stosowanie dodatkowych zabezpieczeń akustycznych. 

Należy zaznaczyć, że istnieją obiekty wykorzystujące transformatory/stacje energetyczne, dla których wymagania dotyczące ochrony przed hałasem związane są ściśle z możliwością spełniania przydzielonych im funkcji użytkowych [10]. Zaliczamy do nich np. szkoły muzyczne, rozgłośnie radiowe i telewizyjne, sale teatralne i kinowe, laboratoria do badań akustycznych itp. W obiektach tych zbyt głośno pracujący transformator może być poważnym problemem technicznym. 

Istotne informacje związane z ochroną przed hałasem wytwarzanym przez transformatory energetyczne zawarte są w Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 13 maja 1998 r. W sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku (Dz. U. Nr 66 poz. 436 z 1998 r.) [15]. Jeżeli transformator energetyczny potraktujemy jak źródło hałasu nie wchodzące do grupy „linie elektroenergetyczne” nie może on spowodować przekroczenia w środowisku wartości dopuszczalnych równoważnego poziomu dźwięku A wynoszących 40-50dB w porze dziennej i 35-45dB w nocy (Tab. 3). Wartości te są wartościami jakie musi spełnić transformator w przypadku najbardziej korzystnym, czyli, gdy stanowi on jedyne źródło emitujące hałas do otoczenia. Ponieważ transformatory energetyczne są źródłami hałasu oddziałującymi na otoczenie najczęściej w ciągu całej doby należy brać pod uwagę wartości poziomów przedstawione w kolumnie 4. Dodatkowo w warunkach rzeczywistych należy uwzględnić, że hałas wytwarzany przez transformator sumuje się z hałasem wytwarzanym przez inne źródła powodując w efekcie końcowym przekroczenie wartości dopuszczalnych mimo, spełnienia wymagań przedstawionych w Tab . 3. 

Tab. 3.
Zestawienie dopuszczalnych wartości hałasu wytwarzanego przez transformator ze względu na ochronę środowiska przy założeniu, że transformator jest jedynym źródłem mierzonego hałasu [15] 

Pasywne metody redukcji hałasu transformatorów energetycznych 

Zgodnie z powszechnie przyjętymi i sprawdzonymi w praktyce zasadami określającymi kolejność działań podejmowanych w kierunku zmniejszenia hałasu emitowanego do środowiska, pierwszym krokiem powinno być zaprojektowanie jak „najcichszego” transformatora, czyli zmniejszenie hałasu u źródła jego powstawania. Tego typu podejście nie zawsze jest stosowane ze względów technicznych i ekonomicznych [6]. Wiąże się np. ze wzrostem wymiarów geometrycznych transformatora, jego masy, bardziej złożoną konstrukcją, dłuższym czasem wykonania (transformatory energetyczne dużej mocy są często projektowane i wykonywane w pojedynczych egzemplarzach lub bardzo krótkich seriach) i większymi kosztami. 

Tradycyjne metody redukcji hałasu wytwarzanego przez transformatory energetyczne polegają na zamykaniu ich w dodatkowych obudowach, izolowaniu pomieszczeń obiektów energetycznych, w których zainstalowane są transformatory, bądź budowie ekranów akustycznych w przypadku gdy transformator emituje hałas do środowiska w przestrzeni otwartej. Najefektywniejszą z wymienionych metod jest metoda pierwsza [5], niestety nie zawsze możliwa do zastosowania z uwagi na:

• wymagania narzucone przez systemy chłodzące,
• konieczność zapewnienia bezpiecznego dostępu do elementów transformatora związanego z czynnościami serwisowymi, naprawami, testowaniem itp.,
• obecność przewodów zasilających dochodzących i odchodzących od transformatora. 

Niemożność zastosowania obudowy zamkniętej prowadzi niekiedy do projektowania rozwiązań ograniczających hałas w postaci obudów częściowo zamkniętych [5] ze wszystkimi konsekwencjami takiego podejścia, w szczególności zaś:

• znacznie mniejszą skutecznością, szczególnie w zakresie niskich częstotliwości,
• zmniejszoną wytrzymałością mechaniczną (np. odpornością na wiatr). 

Oczywiście rozwiązania w postaci obudów częściowo zamkniętych, zaprojektowane i wykonane we właściwy sposób [5] spełniają narzucone im wymagania. Jednakże koszty takich instalacji w odniesieniu do transformatorów dużej mocy są bardzo duże, często porównywalne z kosztami zainstalowania bardziej zaawansowanych technologicznie metod aktywnych. Interesujący przykład redukcji hałasu transformatora energetycznego metodami pasywnymi opisano w [6]. Autor obok szczegółowych założeń projektowych przedstawia analizę ekonomicznych aspektów zastosowanego rozwiązania. Wynika z nich, że wykonanie skutecznych zabezpieczeń akustycznych jest bardzo kosztowne i może mieć istotny procentowy udział w ogólnych kosztach inwestycji. 

Aktywna redukcja hałasu transformatorów energetycznych 

Z uwagi na bardzo ostre wymagania dotyczące wartości dopuszczalnych w pomieszczeniach i stosunkowo małą skuteczność tradycyjnych metod redukcji hałasu niskoczęstotliwościowego uzasadnione jest podejmowanie prac nad nowymi podejściami do zwalczania hałasu transformatorów, w tym zastosowaniu metod aktywnej redukcji [2]. 

Aktywne metody redukcji hałasu polegają na zmniejszeniu poziomu hałasu za pomocą dodatkowych źródeł energii wibroakustycznej. Źródła te, zwane wtórnymi sterowane są w taki sposób, aby poprzez zmianę warunków promieniowania źródła hałasu spowodować zmniejszenie energii akustycznej promieniowanej do środowiska, bądź poprzez oddziaływanie na wyemitowany hałas powodować zmniejszenie jego amplitudy. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z aktywną redukcją w sensie globalnym, w drugim lokalnym (obszarom, w którym poziom hałasu został zmniejszony towarzyszą obszary, w których w wyniku zastosowania dodatkowych źródeł hałas jest większy). Schemat blokowy jednokanałowego układu aktywnej redukcji przedstawiony jest na Rys. 4. Składa się on z czujnika służącego do pomiaru parametrów hałasu, układu sterującego kształtującego sygnał kompensujący hałas, głośnika (źródła wtórnego) i mikrofonu (detektora sygnału błędu) informującego układ sterujący o efektach jego działania. 

Z punktu widzenia projektanta układu aktywnej redukcji transformator energetyczny jako źródło hałasu charakteryzuje się następującymi właściwościami:

• właściwości korzystne:
• hałas wytwarzany przez transformator ma bardzo wyraźne (dominujące) składowe częstotliwościowe (Rys. 2.),
• charakter widma emitowanego hałasu pozostaje w znacznej mierze niezmienny w czasie (w zależności od obciążenia zmienia się amplituda ciśnienia akustycznego, przy zachowaniu względnych parametrów widmowych). Właściwie funkcjonujący system elektroenergetyczny jest źródłem napięcia o stałej częstotliwości roboczej. W wielu krajach, w tym w Polsce jej wartość nominalna wynosi 50Hz, w innych 60 Hz. W praktyce mamy oczywiście do czynienia z wahaniami tej częstotliwości. Zmiany częstotliwości pracy transformatora mają dwojaki charakter: długotrwały związany z tzw. niedoborem mocy źródeł w systemie elektroenergetycznym, będącym przyczyną stosowania ograniczeń jej poboru oraz krótkotrwały związany ze stanami nieustalonymi generatorów i układów napędowych. W obu przypadkach odchylenia częstotliwości od wartości nominalnej (pojedyncze Hz) są pomijalnie małe z punktu widzenia układu aktywnej redukcji,
• informacje o hałasie w postaci sygnału niezbędnego do działania układu aktywnej redukcji może być uzyskana bez pośrednictwa mikrofonu (czujnik na Rys. 4). 

Rys. 4. Schemat układu aktywnej redukcji hałasu transformatora 

• właściwości niekorzystne:
• ze względów technicznych i z uwagi na zapewnienie bezpiecznego dostępu istnieją poważne ograniczenia co do miejsca umieszczenia elementów wykonawczych,
• elementy wykonawcze często musza pracować w bardzo trudnych warunkach (temperatura, wilgotność),
• w przypadku, gdy transformator pracuje jako obiekt wolnostojący w przestrzeni otwartej uzyskanie efektu globalnej redukcji hałasu jest bardzo trudne i wymaga stosowania złożonych wielokanałowych układów sterowania [8],
• zmienne warunki propagacji fali akustycznej w przestrzeni otwartej utrudniają teoretyczne przewidywanie parametrów pola akustycznego w strefie wokół transformatora [1]. 

Specyficzne warunki pracy elementów wykonawczych powodują, że w układach aktywnej redukcji hałasu transformatorów obok głośników stosuje się coraz częściej elementy piezoelektryczne. Pełnią one rolę elementów wykonawczych mocowanych bezpośrednio na obudowie transformatora [8], bądź umieszczanych w specjalnie zaprojektowanych obudowach [7]. W pierwszym przypadku służą one do aktywnej redukcji amplitudy drgań obudowy transformatora. Takie podejście umożliwia zmniejszenie całkowitej energii akustycznej emitowanej przez transformator do otoczenia. W drugim przypadku elementy piezoelektryczne pełnią funkcje typowej obudowy połączonej z funkcjami układu rezonansowego „dostrojonego” do dominujących częstotliwości hałasu wytwarzanego przez transformator. Cechą charakterystyczną takiego elementu wykonawczego jest duża sprawność (praca w warunkach rezonansu) umożliwiająca pracę ciągłą i redukcję hałasu o dużym poziomie. Dodatkową pozytywną cechą są niewielkie wymiary i mała waga w porównaniu do zespołów głośnikowych, co ma istotne znaczenie ze względu na możliwości swobodniejszego rozmieszczania źródeł, bądź mocowania ich w miejscach niedostępnych dla głośników. 

Zastosowanie układów aktywnych umożliwia redukcję poziomu hałasu związanego z podwojoną częstotliwością normatywną sieci elektroenergetycznej (50Hz lub 60Hz) do poziomu hałasu tła, zaś poziomu hałasu traktowanego szerokopasmowo o 25 dB [8]. 

Podsumowanie 

Transformatory energetyczne są źródłem hałasu niskoczęstotliwościowego. Ma on charakter stacjonarny, o widmie z wyraźnie wyróżnionymi składnikami dla częstotliwości stanowiących wielokrotność podwójnej częstotliwości sieci elektroenergetycznej. Podstawowym źródłem hałasu są drgania rdzenia spowodowane zjawiskiem magnetostrykcji. Transformatory coraz częściej umieszczane są w obrębie osiedli mieszkaniowych, na terenach rekreacji i wypoczynku. Są niezbędnym elementem funkcjonowania obiektów użyteczności publicznej. Wymagania dotyczące ich parametrów akustycznych są bardzo ostre i wymuszają podejmowanie działań w kierunku ograniczenia promieniowanej przez nie energii akustycznej. Obok tradycyjnych metod pasywnych redukcji hałasu w ostatnich latach coraz częściej spotyka się nowoczesne rozwiązania bazujące na systemach aktywnej redukcji. Badania w tym zakresie podjęte zostały ostatnio w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy [16]. Parametry transformatora energetycznego jako źródła hałasu niskoczęstotliwościowego, oraz istniejące wymagania prawne pozwalają przypuszczać, że metody aktywne będą coraz częściej stosowane do redukcji wytwarzanego przez nie hałasu. 

Piśmiennictwo 

[1] Angevine O.L.: Walk-away measurements of transformer hum. Materiały konferencyjne Inter Noise, 1991 

[2] Angevine O.L.: Active calcellation of the hum of large electric transformers. Materiały konferencyjne Inter Noise, 1992 

[3] Byczkowska-Lipińska L.: Zjawiska wibroakustyczne w transformatorach energetycznych i ich wpływ na zagrożenie środowiska naturalnego. 

[4] Engel Z.: Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1993 

[5] Engel Z., Sikora J.: Obudowy dźwiękochłonno – izolacyjne, podstawy projektowania i stosowania, Wydawnictwo AGH, Kraków, 1998 

[6] Jones J.F.: Sound control for large power transformers. Materiały konferencyjne Inter Noise, 1974 

[7] Li X., Hansen C.H., Qiu X.: Design of curved panel sources for active control of sound radiated by transformers. Materiały konferencyjne Fith International Congress on Sound and Vibration, 1997 

[8] McLoughlin M., Hildebrand S., Hu Z.: A novel active transformer quieting system. Materiały konferencyjne Inter Noise, 1994 

[9] Ming R.S., Pan J., Norton M.P., Wende S., Huang H.: The sound-field characterisation of a power transformer. Applied Acoustics 56, 1999 

[10] Polska Norma PN-87/B-02151/02. Akustyka Budowlana. Ochrona przed hałasem pomieszczeń w budynkach. Dopuszczalne wartości poziomu dźwięku w pomieszczeniach. 

[11] Polska Norma PN-92/M-35200. Dopuszczalne poziomy dźwięku w pomieszczeniach obiektów energetycznych 

[12] Polska Norma PN-N-01307:1994. Hałas. Dopuszczalne wartości w środowisku pracy – wymagania dotyczące wykonywania pomiarów. 

[13] Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 1 grudnia 1990 r. W sprawie wykazu prac wzbronionych młodocianym (Dz. U. Nr 85 poz. 500 z 1990 r. z późniejszymi zmianami w Dz. U. Nr 1 poz. 1 z 1992 r. i Dz. U. Nr 105 poz. 658 z 1998 r.) 

[14] Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 10 września 1996 r. W sprawie wykazu prac wzbronionych kobietom (Dz. U. Nr 114 poz. 545 z 1996 r.) 

[15] Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 13 maja 1998 r. W sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku (Dz. U. Nr 66 poz. 436 z 1998 r.) 

[16] Zadanie badawcze 03.8.12, „Analiza i synteza układu aktywnej redukcji hałasu wytwarzanego przez transformatory energetyczne” wykonywane w CIOP w ramach Strategicznego Programu Rządowego „Bezpieczeństwo i ochrona zdrowia człowieka w środowisku pracy”