Kompatibilita výkonových transformátorů a elektrických instalací s prostředím

U elektrických zařízení jde o dva druhy rušení (interferencí).

• a) rušení akustické;
• b) rušení elektrické.

Zdroje a charakteristiky akustického hluku od transformátoru a tlumivky

Hluk od transformátoru a tlumivky má několik zdrojů. Relativní důležitost každého zdroje zvuku závisí na konstrukci zařízení a jeho provozních podmínkách. Konstrukce transformátoru nebo tlumivky bude rovněž modifikovat vibrace způsobující hluk a jejich průchod od místa jejich vzniku do transformátorové nádoby nebo povrchu krytu.
Metody měření akustického tlaku a akustické intenzity, kterými mohou být stanoveny hladiny akustického výkonu transformátorů, tlumivek a jejich chladicího zařízení jsou definovány v normě ČSN EN 60076-10 ed. 2 Výkonové transformátory - Část 10: Stanovení hladin hluku.

Zdroje
Magnetostrikce
Magnetostrikce je změna v rozměrech, která je pozorována u některých materiálů, když jsou podrobeny změně magnetického toku. U oceli magnetického jádra se rozměrové změny pohybují od 10-7 do 10-5 m na 1 metr délky při typických hladinách indukce.

Elektromagnetické síly ve vinutí
Zatěžovací proud ve vinutích transformátorů a tlumivek generuje magnetické pole, které osciluje při síťovém kmitočtu. Z toho vyplývající elektromagnetické síly působí jak v axiálním, tak i radiálním směru ve vinutích. Velikost těchto sil závisí pouze na velikosti zatěžovacího proudu a na lokálním magnetickém poli, které je rovněž funkcí zatěžovacího proudu. Tudíž elektromagnetické síly ve vinutích jsou úměrné čtverci zatěžovacího proudu, zatímco jejich kmitočet je dvojnásobkem síťového kmitočtu. Výsledné amplitudy vibrací závisí na elastických vlastnostech elektrické izolace vodiče. V dobře utaženém a těsně navinutém vinutí elastické vlastnosti izolačního materiálu jsou téměř lineární v rozsahu posunutí, která se objeví při normálních provozních proudech. Kovy mají velmi lineární elastický modul. Proto malá harmonická vibrace se normálně vytváří a základní a možná první harmonická dominuje vibračnímu spektru.
Vychýlení vinutí a jejich vibrační rychlosti jsou úměrné budicím silám, to znamená úměrné čtverci zatěžovacího proudu. Akustický výkon vyzařovaný z vibrujícího tělesa je úměrný čtverci vibrační rychlosti. Následně akustický výkon se mění se čtvrtou mocninou zatěžovacího proudu. V aplikacích vyžadujících transformátory s nízkou hladinu hluku může akustický výkon vytvářený vinutím při zatěžovacím proudu, činit podstatný příspěvek k celkovému akustickému výkonu transformátoru, viz technická norma ČSN EN 60076-10 ed. 2 Výkonové transformátory - Část 10: Stanovení hladin hluku.
Harmonické zatěžovacího proudu jsou slyšitelné v akustickém spektru při dvojnásobku jejich elektrického kmitočtu a při součtu a rozdílu všech jejich kmitočtů. Mohou vytvářet podstatný příspěvek k hlukové hladině transformátoru a tlumivky, například když jsou provozovány v HVDC stanicích měníren nebo u usměrňovacích transformátorů.

Magnetické síly v tlumivkách
Existuje několik rozdílných typů jednofázových nebo trojfázových tlumivek, používající (obecně) dvě rozdílné technologie ve své konstrukci:

• ve vzduchových tlumivkách, u nichž akustický výkon při zatěžovacím proudu vytvářený vinutím je hlavním zdrojem hluku. Interakce proudu tekoucího přes vinutí a jeho magnetického pole vede k vibračním silám ve vinutí. Zatímco oscilační síly mohou být jasně stanoveny, vibrační odezva struktury vinutí je spíše komplexní. Amplituda vibrací a rozměr povrchu vyzařujícího hluk zařízení zásadně určuje vyzařovaný slyšitelný hluk. Z tohoto důvodu vyzařovaný hluk je řízen velikostí vibrace vinutí v radiálním směru (protože vinutí představuje hlavní část radiačního povrchu). Příspěvek vibrací axiálního vinutí a dalších komponentů k celkovému vyzařovanému hluku je relativně malý.
• v magneticky stíněných tlumivkách (s nebo bez jádra se vzduchovou mezerou) magnetická síla mezi magnetickými spojkami vede
  k uzavření mezery při zvyšování toku; cyklické posunutí tím vytvářené je dominantním zdrojem hluku. Tyto síly mechanicky vybudí celý magnetický obvod tlumivky, což vede k akustickému spektru, jež je ovládáno dvojnásobkem síťového kmitočtu a jeho několika prvními harmonickými. Magnetostrikce a vibrace vinutí jsou rovněž přispívajícími činiteli.

Magnetické stínění nádoby
Magnetická stínění jsou často používána u velkých výkonových transformátorů ke snížení ztrát vířivými proudy v důsledku rozptylového toku, který vzniká ze zatěžovacích proudů. Při plných zatěžovacích proudech může rozptylový tok v magnetických stíněních dosáhnout hodnot, které mohou překročit hodnoty jmenovitých hustot toku v jádru. To vede k vytváření magnetostrikčního hluku v magnetickém stínění a může to vést významnému příspěvku k celkové hladině hluku.

Hluk od ventilátorů
Původ hluku od ventilátorů je v turbulentním toku vzduchu, který má za následek kolísání tlaku se širokým rozsahem kmitočtů. Tento širokopásmový hluk má širokou amplitudu kolem kmitočtu, při kterém lopatky ventilátoru procházejí konstrukčními částmi, jako jsou podpěry ventilátoru nebo motoru ventilátoru nebo žebra v ochranném stínění.

Hluk od čerpadel
Průtok oleje přes chladicí systém může způsobit vibrace, nicméně normálně olejová čerpadla nepřispívají podstatným způsobem k akustickému výkonu s výjimkou nejvyšší rychlostí průtoku oleje nebo zvláštních aplikací, u transformátorů s extrémně nízkým hlukem.

Elektromagnetická pole v okolí výkonových transformátorů

Podle normy CLC/TR 50453 se tato problematika týká výkonových transformátorů s následujícími charakteristikami:

• Zdánlivým výkonem P v rozsahu 5 kVA ≤ P ≤ 1 000 MVA;
• Izolační hladinou podle ČSN EN 60076-3:
• Vinutí vyššího napětí s U_m od 7,2 kV do 525 kV;
• Vinutí nižšího napětí s U_m do 525 kV.

Trvale šířené a vyzařované emise přicházejí do úvahy pro výkonové transformátory, které pracují v normálních provozních podmínkách napětí a proudu.
Poruchové stavy a přechodné jevy, které se zřídka objevují, tak jako zkraty; atmosférická a spínací přepětí; přetížení (zapínacími proudy); přepětí a  přepínání přepínačů odboček se nepovažují za normální provozní podmínky.

Emise

Vyzařované emise
Střídavé magnetické pole
Nejvýznamnější hodnota střídavého magnetického pole souvisí s proudem, který teče svorkami nižšího napětí.
Střídavé magnetické pole vyzařované transformátorem bez krytu podél jeho čelních stran má velikost stejného řádu, jako pole vyzařované proudy tekoucími svorkami nižšího napětí.
Vliv tohoto pole může být snížen vytvořením vhodného krytu nebo stínění.

Střídavé elektrické pole
Elektrické pole je vytvářeno kolem vodičů, připojeným na napětí. Velikost elektrického pole v prostoru je úměrná hladině napětí a je silně závislá na umístění a tvaru jiných vodivých objektů (pod proudem nebo uzemněných) v blízkém okolí.
S výjimkou některých zvláštních typů suchých transformátorů bez krytu je vyzařované elektrické pole vytvářeno v podstatě přípojnicemi a svorkami.
U transformátorů s vinutím ponořeným do kapaliny napájeným stíněnými kabely a u suchých transformátorů v krytu je elektrické pole zanedbatelné.

Vysokofrekvenční pole (vliv koróny)
Hlavní zdroj tohoto pole je způsoben korónou a částečnými výboji od připojení vysokonapěťových přípojnic a povrchových částečných výbojů na průchodkách. Zdroj vysokofrekvenčního pole od vnitřních částí transformátoru je v porovnání s ním zanedbatelný. Dominantní vysokofrekvenční pole je určeno vnějšími činiteli, a ne vlastním transformátorem.

Emise šířená vedením
Harmonické proudu naprázdno
Proud naprázdno a harmonické proudu naprázdno jsou podstatně menší než jmenovitý proud s výjimkou některých zvláštních konstrukcí.

Odolnost
Zařízení pro řízení transformátoru musí být schopno správně fungovat v elektromagnetickém prostředí v souladu s příslušnými normami.

Vyzařované rušení
Obecně nejsou transformátory citlivé na vyzařovaná magnetická, elektrická nebo elektromagnetická pole.

Rušení šířené vedením
Výkonové transformátory mohou být vystaveny následujícím rušením šířeným po vedení:

• kolísáním síťového napětí;
• kolísáním síťového kmitočtu;
• harmonickými napětími;
• rychlými přechodovými jevy;
• atmosférickými a spínacími přepětími;
• harmonickými proudu.

Odolnost výkonových transformátorů k spínacím přepětím je prověřována zkouškami podle ČSN EN 60076-3 ed. 2 Výkonové transformátory - Část 3: Izolační hladiny, dielektrické zkoušky a vnější vzdušné vzdálenosti.
Trvalá přepětí mimo těch, která jsou uvedena v ČSN EN 60076-3 ed. 2, významné změny kmitočtu a vysoké hladiny napětí a/nebo harmonické proudu jsou přípustné pouze v případě, když byly dohodnuty mezi zákazníkem a výrobcem.

Literatura:

• ČSN EN 60076-10 ed. 2
• ČSN EN 60076-3 ed. 2
• PNE 33 3201