Методика снижения влияния шума силовых трансформаторов на работников организаций

Введение. На предприятиях агропромышленного комплекса и железнодорожного транспорта, а также в других отраслях эксплуатируются десятки тысяч силовых трансформаторов, которые размещаются в цехах, закрытых отдельно отведённых помещениях, на примыкающих к цехам территориях, на тяговых подстанциях и др. [1–3]. Всё размещённое таким образом оборудование связывают вопросы по воздействию вредных и опасных производственных факторов на работников предприятий и на жителей жилых домов, прилегающих к территории заводских и районных подстанций.

Уровни допустимых воздействий шума на работников предприятий и жителей прилегающих домов определяются требованиями нормативных документов СП 51.13330.2011. Защита от шума ГОСТ 12.1.003–2014. Шум. Общие требования безопасности труда, ГОСТ 12.2.024-87. Шум. Трансформаторы силовые масляные. Нормы и методы контроля. На любом предприятии производственные процессы в той или иной степени будут характеризоваться хотя бы наличием одного из нескольких вредных и опасных производственных факторов. При эксплуатации и обслуживании электрооборудования работники предприятий испытывают воздействие вредных и опасных производственных факторов, таких как: электромагнитное излучение, величины опасных уровней напряжений и токов, влияние высоких температур при аварийных режимах электрооборудования, а также воздействие вибрации и шума от электротехнического оборудования. Постоянное воздействие вредных и опасных производственных факторов, как например шума работающего электрооборудования, особенно в ночное время, вызывает расстройство нервной системы, может привести к профессиональным заболеваниям.

Влияние шума от работающих устройств электроснабжения также приводит к ослаблению внимания работников предприятий, которые заняты монотонным и напряженным трудом или выполняют работы в зонах повышенной опасности и повышенного внимания.

Наибольшая чувствительность слуха к акустическим вибрациям и звукам лежит в диапазоне частот 2000–5000 Гц, этот диапазон частот и лежит в основе всех организационнотехнических мероприятий, направленных на снижения уровня шума работающего электрооборудования. Болевые ощущения у человека возникают при нарастании интенсивности звука 1 Вт/м2 при частоте 1000 Гц. Шум оказывает на работников предприятий вредное воздействие, в медицинской литературе указывается, что превышение шума относительно порога слышимости на 40 дБ оказывает негативное действие на изменение состояния и функционирование внутренних органов. Диапазон воздействия шума на организм человека представлен в таблице.

При постоянном монотонном гуле повышается артериальное давление, ухудшается внимание, острота зрения, нарушается ритм дыхания. Особенно проявления негативных влияний шума опасны для работников, которые выполняют работы в зонах повышенного риска, где присутствуют опасные производственные факторы. Это работники энергетических хозяйств и предприятий, выполняющие обслуживание и ремонт высоковольтного оборудования, где требуется внимание и чёткое выполнение требований при эксплуатации и обслуживании высоковольтного оборудования, особенно при выполнении работ под напряжением.

Хочется отметить, что источником шума, помимо системы вентиляции заводских помещений, является силовой трансформатор.

Воздействие шума на организм человека Effect of noise on the human body

Зона воздействия Effect area	Диапазон частот, Гц Frequency range, Hz	Источники шума Sources of noise
Спокойная Quiet	0–30	Шепот, шелест листвы Whisper, rustle of leaves
Физическое воздействие Physical effect	30–65	Человеческая речь, офисные помещения, конструкторские бюро и др. Human speech, office premises, design bureaus, etc.
Психологическое и физиологическое нарушение Psychological and physiological disorders	65–90	Пассажирский и грузовой вагон, вагон метро, кабина машиниста электропоезда, электрические машины, электропривод, силовой трансформатор, вычислительные центры и др. Passenger and freight cars, metro cars, electric train driver's cabins, electric machines, electric drives, power transformers, computer centers, etc.
Психологическое и физиологическое нарушение (повреждение слуха) Psychological and physiological disorders (hearing damage)	> 90	Пескоструйный аппарат, отбойный молоток, шлифовальные, фрезерные и токарные станки, мощный силовой трансформатор. Sandblaster, jackhammer, grinding, milling and lathes, powerful power transformer.
Болевой порог	130	Взлёт самолета, выстрел и др. Airplane takeoff, shot, etc.

Материалы и методы исследования. Объектом исследования является вредный производственный фактор – шум силовых трансформаторов, который возникает при работе высоковольтного оборудования на электрических подстанциях, в цехах и на прилегающих территориях. Методы исследования основаны на математических расчётах звукового давления силового трансформатора с учётом защитного ограждения, а также рекомендации по выбору звукопоглощающих экранов в качестве защитного ограждения с целью снижения влияния шума на работников предприятий как сельскохозяйственного назначения, так и предприятий других отраслей.

Результаты исследования и их обсуждение. Силовой трансформатор представляет собой электрический преобразователь уровня напряжения. Шум, который издаёт трансформатор, складывается из различных источников: магнитопровода трансформатора, вибрации обмоток и работы системы охлаждения трансформатора. Был проведён анализ причин превышения шума силовых трансформаторов относительно требований нормативных документов. Анализ показал, что в основном превышение шума наблюдается у силовых трансформаторов, срок службы которых составляет 40 лет и более [4, 5]. Причиной повышения шума является повреждение элементов конструкций силовых трансформаторов и системы принуди- тельного охлаждения. Источниками шума чаще всего являются повреждение и распрессовка магнитопровода, обмоток трансформатора, закладных деталей при воздействии ударных токов короткого замыкания, температурных деформациях и др. Поэтому для исключения аварий и повреждений силовых трансформаторов необходимо проводить своевременную диагностику.

В основном источниками шума в энергетических хозяйствах предприятий являются силовые трансформаторы и коммутационное оборудование подстанций. Шум силовых трансформаторов обусловлен магнитострикцией, электродинамическими усилиями, возникающими в обмотках, а также работой вспомогательных устройств силовых трансформаторов – принудительной системы охлаждения. К вспомогательным устройствам в системе охлаждения силовых трансформаторов можно отнести воздушные вентиляторы и масляные насосы. В качестве электропривода для вспомогательных устройств охлаждения силовых трансформаторов обычно используются асинхронные двигатели. Были проведены экспериментальные исследования шума системы охлаждения силовых трансформаторов, в качестве электропривода использовались асинхронные двигатели АД 4А100S4У3.

На рисунке 1 представлен уровень шума от принудительной системы охлаждения силового трансформатора ТДТНД-40000/110 для различных октав [4, 5].

Рисунок 1 – Уровень шума системы охлаждения силового трансформатора Figure 1 – Noise level of the cooling system of the power transformer

Как видно из рисунка 1, наблюдается превышение уровня шума системы охлаждения силового трансформатора на 4 дБ относительно нормативных значений для f = 500 Гц. Превышение уровня шума системы охлаждения силовых трансформаторов может быть вызвано неисправностью электропривода, подшипников и вентилятора, а также при использовании в качестве питания асинхронного двигателя частотного преобразователя. В некоторых случаях шум при эксплуатации неисправной системы охлаждения силовых трансформаторов может превышать магнитный шум силового трансформатора.

Магнитный шум трансформатора напрямую зависит от величины магнитной индукции: повышение магнитной индукции относительно номинальных значений на 1% приводит к увеличению шума силового трансформатора приблизительно на 02÷03 дБ.

Размещение трансформаторов на удалённом расстоянии от рабочих мест и жилых помещений не всегда возможно, поэтому необходимо использовать организационно-технические мероприятия, позволяющие снизить шум до допустимых уровней [6, 7].

Для снижения шума силовых трансформаторов возможны следующие технические решения:

– необходимо устранить один из путей распространения вибрации и шума внутри бака трансформатора. В первом случае звуковая волна проходит через жидкий диэлектрик и воздействует на стенки бака силового трансформатора, во втором – звуковая волна от магнитопровода и обмоток через крепления воздействует на дно трансформаторного бака. В первом случае можно использовать шумопоглощающие экраны внутри бака, при этом уровень шума снижается на 20–30 дБ. Во втором случае в конструкции используют упругие прокладки и демпферы между креплением дна бака трансформатора и мегнитопроводом, эффективность снижения уровня звукового давления незначительна и составляет порядка 3–5 дБ;

– использовать элегаз в качестве диэлектрика вместо трансформаторного масла, в данном случае бак трансформатора, заполненный элегазом, будет выполнять роль звукопоглощающего кожуха;

– использовать звукопоглощающие кожухи: для исключения передачи прямой вибрации от бака трансформатора кожух закрепляется на баке с помощью упругих элементов. Кожух может исполняться в виде полого корпуса, заполненного звукоизоляционными материалами. При использовании защитных кожухов уровень шума снижается до 30 дБ.

Рассмотренные технические мероприятия требуют существенных материальных затрат или изменения конструкции силовых трансформаторов, что при дальнейшей эксплуатации затрудняет их техническое облуживание.

На предприятиях как агропромышленного комплекса, так и железнодорожного транспорта, а также других отраслей силовые трансформаторы размещаются на производственных участках с защитным ограждением или в специальных помещениях, а также на территории заводских электрических подстанций.

Для обеспечения безопасных условий эксплуатации все силовые трансформаторы, которые размещаются в цехах и специально отведённых заводских помещениях, согласно Правилам устройств электроустановок (утв. Приказом Минэнерго России от 20.06.2003 № 242, Раздел 4) должны иметь защитное ограждение.

Защитное ограждение на территории предприятия и цехов выполняется в виде сетки и должно иметь высоту над уровнем планировки ыр. +(?) ² =⁽ где f - частота, Гц;

N – количество собственных частот воздушного объёма в нормируемом частотном диапазоне;

C 0 - скорость продольных волн, м/с;

w - круговая частота, рад/с;

Q 0 — производительность источника шума, м ³

;

V - объём ограждения трансформатора, м ³ ; р₀ - плотность воздуха, £г ;

ДР_к - звуковое давление, создаваемое в замкнутом воздушном объёме, Па;

^(P^sln^sin^sln^ -зна-

1-Х             -y             -z чение функции в соответствующих координатах;

^(S) - значение функции в точке расположения трансформатора;

для открыто установленных трансформаторов 1,6–2 м, при расположении силовых трансформаторов в помещениях – 1,9 м, сетка заграждения должна иметь размеры отверстий 10–25 мм. При размещении силовых трансформаторов в отдельных помещениях используются вентиляционные проёмы.

Рассмотрим влияние ограждающих конструкций на распространение шума от силовых трансформаторов, установленных в цехе и на прилегающих территориях, а также возможность использования звукозащитных экранов в качестве ограждения силовых трансформаторов [8–13].

При эксплуатации силовых трансформаторов образуются звуковые волны различной частоты, которые отражаются от стен ограждающих конструкций и воздействуют на работников предприятий. Для удобства расчёта распределения вынужденных колебаний в объёме воздуха прямоугольной формы от точечного источника можно воспользоваться выражением [4, 5]:

^X_N^^exp(—iut) ,        (1)

Д « - среднее значение функции V_W(P) ² по объему;

п_х,п_у , n_z - числа, характеризующие частотные колебания.

Уровень шума силового трансформатора определяется по формуле р

L = 20lg- ,            (2)

где P 0 - пороговое звуковое давление, равное 2·10^-5 Па;

P - звуковое давление от силового трансформатора, Па.

Рассчитать уровень звукового давления, создаваемого силовыми трансформаторами для соответствующих полос частот с учётом ограждающей конструкции, можно по формуле

L = 201д 2^^ + 101д ^.——Х ----7 +^10|« ^(Ш^-2 + ²⁰ дБ,    (3)

^Vnph            ' (Ш)+(, 2 -, 2 ) 2           '

где f_N - собственные частоты внутреннего воздушного объёма, Гц;

f i - частота источника звука, Гц;

N_t - количество собственных частот;

R_H - линейный размер источника излучения звука, м;

V_H - внутренний объём, м³;

V - объём ограждающей конструкции, м³;

O_i - коэффициент потерь ограждения;

р - плотность материала ограждения, кг/м³;

h - толщина стенки ограждения, м;

5_W - коэффициент поглощения звука в ограждающей конструкции, 1/м.

Звуковое поле внутри силовых трансформаторов создаётся различными источниками (магнитопроводом, обмотками, закладными деталями, системой принудительного охлаждения, другими элементами конструкции). Следует учесть, что система охлаждения трансформатора (масляные насосы, система обдува), которая располагается не более чем в 3 метрах от бака силового трансформатора, может рассматриваться как составляющая общего источника шума трансформатора. В виде допущения зву-

, ^т w V cos к\ (т w cos к\² /    ш²\]

^z- =¹⁰ м⁽¹⁺ -^-) ^{+ (}-^Р 0 сг) ^{(1 -} -Л

где ш_с - круговая частота собственных колебаний, рад/с;

т - распределённая масса стенки ограждения, -кг .

м 2

При нормальном падении звуковой волны на стенку ограждения ( к= 0 ) трансформатора звукоизоляция определяется по формуле

Z „ = 10lg[1+ (^-) ² ].       (6)

2Р о ^с о/

Угол падения звуковой волны на внутреннюю поверхность стенки ограждения трансформатора может быть определён при условии, что к - случайная величина с равномерной плотностью распределения /(к) на интервале 0 + 2п, что соответствует диффузному падению звуко- ковое поле внутри трансформатора принимается как точечный источник звука, тогда уровень шума за ограждающей конструкцией трансформатора, который прошёл за стенки ограждения, можно определить по формуле

L_H = L_P . (P)-Z , (4)

где Z – звукоизоляция ограждения трансформатора, дБ.

Звукоизоляция стенки ограждения при наклонном падении звуковой волны от трансформатора определяется следующим образом:

вой волны на стенку ограждения и может быть принято cos к- 0,637 .

Полученные зависимости позволяют определить уровень звукового давления, создаваемого силовым трансформатором от внутреннего воздействия звуковых волн, пройденных через защитное ограждение при нормальном и косом попадании звуковых волн на стенку ограждения.

В целях снижения шума силовых трансформаторов, особенно для трансформаторов, которые размещены на территории цехов, рекомендуется использовать плоские пластины вместо сеток в качестве ограждения из органических и поликарбонатных материалов.

Рассчитать зависимость звукоизоляции этих защитных конструкций Zк можно по формуле я    n0,1(mafi-Zi)

Z_K = 20 lg(m_afd - 10Lg          --36дБ ,               (7)

где f – среднегеометрические частоты октав, Гц;

m – распределённая масса основной части ограждения,^T;

Z и S – звукоизоляция, дБ, и площадь элементов заграждения, отличающихся по физикомеханическим характеристикам от основной части, м²;

S – площадь стенки ограждения, м²;

а – количество элементов с пониженной звукоизоляцией.

Звукоизоляция стенки из поликарбонат-ных материалов для соответствующих октав, в которых имеет место превышение уровня звукового давления, определяется по формуле

Z_i = 20Lg(hf)-36 дБ. (8)

Для трансформаторов различной мощности можно подобрать толщину защитного экрана из поликарбоната, чтобы уровень звукового давления не превышал допустимых значений:

h_i = f^-1 • 10 0,⁰⁵ (^i ^-b_C i )+i,⁸ , (9) где L ф _i - допустимое значение уровня звукового давления, дБА;

L_ci - уровень звукового давления выше нормативных значений, дБА.

Были выполнены измерения шума силовых трансформаторов на эксплуатационных и ремонтных предприятиях АПК, железнодорожного транспорта и других отраслей [4, 5], выбраны силовые трансформаторы, у которых уровень шума превышает допустимые значения. Экспериментальные данные по измерению шума силовых трансформаторов показали, что в основном превышение звукового давления наблюдалось при частотах октав 63, 125; 250;

500 и 1000 Гц, максимальное превышение зву-

Рисунок 2 – Расчётная толщина защитного экрана для гармоник, превышающих предельно допустимые значения Figure 2 – Design thickness of the protective shield for harmonics exceeding the maximum permissible values

Уравнения (3) и (4) позволяют определить уровни звукового давления в октавах или треть-октавных полосах частот, создаваемых силовым трансформатором внутри и снаружи защитного ограждения в зависимости от геометрических размеров и характеристик защитного ограждения и мощности трансформатора. Данные выражения будут полезны для проектирования защитных конструкций силовых трансформаторов, размещаемых непосредственно в цехах и рядом с прилегающими к электрическим подстанциям жилыми постройками [14, 15].

Выводы. Работа силовых трансформаторов сопровождается постоянным шумом, превышение шума наблюдается у силовых трансформаторов, у которых выявлены повреждения элементов конструкции и системы охлаждения, а также ослабление крепления магнитопровода и обмоток. Приблизительно у 10% силовых трансформаторов, находящихся в эксплуата- кового давления составило 15 дБ. Так, для силового трансформатора ТДТНД-25000/110 были проведены расчёты толщины защитного экрана из поликарбонатных материалов для гармоник, где шум силовых трансформаторов превышал предельно допустимые значения (рисунок 2). Из рисунка 2 видно, что максимальное значение толщины защитного экрана для f = 125 Гц составляет 2,5 мм, поэтому для снижения шума силового трансформатора целесообразно использовать защитный экран максимальной расчётной толщины.

ции, срок службы которых превышает 40 лет, наблюдается превышение уровня шума. Для трансформаторов, у которых уровень шума превышает предельно допустимые значения, рекомендуется использовать защитные экраны. Защитные экраны будут наиболее востребованы там, где нет возможности территориального удаления силовых трансформаторов от производственных участков и жилых застроек. Использование защитных экранов позволит снизить уровень шума трансформатора на 5– 10 дБ. Данный способ защиты от шума работающего электрооборудования является менее затратным, чем изменение конструкции силовых трансформаторов, и позволяет снизить уровень негативного влияния постоянного звукового давления на работников предприятий.