Elektromagnetna zaštita u prostorijama iznad energetskih transformatora

04/21/23 1Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Univerzitet u Beogradu, Elektrotehnički fakultet, Katedra za energetske pretvarače i pogone, Prof. Dr Zoran RadakovicKontakt: [email protected]

Predmet: Specijalne električne instalacije (izborni predmer, četvrta godina studija, sedmi semestar, Energetski odsek)

Elektromagnetna zaštita u prostorijama iznad energetskih transformatora

Školska 2011 / 2012 godinaPoglavlje 6 / Deo 2


Magnetno polje se javlja u okolini provodnika kroz koji protiče jednosmerna ili naizmenična struja.Magnetno polje, odnosno elektromagnetno polje (kao opšti slučaj), može da izazove razne negativne posledice: smetnje u radu elektronskih uređaja koji su polju izloženi, zagrevanje (pre svega metalnih) delova, razne posledice po zdravlje ljudi.

Kvantifikacija, odnosno definisanje dozvoljenih nivoa prisustva elektromagnetnog polja, zavisno od njihove učestanosti i zavisno od karakteristika prostora izloženog dejstvu polja, nisu detaljno razrađeni.

To se pogotovu odnosi na zdravstvene aspekte, gde se mogu sresti veoma različiti dozvoljeni nivoi elektromagnetnog polja.

Preporuke za dozvoljene nivoe, kao proračuni polja, postoje za visokonaponske elektroenergetske objekte (elektroenergetska postrojenja).

Posebne preporuke postoje za računarske i telekomunikacione tehnologije, kao posebno osetljive na strana elektromagnetna polja. Vrednost dozvoljenog magnetnog polja za ovakve tehnologije iznosi 3.75 T.

Postoje i opštije preporuke za dozvoljene nivoe polja:International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300GHz)

O problemu prisustva magnetnog polja


1. Opremu koja stvara elektromagnetno polje konstruisati tako da ono bude što manje

Primer: aktivni deo transformatora postaviti u metalno kućište.

2. Prostor u kome se nalazi oprema koja stvara elektromagnetno polje oklopiti i na taj način sprečiti

prostiranje polja u okolinu.

3. Prostor u kome se nalazi oprema ili ljudi oklopiti i time sprečiti prodor polja u prostor.

4. Kombinacija mera 1. – 3.

Kako smanjiti elektromagnetno polje?

Vrste elektromagnetnih ekrana:

1. Dobri električni provodnici (na primer bakar):

Princip je da se generiše struja koja stvara polje koje poništava strano magnetno polje

2. Dobri “magnetni provodnici” (feromagnetni materijali, velike magnetne premeabilnosti)

Princip je da se stvore putanje lakog prolaska magnetnog polja i na taj način magnetno polje

“kanališe”, odnosno spreči da prodre u štićeni prostor.


Konfiguracija primera koji će se nadalje razmatratiDonja etaža: 3 trafo boksa sa suvim transformatorima bez kućišta 4x1600 kVA, 10kV/0.4kV + postrojenje.Iznad ove etaže se nalaze dve etaže sa osetljivom elektronskom i telekomunikacionom opremom.

Linija:

A – Osa transformatora T1B – Osa opremeC – Iznad zida između trafo boksova T1 i T2

D – Osa transformatora T2E – Osa opremeF – Iznad zida između trafo boksova T2 i T3

G – Osa transformatora T3H – Osa opremeI – Iznad zida između trafo boksa T3 i razvodnog postrojenja

J – Osa opreme

L1 – Poprečna osa svih transformatoraL2 – Uz pregradni zid sa unutrašnje strane trafo boksaL3 – Uz pregradni zid sa spoljašnje strane trafo boksa


Projekat razvoja elektromagnetnog ekrana za smanjene magnetnog polja u gornjim etažama ispod 3.75T

Cilj: Razvoj tehničkog rešenja kojim će se magnetno polje na etaži iznad trafo boksova smanjiti ispod 3.75 T.

Odakle magnetno polje iznad transformatora?

H

x

Hv

Hj

dNN dVN

dZ

lHV>lHJ

lHJ=HP/KRy HP

HP

48392385 48392385 4839238548392385

HJ – Magnetno polje u zoni jarma

(deo namotaja koji se nalazi između gornjeg i donjeg jarma)

HV – Magnetno polje van zone jarma


INdlH Ako zatvorena kontura vektora magnetnog polja obuhvata deo kroz

nezasićeno magnetno kolo i deo kroz vazduh, integraciju treba vršiti

samo po delu konture kroz vazduh. Ovo je posledica zakonitosti da je

fluks vektora magnetne indukcije kroz zatvorenu površ jednak nuli (dakle,

ako tuba magnetnog fliksa ne menja mnogo presek, intenzitet magnetne

indukcije je približno konstantan) i da je relativna magnetna

permeabilnost feromagnetnog materijala za nekoliko redova veličine veća

od 1; dakle, magnetno polje u delu putanje kroz vazduh je mnogo veće od

magnetnog polja u delu putanje kroz feromagnetni materijal.

HVV l

INH

HJJ l

INH JVHJHV HHll

Definicija rasutog fluksa:

Fluks koji se zatvara samo kroz jedan od namotaja – primar ili sekundar, ali ne i kroz drugi.

Dakle, samo deo rasutog fluksa će „ugroziti okolinu“, odnosno zatvoriti u prostoru van

transformatora, dok se deo tog fluksa zatvara između gornjeg i donjeg jarma transformatora.


Jačina magnetnog polja u zoni van jezgra opada sa

porastom rastojanja od vrha namotaja, a pogotovu od

vrha jezgra (zbog produženja puta kroz vazduh).

x

l1l2

l3l4

l5

l6

l7

Ravan 1Ravan 2

Ravan 3

y

Linije magnetnog polja u zoni van jezgra

Sa porastom rastojanja y dolazi do opadanja jačine magnetnog polja: iiii HHll 11

Efekat primene ekrana od

feromagnetnog materijala:

l6l6

l7Ravan 2

Ravan 3


Polje „nema nikakvog razloga“ da ide putem iznad magnetnog ekrana, jer bi naišlo na veći

magnetni otpor, naravno pod uslovom da se feromagnetni materijal ne zasiti.

U vezi sa zasićenjem, koje zavisi od jačine magnetnog polja, treba primetiti da će i linija polja

l6 (možda još neka od linija polja li, i = 1 do 5) da se zatvori kroz feromagnetni materijal jer će

tom putanjom imati manji magnetni otpor na horizontalnom delu putanje. Kroz feromagnetni

materijal će se zatvarati one linije za koje će smanjenje magnetnog otpora na horizontalnom

delu biti veće od povećanja magnetnog otpora na vertikalnom delu.

Dakle, fluks koji se prostire kroz okolinu transformatora je manji od rasutog fluksa u

namotajima, koji se određuje ogledom kratkog spoja (tipične vrednosti 4 – 6 %; za

transformator snage 1600 kVA, 6 %).

Ako u procenu potrebnih dimenzija i karakteristika magnetnog ekrana uđemo da ukupnim

rasutim fluksom namotaja, na strani smo sigurnosti.

Dakle, presek magnetnog ekrana napravljenog od feromagnetnog materijala bi trebao da bude

toliki da se materijal ne zasiti pri na ovaj način procenjenom magnetnom fluksu.


Koliki je rasuti fluks namotaja? nrasuto k n k

Uu u

N

Ako se pretpostavi da će magnetno kolo biti projektovano „na ivici“ magnetne indukcije (Bmax), fluks koji se prostire kroz okolinu ćemo moći da odredimo preko preseka magnetnog kola

maxrasuto ku B S

Važna osobina trofaznog sistema je da je fazorski zbir istih efektivnih vrednosti komponenti

vektora magnetnog fluksa koje potiču od tri faze jednak nuli.

To znači da se putanja rasutog polja „skraćuje“ – na primerima sa slajda 6 približno za

rastojanje od vrha jarma do magnetnog ekrana (nema povratnog puta polja).

“Poništavanje” fluksa koji potiče od tri faze nikada nije potpuno i zavisi od pozicije tačke –

komponente vektora magnetnih polja koja potiču od svake od faza se razlikuju, pa se polje ne

“poništava”. Magnetni ekran dejstvuje tako da ova polja izjednačava – to se događa zbog

malog magnetnog otpora feromagnetnog ekrana, zbog čega magnetni otpor, određen

rastojanjima od magnetnog kola do ekrana, postaje jednak za sve tri faze, a samim tim postaju

jednaka i magnetna polja.


f1 f1 f1 f1 f2 f2 f2 f2 f3 f3 f3 f3

Ravan 3

Ravan 2

Princip ujednačavanja polja od tri faze iznad transformatora kada postoji feromagnetni

ekran

Na osnovu prethodno navedenog, zaključuje se sledeće: Određivanje raspodele polja, u slučajevima bez i sa magnetnim ekranom je kompleksno, pa

je nemoguće njeno analitičko rešavanje Pristupi rešavanju problema: eksperimentalni ili korišćenjem softvera baziranih na metodi

konačnih elemenata Od interesa su eksperimentalni modeli bazirani na kako ba trofaznim konstrukcijama (iz

navedenih razloga), tako i na monofaznim konstrukcijama – one su lakše izvodljive, a daju

korisnu informaciju – pogotovu za sagledavanje efekta ekranskog dejstva


Izrada i kalibracija dve sonde za merenje magnetnog polja

• Princip merenja magnetnog polja je da se osciloskopom registruju talasni oblici napona indukovani na krajevima kalema merne sonde, pa da se iz njih odredi vrednost magnetne indukcije u pravcu ose merne sonde.

• Indukovani napon na sondi je proporcionalan magnetnoj indukciji u pravcu ose, njenoj učestanosti, prečniku sonde i broju navojaka.

• Sonda 1

– merni kalem: 2000 navojaka,

srednji prečnik oko 11mm

• Sonda 2

– merni kalem: 3000 navojaka,

srednji prečnik oko 25mm

• Način kalibracije: određuje se odnos indukovanog napona i magnetne indukcije kada se sonda postavi u solenoid u kome je poznata vrednost indukcije. Sonda se postavlja tako da joj se osa poklapa sa osom solenoida.


Solenoid za generisanje magnetne indukcije

Plastična cev kroz koju se uvlači merna sonda

Osciloskop za merenje napona sa merne sonde i struje kroz solenoid

Prilagođavač strujnog signala

Strujna sonda

Kontrolni klasičan ampermetar


Procedura kalibracijeStruja se podesi na približnu željenu vrednost

(na osnovu pokazivanja klasičnog ampermetra) Snimi se talasni oblik struje pomoću strujne sonde i osciloskopaIz talasnog oblika struje, primenom brze digitalne Furijeove transformacije (program

napisan u Matlabu) se odredi efektivna vrednost osnovnog harmonika strujeNa osnovu iz Osnova elektrotehnike poznate zavisnosti magnetne indukcije u osi

solenoida u funkciji struje kroz solenoid, odredi se efektivna vrednost osnovnog

harmonika magnetne indukcije (B1)

Snimi se talasni oblik napona indukovanog na krajevima merne sondeIz talasnog oblika napona se odredi efektivna vrednost osnovnog harmonika

napona indukovanog na krajevima merne sonde (U1)

Odredi se konstanta merne sonde (k), kao odnos k=B1/ U1

Konačni rezultat kalibracije sondi• Sonda 1:

Konstanta sonde je 19.525 mT / V Ekvivalentni prečnik (približni geometrijski iznosi 11mm) je 10.19

mm• Sonda 2:

Konstanta sonde je 2.2575 mT / V Ekvivalentni prečnik (približni geometrijski iznosi 25mm) je 24.45

mm


Ravan 1

Ravan 2

Ravan 3

Ravan 4

X

YZLimova u ekranu

Ekran u ravni

Merna ravan

Napon Struja I1 Struja I2 Struja I3

- - 1 117V 35 42.5 35

- - 2 117V 35 42.5 35

- - 3 117V 35 42.5 35

- - 4 117V 35 42.5 35

- - 1 8.7V 2.5 3.25 2.5

- - 2 8.7V 2.5 3.25 2.5

6 1 1 117V 30 38 30

10 1 1 117V 30 38 30

10 1 2 117V 30 38 30

10 2 2 117V 30 38 30

10 2 3 117V 30 38 30

10 1 3 117V 30 38 30

10 1 4 117V 30 38 30

10 2 4 117V 30 38 30

Merenja u Minel Dinamu na transformatoru bez gornjeg jarma

Šematski prikaz eksperimentalnog modela - nisko-naponski namotaj na stubovima magnetnog kola

Tab. 1

Slajd 15 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radaković

Dimenzije magnetnog jezgra (stuba)

125

mm

120 mm

S=45*120+2*(10*110+8*100+7*90+5*80+4*70+3*60+3*40)=12420mm2

590mm233mm

530m

m

Dimenzije magnetnog kola

Nominalna snaga transformatora: SnT=100kVA

Nominalni napon niskonaponskog namotaja: UnNN=400V

Sprega niskonaponskog namotaja: razlomljena zvezda

Nominalna struja niskonaponskog namotaja: InNN=144A

Rastojanje mernih ravni od poda:

90cm, 120cm, 150cm i 180cm

Sl. 7


X komponenta polja Y komponenta polja

Z komponenta polja

Mreža mernih tačaka

Merenje magnetnog polja (merni kalem: 2000 navojaka, Du=10mm Ds12mm)


Merenje signala sa merne sonde

Registrovanje signala na osciloskopu Filtriranje signala na računaru

Sonda je sa osciloskopom povezana koaksijalnim kablom, kako bi se minimizovao merni šum koji može da se indukuje na vezama između sonde i osciloskopa.

Osciloskop je povezan sa PC računarom, koji upravlja radom osciloskopa.

Signal registrovan osciloskopom se prenosi na PC računar, gde se vrši njegova obrada (“moving average” filter tо је najjednostavniji digitalni LPF (low pass filter)) – usrednjavanje merenja – primenjivano je 5 (slabije filtriranje) i 20 (jače filtriranje) mernih vrednosti), grafički prikaz i memorisanje relevantnih veličina u fajl.


Vrednost signala koje je moguće detektovati – primena elementarnog filtriranja

• Moguć je u slučajevima kada je merni šum mali u odnosu na signal 50Hz.• To praktično znači da je kvalitetno merenje bilo moguće na najnižoj ravni, a da sa

povećanjem nivoa raste merna greška.• Merna greška se povećava i sa smanjenjem izvorišnog elektromagnetnog polja. • Za primenjeni jednostavni “moving average” filter je karakteristično da se ne poznaje

njegova frekventna karakteristika, pa se ne može proceniti koliko je slabljenje svake

od učestanosti (uključujući i 50Hz).• Na naredne dve slike su prikazani primeri dve ravni – jedne u kojoj je bilo moguće

odrediti raspodelu magnetnog polja (leva slika) i jedne od viših ravni, gde zbog velike

vrednosti mernog šuma u odnosu na korisan signal nije bilo moguće kvalitetno

merenje raspodele magnetnog polja (desna slika)


• Na naredne tri slike je prikazan jedan zagađen signal (veliki merni šum u odnosu na

koristan signal – gornji grafik) i rezultat filtriranja jednostavnim “moving average”

filtrom kada je korišćeno 5 – donji levi grafik, odnosno 20 tačaka – donji desni grafik


Obrada signala na računaru – primena Furijeove transformacije

• Za primenu ove metode je potrebno posedovati talasne oblike signala. • Prenos talasnih oblika sa osciloskopa na računar je izvršen samo za merenja na transformatoru u kratkom spoju. Razlog za uvođenje ovakve tehnike obrade signala je uveden jer je pri merenjima na transformatoru u kratkom spoju korisni signal mali, pa su registrovani signali bili veoma zagađeni.• Primenom Furijeove transformacije se praktično ostvaruje idealni filter, odnosno tačno se izdvaja komponenta 50Hz.• Primenom Furijeove transformacije se može izvući vrednost korisnog signala i pri mnogo zagađenijim signalima nego što se vrednost korisnog signala može izvući primenom jednostavnog “moving average” filtra, ako što je prikazano na slici (leva slika predstavlja oblik raspodele magnetnog polja (T) dobijen Furijeovom transformacijom, a desna primenom jednostavnog “moving average” filtra)


Izvršena merenja na transformatoru bez gornjeg jarma

• Bez magnetnog ekrana: napon podešen tako da je fluks stuba jednak rasutom fluksu

koji se ima kod velikog transformatora (1600kVA) – RT, pri nominalnom opterećenju.

Svrha: simulacija realnog fluksa koji odlazi u okolinu.

TTFETT

RTFERTnRTkRTTT SB

SBUuU

max

max

• Bez magnetnog ekrana: napon podešen tako da je fluks stuba jednak rasutom fluksu

koji se ima kod test transformatora (100kVA) – TT, pri polovini nominalne struje kratko

spojenog transformatora (mali transformator je uljni, pa se ne sme opteretiti nominalnom

strujom). Svrha: ispitivanje verodostojnosti testa na transformatoru bez gornjeg jarma.

• Sa magnetnim ekranom: napon podešen tako da je fluks stuba jednak rasutom fluksu

koji se ima kod velikog transformatora (1600kVA) – RT, pri nominalnom opterećenju.

Svrha: prikupljanje prvih iskustava u vezi sa dejstvom magnetnog ekrana od

fermomagnetskih materijala.

Slajd 22 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radaković

Bez ekrana, ravan 2

Ekrana u ravni 1

Ekran postavljen u ravan 1

Ekran u ravani 2, merenje u ravni 3


Serija merenja na četiri nivoa iznad transformatora - bez magnetnog ekrana – napon 117V

Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije na svakom od nivoa

Izostavljena jedna očigledno pogrešno registrovana tačka


3D prikaz raspodele magnetne indukcije (bez magnetnog ekrana – napon 117V)

Maksimalni intenzitet indukcije: 2.0381 mT








Formiranje magnetnog ekrana od 10 limova, pomereni spojevi


Serija merenja sa magnetnim ekranom sa 10 pomerenih limova – napon 117V

Limovi na nivou 1

Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije na svakom od nivoa


Ekran na nivou 1 merenje na nivou 1 Ekran na nivou 2 merenje na nivou 2

Ilustracija efekta ekrana na raspodelu magnetne indukcije – pri naponu 117V

Bez limova

Limovi na nivou 1

Limovi na nivou 2

Nivo 1 1800 1000

Nivo 2 420 120 220

Nivo 3 150 66 65

Nivo 4 80 62 52

Vrednosti magnetne indukcije (T) na različitim nivoima bez magnetnog ekrana i

sa magnetnim ekranom pri naponu 117V

Koordinatni početak (0, 0) se nalazi iznad centra srednjeg stuba transformatora.

Bez ekrana: Maksimum na sredini

Sa ekranom: Maksimum na ivicama ekrana


Struja je podešena na polovinu nominalne, kada je ukupni rasuti fluks transformatora (fluks

koji se zatvara samo kroz jedan od namotaja – niskonaponski, odnosno visokonaponski) jednak

rasutom fluksu transformatora bez gornjeg jarma na koji je doveden napon 8.7.

Merenja u Minel Dinamu na transformatoru u kratkom spoju

Cilj merenja:

Provera verodostojnosti merenja na modelu

(transformator 100kVA bez gornjeg jarma), odnosno provera

mogućnosti da se merenjima na modelu predvidi situacija

kod realnog transformator (1600 kVA).


Maksimalne vrednosti magnetne indukcije (T) na različitim nivoima:

o bez magnetnog ekrana,

o bez gornjeg jarma,

o pri naponu 8.7V i

o sa gornjim jarmom i

o struji u kratkom spoju jednakoj polovini nominalne struje

(situacije sa istim rasutim fluksom)

Pri naponu 8.7V

Pri polovini nominalne struje

Nivo 1 160 185

Nivo 2 50 190

Rezultat: Vrednosti na nivou 1 su slične. Vrednosti na nivou 2 se značajno razlikuju. S obzirom na to da su vrednosti polja male, postoji problem njihovog merenja i izvesna sumnja u pouzdanost izmerenih vrednosti.


Definisanje elektromagnetnog ekrana na bazi prethodnih merenja

• Osnovna ideja je da se presek elektromagnetnog ekrana odredi po kriterijumu da ne

dođe do njegovog zasićenja. • Presek treba odrediti tako da bude veći od odnosa maksimalnog magnetnog fluksa i

magnetne indukcije, kao karakteristike materijala. • Maksimalni fluks se određuje iz merenja koja su vršena kada nije postojao magnetni

ekran. Pretpostavka je da postavljanje magnetnog ekrana neće promeniti raspodelu

magnetnog polja ispod ekrana. Ovo je provereno na transformatoru u kratkom

spoju, kada je izmerena i raspodela polja u ravni 1 pri ekranu postavljenom u

ravan 2.• Druga važna pretpostavka je da postavljanje ekrana u nekoj ravni ne menja X i Y

komponentu polja, dok Z komponenti menja pravac za 900. • To znači da će po postavljanju ekrana Z komponenta polja biti u ravni XY.

• Najnepovoljniji slučaj je da Z komponenta magnetne indukcije bude (Bz) kolinearna

sa vektorom polja u XY ravni (BXY). Ako je površ ravni ekrana SR, a površ

poprečnog preseka magnetnog ekrana SE, da polje ne bi prešlo vrednost magnetne

indukcije zasićenja Bmax, potrebno je da presek ekrana SE ispuni kriterijum


Pošto je SR >> SE i posledično (komponente X – duž transformatora i Z magnetne indukcije su

samerljive)

XY

S

Z

E BB

dSB

S R

max

,EXY

S

Z SBdSBR

Dolazi se do kriterijuma za dimenzionisanje magnetnog ekrana

maxB

dSB

S RS

Z

E

EEXY

S

Z SBSBdSBR

max


Rezultati primene postupka za procenu potrebnog preseka ekrana

Nivo 1, 117V Nivo 2, 117V Nivo 3, 117V Nivo 4, 117V

469 126 51.3 31.4

SE (mm2) za Bmax=1.5T 313 84.1 34.2 21

SE (mm2) za Bmax=1.25T 375 101 41 25.1

SE (mm2) za Bmax=1T 469 126 51.3 31.4

)( WbdSBRS

Z

Ako se uzme da je širina prostorije, odnosno magnetnog ekrana samo 1m, došlo bi se do

potrebne minimalne debljine trafo lima za izradu magnetnog ekrana od samo

31.4 mm2/1000 mm = 0.03 mm (debljina jednog sloja je 0.3 mm).

Bilo bi riskantno uzeti samo jedan sloj trafo lima jer je pretpostavljena ravnomerna

raspodela fluksa po širini prostorije (moguća su eventualna lokalna zasićenja na mestima

ulaska fluksa u ekran) i zanemarene X i Y komponente polja.


Zaključak donet na osnovu prethodnih aktivnosti

• Na osnovu geometrije modela i dispozicije transformatorske stanice (visina

transformatora, visina namotaja i visina prostorije – ekran će se staviti na plafon),

procenjuje se da su od interesa rezultati merenja na ravni 4, pri naponu 117V na

transformatoru bez gornjeg jarma.

• Ako se uzme da je širina prostorije, odnosno magnetnog ekrana samo 1m, došlo bi

se do potrebne minimalne debljine trafo lima za izradu magnetnog ekrana od samo

31.4 mm2/1000 mm = 0.03 mm.

• Ipak, ne usuđujemo se da usvojimo samo jedan sloj magnetnog trafo lima na

tavanici (debljina jednog sloja je 0.3 mm). Razlozi su što je pretpostavljena

ravnomerna raspodela fluksa po širini prostorije (moguća su eventualna lokalna

zasićenja na mestima ulaska fluksa u ekran) i zanemarene X i Y komponente polja.

• Sa druge strane, ovako mali presek upućuje da bi pocinkovani limovi, koji imaju nižu

vrednost maksimalne indukcije, mogli da zadovolje zahteve.


Merenja na Elektrotehničkom fakultetu na monofaznoj prigušnici i sa dve kape od pocinkovanog lima debljine 1mm

Laboratorijski modelNapravljen je laboratorijski

model sa monofaznom

prigušnicom i magnetnim

ekranom od pocinkovanog

čelika. Dimenzije kape na

modelu i njegov položaj su

određeni tako da su u

razmeri sa dimenzijama u

stvarnom postrojenju: faktor

skaliranja je određen kao

odnos prečnika prigušnice i

širine transformatora.

Monofazna

prigušnica

Kapa ekrana

Laboratorijski

model

Dispozicija stvarnog postrojenja

Transformator

Kapa ekrana


Merenja

• Svrha: Merenja na topologiji sličnoj onoj koja će se imati u realnoj transformatorskoj

stanici

• Traženje odgovora na pitanje: Da li je dovoljno ekran dimenzionisati samo po kriterijumu

da se ne zasiti magnetni materijal ili je potrebno primenjivati stroži kriterijum; moguće je da

će deo magnetnog fluksa napuštati feromagnetni materijal ekrana i prolaziti kroz vazduh u

zonama veće koncentracije magnetnog fluksa (u tim zonama raste vrednost proizvoda

magnetnog fluksa i magnetnog otpora magnetnog ekrana, zbog čega se može dogoditi da deo

fluksa napusti ekran i prođe kroz paralelnu putanju kroz vazduh)?

• Merenja bez magnetnog ekrana, u ravni u kojoj je kasnije postavljen ekran

(750 mm iznad prigušnice)• Merenja iznad magnetnog ekrana izvedenog na različite načine

• Sva merenja su vršena pri struji kroz prigušnicu od 10 A.

• Za merenja je primenjena nova sonda (konstanta sonde je 2.259 mT/V)


Sa jednim od implementiranih ekrana

Ukupno polje

Z komponenta

Y komponenta

X komponenta

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

S1

S3

S5

S7

0

20

40

60

80

100

120

Series1

Series2

Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

S1

S4

S70.00E+00

1.00E+01

2.00E+01

3.00E+01

4.00E+01

5.00E+01

6.00E+01

7.00E+01

8.00E+01

9.00E+01

1.00E+02

Series1

Series2

Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

S1

S3

S5

S7

0.00E+00

5.00E+00

1.00E+01

1.50E+01

2.00E+01

2.50E+01

3.00E+01

3.50E+01

4.00E+01

Series1

Series2

Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

S1

S3

S5

S70.00E+00

5.00E+00

1.00E+01

1.50E+01

2.00E+01

2.50E+01

3.00E+01

3.50E+01

Series1

Series2

Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Komentar rezultata

PozicijaUkupno Polje X komponenta Y komponenta Z komponenta

Bez Ekrana

(S1,1) 99,45 1,11 10,6 98,9

Max (S1) 99,45 37,2 10,6 98,9

Max (1) 99,45 2,25 41,1 98,9

Max (S7) 79,82 29,6 41,1 68,4

Max (13) 54,23 35,4 20,9 39,1

Max (Sve) 99,45 37,2 41,1 98,9

Sa ekranom

(S1,1) 54,53 7,68 5,33 53,7

Max (S1) 75,66 28,2 79,9 69,8

Max (1) 103,47 8,42 36,1 96,6

Max (S7) 103,47 32,1 38,2 96,6

Max (13) 91,99 32,3 37,9 78,8

Max (Sve) 103,47 32,3 38,2 96,6

Sledeća tabela sadrži sumarne rezultate.

Date su vrednosti magnetne indukcije (T): merenja su vršena u mreži čije je okce 5cm;

pozicije u pravcu duže stranice kape su označavane samo brojem, a u pravcu kraće stranice

brojem koji sledi iza slova S.

Ukupni magnetni fluks

Određen kao fluks z

komponente vektora magnetne

indukcije kroz ravan

(2x6.5x5cm) x (2x12.5x5 cm) =

65 cm x 125 cm: 51.3 Wb

Određen kao (U / ) / Nnavojaka:

(2 140/(100))/220 = 2865 Wb


• Polje iznad centra prigušnice se smanjuje kada se postavi elektromagnetni ekran: na oko 55%• Stepen smanjenja polja nije zadovoljavajući• Moguće je da je intenzitet opadanja polja sa rastojanjem iznad centra prigušnice (i ekrana) veliki, odnosno da polje jako opada kako se odaljavamo od ekrana. Moguće je da bi vrednosti polja na ravni koja odgovara nivou poda sledeće etaže u objektu bile mnogo manje

• Magnetna indukcija ima velike vrednosti na graničnim linijama ekrana. Ovaj rezultat je očekivan, ali nije toliko zabrinjavajući jer je situacija u objektu bolja: postoji gvozdena armatura (feromagnetni materijal), kojom se fluks koji napušta ekran sprovodi skroz do poda (do ulaska u donji kraj namotaja), odnosno postoji putanja u kojoj je magnetni otpor manji, pa će veći deo fluksa ići tim putem, a manji deo kroz okolni prostor.

• Smanjenje polja se može izvršiti povećanjem dubine (dužine vertikalnog dela) kapa magnetnog ekrana , kao i postavljanjem traka limova po zidovima (ne mora da se pokrije njihova čitava površina)


• Da bi se zaključci koji su dobijeni stvaranjem slike magnetnog polja kontemplacijom,

odlučeno je da se napravi 2D model u nekom softveru za modelovanje magnetnih

polja

• Pored ove provere, na računarskom modelu je moguće ispitati uticaj relevantnih faktora

o Kako opada polje u zoni iznad ekrana?

o Kako utiče armatura u zidovima?

o Kakav je efekat produženja dužine vertikalnog

dela kape?

o Kakav je efekat postavljanja vertikalnih traka

celom dužinom zida?

o Kakav je efekat povećanja ukupnog preseka

kape?

o Kakav je efekat izrade više kapa manjeg

preseka, kao i uvođenje

razmaka između pojedinih kapa?


2D model u softveru za modelovanje magnetnih polja

• Faze rada: Test primer 2D simulacije – slučaj koji je i teorijski jednostavno rešiv Simulacija konfiguracija za koje su izvršena merenja Simulacija stvarne transformatorske stanice sa rešenjem sa dva ekrana Simulacija stvarne transformatorske stanice sa drugim potencijalnim rešenjima

Test primer 2D simulacije

Magnetno jezgro sa vazdušnim zazorom (0.5 mm)

Magnetno jezgro sačinjeno od kompaktnog

magnetnog materijala (gvožđe)

2D geometrija – beskonačna dimenzija po dubini

Spoljna stranica kvadrata magnetnog kola 24 mm,

debljina magnetnog kola 2 mm

Jednosmerna struja (stacionarno magnetno polje) 40A


Raspodela magnetnog polja duž označene crvene

linije

Vrednost magnetnog polja, izračunata teoretski

na osnovu geometrije, struje i magnetske

permeabilnosti od r=4000 iznosi 76000A/m

Uvećana raspodela magnetnog polja na kojoj se

može uočiti da se deo fluksa zatvara i van

magnetnog jezgra (blago promenljivo magnetno

kolo duž magnetnog jezgra)


Linija u kojoj je određena raspodela magnetnog polja u zoni vazdušnog

zazora

Prikaz raspodele jačine magnetnog

polja (A/m) u ravni


polja (A/m) duž definisane linije


Linija u kojoj je određena raspodela magnetnog polja u zoni magnetnog

kola


polja (A/m) u ravni


polja (A/m) duž definisane linije


Prethodno opisana konfiguracija, sa naizmeničnom strujom efektivne vrednosti 40A, učestanosti 50 Hz

Za razliku od jednosmerne struje, ovde se javlja i uticaj vihornih struja na raspodelu polja.

Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m)

u zoni magnetnog kola (duž definisane linije)

Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m) u zoni

vazdušnog zazora (duž definisane linije)


Prikaz raspodele magnetne indukcije (T)

u malo iznad ravni u kojoj se postavlja magnetni

ekran (merenja magnetnog polja su vršena na 25mm

od ravni ekrana – rezultati merenja dati na slajdu 38

– linija S1; maksimum - 86T računato i 98T

mereno, minumum – oko 45T i računato i mereno;

može se smatrati da su slaganja zadovoljavajuća,

čime je izvršena verifikacija simulacionog modela)

Simulacije konfiguracija za koje su vršena merenja

Monofazna

prigušnica

Kapa ekrana

Laboratorijski

model

Ravan merenja (ravan u kojoj se

postavlja magnetni ekran)

Simulacija slučaja bez magnetnog ekrana / verifikacija simulacija

Uprošćenja u simulaciji: • 2D simulacija (nije uzet u obzir

pravougaoni oblik magnetnog jezgra)• Zanemarena je debljina monofazne

prigušnice


Simulacija slučaja sa magnetnim ekranom / verifikacija simulacija

Prikaz mash–a

Magnetni ekran je tačkasto zavarivan po kraćoj ivici, pa je moguće

da je bilo vazdušnih zazora u pravcu rasprosiranja fluksa po dužoj

dimenziji. Po kraćoj dimenziji lim je savijan i nije bilo vazdušnih

zazora. Zbog postojanja ove očigledne nesimetrije, urađena je i 2D

simulacija za kraću dimenziju ekrana. Rezultat za ovu simulaciju se

bolje poklapa sa vrednostima dobijenim merenjima (rezultati

merenja dati linijom S1 na slajdu 39); slaganje maksimuma je dobro,

ali se polja iznad prigušnice razlikuju nešto više.

Raspodela magnetne indukcije (T) u ravni 25mm iznad ravni ekrana:

levo - simulacija po dužoj ivici, desno - simulacija po kraćoj ivici


Simulacija slučaja sa magnetnim ekranom / važni zaključci

Prikaz raspodele intenziteta

magnetne indukcije (T)

Prikaz raspodele vektora magnetne indukcije (T)

Objašnjenje pojave magnetne indukcije u tačkama udaljenim od

monofazne prigušnice: fluks izlazi iznad ekrana kada poraste polje

u ekranu, iako nema zasićenja

Prikaz drastičnog smanjenja magnetne indukcije

(T) u zoni neposredno iznad ravni u kojoj se

postavlja magnetni ekran: elektromagnetni ekran se

razlikuje od onog za koji su dati prethodni rezultati


Simulacije drugih konfiguracija u cilju ispitivanja uticaja bitnih parametara

• Elektromagnetni ekran sačinjen od deblje kape

• Elektromagnetni ekran izveden do dna prostorije

• Elektromagnetni ekran sačinjen od zaobljene kape

• Elektromagnetni ekran sačinjen spušten za pola metra (250mm iznad monofazne prigušnice)

Prikaz raspodele intenziteta magnetne

indukcije (T) iznad deblje kape

Zaključak: bez željenog efekta



indukcije (T) iznad ekrana izvedenog do dna

prigušnice

Zaključak:

Značajno smanjenje polja iznad ekrana


indukcije (T) za slučaj na prethodnoj

slici



Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije

(T) iznad zaobljenog ekrana (pozicija 25mm

iznad ekrana)

Zaključak:

Postignut efekat smanjenja polja iznad ekrana, ali

ne tako veliki kao kada je ekran spušten do dna

prigušnice

Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije (T) iznad ekrana postavljenog na 250mm iznad monofazne prigunice; bez

željenog efekta – ponavlja se efekat da je polje u zoni neposredno iznad ekrana veliko

Zaključak na bazi simulacija navedenih konfiguracija sličnih set-up-u iz laboratorije

• Od konfiguracija koje su potencijalno od interesa i koje su ispitivane na simulacijama, najveći efekat je

imalo postavljanje magnetnog ekrana po čitavoj visini zidova.

• Ovo je od naročitog značaja jer zidovi već poseduju armaturu, a na zidove je pogodno (čak i naknadno,

kao korektivnu meru) postavljati pocinkovani lim.

• Sledeća bitna činjenica je da se efekat povećanja polja u zoni iznad ekrana, oko rubnih delova ekrana,

javlja samo na malim rastojanjima, a kasnije dolazi do izjednačavanja po čitavoj površi.

• Magnetni ekran značajno smanjuje vrednosti magnetne indukcije – na primer, za jedan od ekrana

indukcija se smanjuje sa preko 80T na ispod 25T.

• Sledeći korak su simulacije budućeg realnog postrojenja (objekta, transformatora i potencijalnih

konstrukcija ekrana)


Proračuni polja u budućem realnom postrojenju

Dispozicija stvarnog postrojenja

Transformator

Kapa ekrana

Gvozdena mreža

armature tavanice;

orijentaciono, presek žice

8mm, okce 10 x 10 mm

Noseća čelična konstrukcija

antistatik poda: okce

60x60cm

Proračuni:

• Struja podešena na vrednost pri kojoj je ukupni

fluks jednak rasutom fluksu po fazi

(ukBmaxSFe=0.061.50.220.23=4.554mWb)

• Izvor fluksa je jedan navojak visine 1700mm,

prečnika 1640mm (ovo je približno jednako dužini

transformatora), kroz koji protiče struja 6000A (tako

se dobija fluks oko 4.5mWb)

• Armatura u zidovima i tavanici je modelovana

čeličnim limom debljine 0.8mm (r=4000).

• Noseća čelična konstrukcija antistatik poda je

modelovana čeličnim limom debljine

1mm (r=4000).

• Pod je modelovan čeličnim materijalom debljine

1mm (uzeto je da je r=1).


Rezultati simulacije za usvojeno konačno rešenje magnetnog ekrana

U oba slučaja magnetna indukcija je ispod dozvoljenih

3.75T.

Odluka: Ekran će se izvesti bez limova do dna zida.

Ako verifikaciona merenja u objektu pokažu da nije

ispunjen kriterijum 3.75, kao korektivna mera će se

primeniti postavljanje limova do dna zida.

Intenzitet magnetne indukcije (T) duž horizontalnih presečnih linija iznad elektromagnetnog ekrana

Bez dodatnih limova do dna zida

Sa jednim dodatnim limom do dna zida



Izgled magnetnog ekrana izvedenog u transformatorskoj stanici



Verifikaciona merenja na objektu

• Merenja su vršena instrumentom “EFA-300” proizvođača

“Narda Safety Test Solutions”

• Merenja su vršena u usaglašenom prostoru tehničke etaže,

pri čemu je opterećivan jedan po jedan transformator

opterećenjem bliskim nominalnom

• Princip odabira tačaka u kojima su merene vrednosti polja:

Iznad transformatorskog boksa u kome se nalazi

opterećeni transformator mere se vrednosti polja po

dužim osama transformatora, kao i po linijama

uzdužnih pregradnih zidova transformatorskog boksa

(videti slajdove 4 i 5)

Po svim linijama u kojima će se postavljati oprema

U poprečnoj osi transformatora, duž svih

transformatorskih boksova

• Izmerene vrednosti su množene odnosom nominalne struje

i struje opterećenja koja se imala u trenutku merenja

vrednosti polja


Rezultati merenja dok je bio opterećen transformator 1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.550

0

1000

1500

2000

2270

2500

3000

3500

4000

4320

4500

4745

5000

5500

6000

Pozicija od zida (mm)

Mag

netn

a in

dukc

ija (

mic

roT

)

Linija A

Linija C

Zid objekta (paralelno satrafo boksovima)

0

0.5

1

1.5

2

2.5


Ma

gn

etn

a in

du

kcija

(m

icro

T)

U osi opreme B

U osi opreme E

U osi opreme H

U osi opreme J

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

010

0015

0020

0025

8035

0040

0045

0052

3560

0065

6070

0078

9085

0090

20


Mag

netn

a in

dukc

ija (

mic

roT

)

Linija L1



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

500

1000

1500

2000

2270

2500

3000

3500

4000

4320

4500

4745

5000

5500

6000


Mag

netn

a in

dukc

ija (

mic

roT

)

Linija D

Linija F

Linija C

0

0.5

1

1.5

2

2.5

010

0015

0020

0025

8035

0040

0045

0052

3560

0065

6070

0078

9085

0090

20


Mag

netn

a in

dukc

ija (

mic

roT

)

Linija L1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

3000

3500

4000

4320

4500

4745

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500


Mag

netn

a in

dukc

ija (

mic

roT

)

U osi opreme B

U osi opreme E

U osi opreme H

U osi opreme J



0

0.5

1

1.5

2

2.5

500

1000

1500

2000

2270

2500

3000

3500

4000

4320

4500

4745

5000

5500

6000


Mag

netn

a in

dukc

ija (

mic

roT

)

Linija G

Linija I

Linija F

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3000

3500

4000

4320

4500

4745

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500


Mag

netn

a in

dukc

ija (

mic

roT

)

U osi opreme B

U osi opreme E

Linija G

U osi opreme J

0

0.5

1

1.5

2

2.5

010

0015

0020

0025

8035

0040

0045

0052

3560

0065

6070

0078

9085

0090

20


Mag

netn

a in

dukc

ija (

mic

roT

)

Linija L1


Zaključak na osnovu rezultata merenja

• Vrednosti magnetne indukcije su manje od dozvoljenih 3.75 T

• Maksimalna vrednost magnetne indukcije je nešto veća od 3 T

• Maksimalna vrednost magnetne indukcije u linijama postavljanja opreme je nešto veća od 2 T

• Izvedeno rešenje elektromagnetne zaštite (elektromagnetni ekran u transformatorskoj stanici)

od rasutog fluksa transformatora je efikasno i sprečava prodor magnetnog polja iz

transformatorskih boksova u tehničku prostoriju na prvoj i drugoj etaži, na kojima će biti

smeštena telekomunikaciona oprema


Documents

Elektromagnetna zaštita u prostorijama iznad energetskih transformatora