Univerzitet u Beogradu Elektrotehniki fakultet Katedra za energetske
Univerzitet u Beogradu, Elektrotehnički fakultet, Katedra za energetske pretvarače i pogone, Prof. Dr Zoran Radakovic Kontakt: radakovic@etf. rs Predmet: Specijalne električne instalacije (izborni predmer, četvrta godina studija, sedmi semestar, Energetski odsek) Elektromagnetna zaštita u prostorijama iznad energetskih transformatora Poglavlje 6 / Deo 2 12/17/2021 Školska 2019 / 2020 godina Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 1
O problemu prisustva magnetnog polja 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, posledice po zdravlje ljudi. Dozvoljeni nivoi magnetnog polja: 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 300 GHz) 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. Moglo bi se reći da je ovo otvorena tema za objekte široke civilne namene, pre svega nivo koji se smatra za štetan po zdravlje ljudi. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 2
Kako smanjiti elektromagnetno polje? 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. 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 strano magnetno polje “kanališe”, odnosno spreči da prodre u štićeni prostor. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 3
Konfiguracija primera koji će se nadalje razmatrati Donja etaža: 3 trafo boksa sa suvim transformatorima bez kućišta 4 x 1600 k. VA, 10 k. V/0. 4 k. V + postrojenje. Iznad ove etaže se nalaze dve etaže sa osetljivom elektronskom i telekomunikacionom opremom. Linija: A – Osa transformatora T 1 B – Osa opreme C – Iznad zida između trafo boksova T 1 i T 2 D – Osa transformatora T 2 E – Osa opreme F – Iznad zida između trafo boksova T 2 i T 3 G – Osa transformatora T 3 H – Osa opreme I – Iznad zida između trafo boksa T 3 i razvodnog postrojenja J – Osa opreme 12/17/2021 L 1 – Poprečna osa svih transformatora L 2 – Uz pregradni zid sa unutrašnje strane trafo boksa L 3 – Uz pregradni zid sa spoljašnje strane trafo boksa Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 4
Projekat razvoja elektromagnetnog ekrana za smanjene magnetnog polja u gornjim etažama ispod 3. 75 T Cilj: Razvoj tehničkog rešenja kojim će se magnetno polje na etaži iznad trafo boksova smanjiti ispod 3. 75 T. Odakle magnetno polje iznad transformatora? HJ – Magnetno polje u zoni jarma (deo namotaja koji se nalazi između gornjeg i donjeg jarma) HV – Magnetno polje van zone jarma l. H – Dužina putanje magnetnog polja: J – u zoni jarma, V – van zone jarma 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 5
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 fluksa duž njene zatvorene putanje ne menja mnogo presek, intenzitet magnetne indukcije je približno konstantan) i da je relativna magnetna permeabilnost feromagnetnog materijala mnogo veća od 1 (za vazduh, v=1); dakle, magnetno polje u delu putanje kroz vazduh je mnogo veće od magnetnog polja u delu putanje kroz feromagnetni materijal. Odatle sledi: 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 (V) će „ugroziti okolinu“, odnosno zatvoriti u prostoru van transformatora, dok se deo tog fluksa zatvara između gornjeg i donjeg jarma transformatora (J). 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 6
Jačina magnetnog polja u zoni van jezgra opada sa porastom rastojanja od vrha namotaja, a pogotovu od vrha jezgra (zbog produženja puta kroz vazduh). Linije magnetnog polja u zoni van jezgra (prikaz na primeru u ravni magnetnog kola, u zoni van stuba magnetnog kola krajnje faze) Sa porastom rastojanja y dolazi do opadanja jačine magnetnog polja: Efekat primene ekrana od feromagnetnog materijala (raspodela magnetnog polja pre postavljanja ekrana je prikazana na prethodnoj slici): 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 7
Polje „nema nikakvog razloga“ da ide putem iznad magnetnog ekrana ( >> 1), 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 l 6 (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, koji bi se produžio. 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 k. VA, 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. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 8
Koliki je rasuti fluks namotaja? 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 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 5 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 – u proizvoljnoj tački vazdušnog prostora komponente vektora magnetnih polja koja potiču od svake od faza se razlikuju, pa se “polje ne poništava”. Kada se postavi magnetni ekran on 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. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 9
Princip delimičnog 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 na trofaznim konstrukcijama (iz navedenih razloga), tako i na monofaznim konstrukcijama – one su lakše izvodljive, a daju korisnu informaciju – pogotovu za sagledavanje efekta ekranskog dejstva 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 10
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: Sonda 2 – merni kalem: 2000 navojaka, srednji prečnik oko 11 mm 3000 navojaka, srednji prečnik oko 25 mm 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. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 11
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 Kontrolni klasičan ampermetar Strujna sonda 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 12
Procedura kalibracije üStruja se podesi na približnu željenu vrednost (na osnovu pokazivanja klasičnog ampermetra) üSnimi se talasni oblik struje pomoću strujne sonde i osciloskopa üIz talasnog oblika struje, primenom brze digitalne Furijeove transformacije (program napisan u Matlabu) odredi se efektivna vrednost osnovnog harmonika struje üNa osnovu poznate zavisnosti magnetne indukcije u osi solenoida u funkciji struje kroz solenoid (Osnovi elektrotehnike), odredi se efektivna vrednost osnovnog harmonika magnetne indukcije (B 1) üSnimi se talasni oblik napona indukovanog na krajevima merne sonde üIz talasnog oblika napona se odredi efektivna vrednost osnovnog harmonika napona indukovanog na krajevima merne sonde (U 1) üOdredi se konstanta merne sonde (k), kao odnos k=B 1/ U 1 Konačni rezultat kalibracije sondi (U 1=Nnavojaka (Dekv 2 / 4) 2 f B 1) • Sonda 1: q Konstanta sonde je 19. 525 m. T / V q Ekvivalentni prečnik (geometrijski iznosi oko 11 mm) je Dekv=10. 19 mm • Sonda 2: q Konstanta sonde je 2. 2575 m. T / V 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic q Ekvivalentni prečnik (geometrijski iznosi oko 25 mm) je Dekv= 24. 4513 mm
Merenja u Minel Dinamu na transformatoru bez gornjeg jarma Šematski prikaz eksperimentalnog modela nisko-naponski namotaj na stubovima magnetnog kola 12/17/2021 Limova u ekranu Ekran u ravni Merna ravan Napon Struja I 1 Struja I 2 Struja I 3 - - 1 117 V 35 42. 5 35 - - 2 117 V 35 42. 5 35 - - 3 117 V 35 42. 5 35 - - 4 117 V 35 42. 5 35 - - 1 8. 7 V 2. 5 3. 25 2. 5 - - 2 8. 7 V 2. 5 3. 25 2. 5 6 1 1 117 V 30 38 30 10 1 2 117 V 30 38 30 10 2 3 117 V 30 38 30 10 1 4 117 V 30 38 30 10 2 4 117 V 30 38 30 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Tab. 1 14
Dimenzije magnetnog jezgra (stuba) Dimenzije magnetnog kola Sl. 7 Rastojanje mernih ravni od poda: 90 cm, 120 cm, 150 cm i 180 cm Nominalna snaga transformatora: Sn. T=100 k. VA Nominalni napon niskonaponskog namotaja: Un. NN=400 V Sprega niskonaponskog namotaja: razlomljena zvezda Slajd 15 Nominalna struja niskonaponskog namotaja: In. NN=144 A Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radaković
Merenje magnetnog polja (merni kalem: 2000 navojaka, srednji prečnik 11 mm) X komponenta polja Y komponenta polja Mreža mernih tačaka 12/17/2021 Z komponenta Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic polja 16
Merenje signala sa merne sonde 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 kao 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. Registrovanje signala na osciloskopu 12/17/2021 Filtriranje signala na računaru Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 17
Vrednost signala koje je moguće detektovati – primena elementarnog filtriranja • Moguć je u slučajevima kada je merni šum mali u odnosu na signal (napon) 50 Hz koji potiče od magnetnog fluksa formiranog pomoću transformatora bez jarma. • 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, kojim se smanjuju harmonici viših učestanosti, karakteristično je da se ne poznaje njegova frekventna karakteristika, pa se ne može proceniti koliko je slabljenje svake od učestanosti (uključujući i 50 Hz). • 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 (to se zaključuje iz oblika površi – površ koja potiče od korisnog signala je glatka) nije bilo moguće kvalitetno merenje raspodele magnetnog polja - (desna slika) 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 18
• Na naredne tri slike je prikazan jedan “zagađen” signal (merni šum viših harmonika 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 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 19
Obrada signala na računaru – primena Furijeove transformacije • Ovaj način obrade signala je izvršen samo za merenja na transformatoru u kratkom spoju jer je tada korisni signal mali, pa je u odnosu na osnovni harmonik veliki šum koji stvaraju viši harmonici. • Primenom Furijeove transformacije se praktično ostvaruje idealni filter, odnosno tačno se izdvaja komponenta 50 Hz. • Primenom Furijeove transformacije može se izvući vrednost signala osnovne učestanosti pri mnogo zagađenijim signalima nego što se može postići 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) 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 20
Merenja na transformatoru bez gornjeg jarma (test transformator – TT snage 100 k. VA) • Bez magnetnog ekrana: napon podešen tako da je fluks stuba jednak rasutom fluksu koji se ima kod velikog transformatora – RT (1600 k. VA), pri njegovom nominalnom opterećenju. Ideja je da se simulira realni fluks koji odlazi u okolinu. • Bez magnetnog ekrana: napon podešen tako da je fluks stuba jednak rasutom fluksu koji se ima kod test transformatora – TT (100 k. VA), pri polovini nominalne struje kratko spojenog transformatora (mali transformator je uljni, a tokom ispitivanja nije bio postavljen u sud sa uljem, pa se nije mogao 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 nominalno opterećenog RT (1600 k. VA). Svrha: prikupljanje prvih iskustava u vezi sa dejstvom magnetnog ekrana od fermomagnetnih materijala. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 21
Bez ekrana, ravan 2 Ekran postavljen u ravan 1 Ekran u ravani 2, merenje u ravni 3 Slajd 22 Merenje u ravni 1, u kojoj je postavljen i ekran Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radaković
Serija merenja na četiri nivoa iznad transformatora - bez magnetnog ekrana – napon 117 V Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije na svakom od nivoa Izostavljena jedna očigledno pogrešno registrovana tačka 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 23
3 D prikaz raspodele (različita rotacija slika) magnetne indukcije (bez magnetnog ekrana – napon 117 V) Maksimalni intenzitet indukcije: 2. 0381 m. T 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 24
3 D prikaz raspodele (različita rotacija slika) magnetne indukcije (bez magnetnog ekrana – napon 117 V) Maksimalni intenzitet indukcije: 2. 0381 m. T 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 25
Formiranje magnetnog ekrana od 10 limova Spojevi limova, koji su manji od širine ekranizovanog prostora, su pomereni kako bi se smanjio magnetni otpor proticanju magnetnog fluksa kroz ekran. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 26
Serija merenja sa magnetnim ekranom sa 10 pomerenih limova – napon 117 V Limovi na nivou 1 Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije na svakom od nivoa 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 27
Ilustracija efekta ekrana na raspodelu magnetne indukcije – pri naponu 117 V Koordinatni početak (0, 0) se nalazi iznad centra srednjeg stuba transformatora (zbog simetrije se prikazuje četvrtina ravni). Ekran na nivou 2 merenje na nivou 2 Ekran na nivou 1 merenje na nivou 1 Vrednosti magnetne indukcije ( T) na različitim nivoima bez magnetnog ekrana i Bez Limovi na sa magnetnim ekranom pri naponu 117 V Bez ekrana: Maksimum na sredini Sa ekranom: Maksimum na ivicama ekrana (!!!) 12/17/2021 Limovi na nivou 2 limova nivou 1 Nivo 1 1800 1000 Nivo 2 420 120 220 Nivo 3 150 66 65 80 62 52 Nivo 4 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 28
Merenja na transformatoru u kratkom spoju Struja je podešena tako da je ukupan rasuti fluks jednak fluksu koji se imao pri eksperimentu na transformatoru bez gornjeg jarma pri dovedenom naponu 8. 7 V (videti drugi stav na slajdu 21). Vrednost podešene struje je jednaka polovinu nominalne. 12/17/2021 Cilj merenja: Provera verodostojnosti merenja na modelu (transformator 100 k. VA bez gornjeg jarma). U slučaju da se pokaže da su rezultati slični, može se smatrati da bi rezultati merenja na modelu, na kome je fluks podešen na vrednost rasutog fluksa kod realnog transformatora (1600 k. VA), bili merodavni za procenu raspodele magnetnog polja u okolini stvarnog transformatora (1600 k. VA). Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 29
Maksimalne vrednosti magnetne indukcije ( T) na različitim nivoima (situacije sa istim rasutim fluksom): o bez magnetnog ekrana, Pri naponu 8. 7 V Pri polovini nominalne struje Nivo 1 160 185 Nivo 2 50 190 o bez gornjeg jarma, o pri naponu 8. 7 V i o sa gornjim jarmom i o struji u kratkom spoju jednakoj polovini nominalne struje 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 (razlikovao se i način filtriranje) i izvesna sumnja u pouzdanost izmerenih vrednosti. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 30
Definisanje elektromagnetnog ekrana na bazi prethodnih merenja • Osnovna ideja je da se presek elektromagnetnog ekrana odredi po kriterijumu da ne dođe do njegovog zasićenja. • To znači da magnetna indukcija treba da bude manja od magnetne indukcije na kolenu magnetne karakteristike feromagnetnog materijala od koga je sačinjen ekran. • 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. • Veoma je važno primetiti da će se Z komponente magnetnog polja koja se “rotira” nakon postavljanja ekrana međusobno sabirati. Zbog toga se X i Y komponente koje su postojale pre postavljanja ekrana, a za koje se približno smatra da se ne menjaju, mogu zanemariti u odnosu na zbir vrednosti Z komponenti polja izmerenih bez ekrana. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 31
Približno, uslov da magnetna indukcija ne pređe vrednost magnetne indukcije zasićenja B max, je da površ poprečnog preseka magnetnog ekrana SE bude veća od gde je SR horizontalni presek ravni ekrana. Površ poprečnog preseka magnetnog ekrana SE se, koristeći pesimističke procene, može odrediti kao proizvod debljine ekrana i manje stranice pravougaonog horizontalnog preseka ekrana. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 32
Rezultati primene postupka za procenu potrebnog preseka ekrana Nivo 1, 117 V Nivo 2, 117 V Nivo 3, 117 V Nivo 4, 117 V 469 126 51. 3 31. 4 SE (mm 2) za Bmax=1. 5 T 313 84. 1 34. 2 21 SE (mm 2) za Bmax=1. 25 T 375 101 41 25. 1 SE (mm 2) za Bmax=1 T 469 126 51. 3 31. 4 Ako se uzme da je širina prostorije, odnosno magnetnog ekrana samo 1 m, došlo bi se do potrebne minimalne debljine trafo lima za izradu magnetnog ekrana od samo 31. 4 mm 2/1000 mm = 0. 03 mm (debljina jednog sloja je 0. 3 mm). Za red veličine veća vrednost standardnog trafo lima od određene minimalne potrebne debljine predstavlja dovoljnu sigurnosnu marginu da se može smatrati da usrednjavanje magnetnog fluksa po preseku (pretpostavljena je ravnomerna raspodela fluksa po širini prostorije) i zanemarene X i Y komponente polja registrova merenjima pre postavljanja ekrana neće dovesti do lokalnih zasićenja. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 33
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 117 V na transformatoru bez gornjeg jarma. • Ako se uzme da je širina prostorije, odnosno magnetnog ekrana samo 1 m, došlo bi se do potrebne minimalne debljine trafo lima za izradu magnetnog ekrana od samo 31. 4 mm 2/1000 mm = 0. 03 mm. • To znači da bi bio dovoljan jedan sloj magnetnog trafo lima na tavanici (debljina jednog sloja je 0. 3 mm). • Ovako mali potreban presek nameće razmišljanje da se primeni pocinkovani lim, koji ima nižu vrednost maksimalne indukcije, ali je opcija koja je jeftinija, mehanički jača i jednostavnija za izvođenje. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 34
Merenja na Elektrotehničkom fakultetu na monofaznoj prigušnici i sa dve kape od pocinkovanog lima debljine 1 mm Napravljen 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. Laboratorijski model Dispozicija stvarnog postrojenja Kapa ekrana Laboratorijski model Kapa ekrana Transformator Monofazna prigušnica 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 35
Merenja • Svrha: Merenja na topologiji sličnoj onoj koja će se imati u realnoj transformatorskoj stanici • Traženje odgovora na pitanje: Da li će magnetni fluks 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)? Drugim rečima, da li je dovoljno dimenzionisati ekran samo po kriterijumu da se ne zasiti magnetni materijal ili je potrebno primenjivati detaljnija izračunavanja? • 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 sonda čija je konstanta 2. 259 m. T/V 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 36
Rezultati merenja (magnetna indukcija u T) sa jednom kapom debljine 1 mm Merenja su vršena neposredno iznad ekrana, u mreži čije je okce 5 cm; pozicije u pravcu duže stranice kape su označavane samo brojem, a u pravcu kraće stranice brojem koji sledi iza slova S. Ukupno polje Y komponenta 12/17/2021 Z komponenta X komponenta Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 37
Komentar rezultata Sledeća tabela sadrži sumarne rezultate. Pozicija Bez Ekrana Sa ekranom Ukupno Polje X komponenta Y komponenta Z komponenta (S 1, 1) 99, 45 1, 11 10, 6 98, 9 Max (S 1) 99, 45 37, 2 10, 6 98, 9 Max (1) 99, 45 2, 25 41, 1 98, 9 Max (S 7) 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 (S 1, 1) 54, 53 7, 68 5, 33 53, 7 Max (S 1) 75, 66 28, 2 79, 9 69, 8 Max (1) 103, 47 8, 42 36, 1 96, 6 Max (S 7) 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 12/17/2021 Ukupni magnetni fluks § Određen kao fluks z komponente vektora magnetne indukcije kroz ravan (2 x 6. 5 x 5 cm) x (2 x 12. 5 x 5 cm) = 65 cm x 125 cm: 51. 3 Wb § Određen kao (U / ) / Nnavojaka: ( 2 140/(100 ))/220 = 2865 Wb Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 38
• 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, zbog čega 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. Situacija u objektu bolja na graničnim linijama ekrana je mnogo povoljnija jer 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) 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 39
• Kako bi se proverile (potvrdile) prethodne pretpostavke, kao i izvršila njihova kvantifikacija, odlučeno je da se napravi 2 D model u nekom softveru za modelovanje magnetnih polja. Ovo je bila povoljnija varijanta nego da se nastavi sa eksperimentalnim istraživanjima. • 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? 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 40
2 D model u softveru za modelovanje magnetnih polja • Faze rada: § Test primer 2 D 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 2 D simulacije § Magnetno jezgro sa vazdušnim zazorom (0. 5 mm) § Magnetno jezgro sačinjeno od kompaktnog magnetnog materijala (gvožđe) § 2 D geometrija (rotaciono simetričan model) § Spoljna stranica kvadrata magnetnog kola 24 mm, debljina magnetnog kola 2 mm § Jednosmerna struja kroz provodnik koji prolazi kroz sredinu magnetnog jezgra (stacionarno polje) 40 A 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 41
§ Raspodela magnetnog polja duž označene crvene linije § Vrednost magnetnog polja, izračunata teoretski na osnovu geometrije, struje i magnetske permeabilnosti od r=4000 iznosi 76000 A/m § Uvećana raspodela magnetnog polja na kojoj se može uočiti blaga promena magnetnog polja duž magnetnog jezgra 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 42
Linija u kojoj je određena raspodela magnetnog polja u zoni vazdušnog zazora Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m) u ravni Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m) duž definisane linije 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 43
Linija u kojoj je određena raspodela magnetnog polja u zoni magnetnog kola Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m) u ravni Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m) duž definisane linije 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 44
§ Prethodno opisana konfiguracija, sa naizmeničnom strujom efektivne vrednosti 40 A, 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) vazdušnog zazora (duž definisane linije) 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 45
Simulacije konfiguracija za koje su vršena merenja Laboratorijski model Ravan merenja (25 mm iznad gornje površi magnetnog ekrana) Kapa ekrana Uprošćenja u simulaciji: • 2 D simulacija (nije uzet u obzir pravougaoni oblik magnetnog ekrana) • Zanemarena je debljina monofazne prigušnice Monofazna prigušnica Simulacija slučaja bez magnetnog ekrana / verifikacija simulacija Prikaz raspodele magnetne indukcije (T) iznad ravni u kojoj se postavlja magnetni ekran (merenja magnetnog polja su vršena na 25 mm od ravni ekrana – rezultati merenja dati na slajdu 38 – linija S 1; maksimum - 86 T računato i 98 T mereno, minumum – oko 45 T i računato i mereno; može se smatrati da su slaganja zadovoljavajuća, čime je izvršena verifikacija simulacionog modela) 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 46
Simulacija slučaja sa magnetnim ekranom / verifikacija simulacija Raspodela magnetne indukcije (T) u ravni 25 mm iznad ravni ekrana: levo - simulacija po dužoj ivici, desno - simulacija po kraćoj ivici 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 2 D simulacija za kraću dimenziju ekrana. Rezultat za ovu simulaciju se bolje poklapa sa vrednostima dobijenim merenjima (rezultati merenja dati linijom S 1 na slajdu 38); slaganje maksimuma je dobro, ali se polja iznad prigušnice nešto više razlikuju. Prikaz mash–a 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 47
Simulacija slučaja sa magnetnim ekranom / važni detalji i zaključci 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. U tačkama iznad ekrana u zoni udaljenoj od monofazne prigušnice fluks izlazi iznad ekrana, kao posledica porasta magnetne indukcije u ekranu, iako nema zasićenja. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 48
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 (250 mm iznad monofazne prigušnice) Raspodela intenziteta magnetne indukcije (T) iznad deblje kape Zaključak: bez željenog efekta 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 49
Raspodela intenziteta magnetne indukcije (T) iznad ekrana izvedenog do dna prigušnice Zaključak: Značajno smanjenje polja iznad ekrana 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 50
Raspodela intenziteta magnetne indukcije (T) iznad zaobljenog ekrana (pozicija 25 mm iznad ekrana) Postignut efekat smanjenja polja iznad ekrana, ali ne tako veliki kao kada je ekran spušten do dna prigušnice. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Raspodela intenziteta magnetne indukcije (T) iznad ekrana postavljenog na 250 mm iznad monofazne prigušnice. Poređenjem zelene krive sa krivama na prethodnim slikama koje su važile za rastojanje od ekrana do senzora od 25 mm zaključuje se da nije postignut željeni efekat smanjenja polja. Potvrđuje se da prethodno uočeni efekat da je polje u zoni neposredno iznad ekrana veliko. 51
Zaključak na bazi simulacija navedenih konfiguracija sličnih set-up-u iz laboratorije • Najveći efekat je imalo postavljanje magnetnog ekrana po čitavoj visini zidova. • Ovo je od naročitog značaja jer zidovi već poseduju armaturu, a lako je izvodljivo (čak i naknadno, kao korektivnu meru) postavljati pocinkovani lim. • Efekat povećanja polja u zoni iznad ekrana, oko rubnih delova ekrana, javlja se 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 80 T na ispod 25 T. • Sledeći korak su simulacije budućeg realnog postrojenja (objekta, transformatora i potencijalnih konstrukcija ekrana) 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 52
Proračuni polja i projektno rešenje realnog postrojenja Dispozicija stvarnog postrojenja Noseća čelična konstrukcija antistatik poda: okce 60 x 60 cm Gvozdena mreža armature Proračuni: tavanice; orijentaciono, • Izvor fluksa je jedan navojak visine 1700 mm, presek žice 8 mm, okce 10 prečnika 1640 mm (ovo je približno jednako dužini x 10 mm transformatora) • Struja izvora fluksa je podešena na 6000 A, kada se dobija fluks 4. 5 m. Wb, što je približano jednako rasutom fluksu po fazi transformatora Kapa ekrana (uk Bmax SFe=0. 06 1. 5 0. 22 0. 23=4. 554 m. Wb) • Armatura u zidovima i tavanici je modelovana čeličnim limom debljine 0. 8 mm ( r=4000). • Noseća čelična konstrukcija antistatik poda je modelovana čeličnim limom debljine 1 mm ( r=4000). • Pod je modelovan čeličnim materijalom debljine Transformator 12/17/2021 1 mm (uzeto je da je r=1). Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 53
Rezultati simulacije za usvojeno konačno rešenje magnetnog ekrana Intenzitet magnetne indukcije (T) duž horizontalnih presečnih linija iznad elektromagnetnog ekrana Bez dodatnih limova do dna zida Sa jednim dodatnim limom do dna zida U oba slučaja magnetna indukcija je ispod dozvoljenih 3. 75 T. 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. 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 54
Izgled magnetnog ekrana izvedenog u transformatorskoj stanici 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 55
12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 56
12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 57
Verifikaciona merenja na objektu • Merenja su vršena instrumentom “EFA-300” proizvođača “Narda Safety Test Solutions” • Merenja su vršena u 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 (slajd 4) § 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 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 58
Rezultati merenja dok je bio opterećen transformator 1 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 59
Rezultati merenja dok je bio opterećen transformator 2 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 60
Rezultati merenja dok je bio opterećen transformator 3 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 61
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 • Izvedenim elektromagnetnim ekranom u transformatorskoj stanici je uspešno je izvršena zahtevana zaštita od rasutog fluksa transformatora, odnosno sprečen je prodor magnetnog polja iz transformatorskih boksova u tehničku prostoriju na prvoj i drugoj etaži, na kojima će biti smeštena telekomunikaciona oprema 12/17/2021 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 62
- Slides: 62