Editorial Publicado em 18 ago 2020

O nível de ruído de transformadores e reatores

Redação

O som audível irradiado pelos transformadores e reatores é gerado por uma combinação de deformação magnetorrestritiva do núcleo e pelas forças eletromagnéticas nos enrolamentos, paredes do tanque e blindagens magnéticas. Historicamente, o som gerado pelo campo magnético que induz vibrações longitudinais nas laminações do núcleo tem sido dominante. A amplitude dessas vibrações depende da densidade do fluxo nas laminações e das propriedades magnéticas do aço do núcleo, sendo independente da corrente de carga. Os avanços no projeto do núcleo, combinados com o uso de baixos níveis de indução, reduziram a quantidade de som gerada no núcleo, de modo que o som causado pelas forças eletromagnéticas possa se tornar não significativo. Além disso, os campos magnéticos dispersos podem induzir as vibrações em componentes estruturais. A força, ou a amplitude das vibrações, é proporcional ao quadrado da corrente e a potência sonora irradiada e é proporcional ao quadrado da amplitude vibracional. Consequentemente, a potência sonora irradiada é fortemente dependente da corrente de carga. As vibrações nos conjuntos de núcleo e enrolamento podem induzir vibrações simpáticas nas paredes do tanque, proteções magnéticas e dutos de ar (se presentes). No caso de reatores de derivação ou série com núcleo de ar tipo seco, o som é gerado por forças eletromagnéticas que atuam nos enrolamentos de maneira semelhante à descrita acima. Essas forças oscilatórias fazem com que o reator vibre axialmente e radialmente, e os suportes axial e radial e as tolerâncias de fabricação podem resultar na excitação de modos além daqueles de simetria rotacional. No caso de reatores com núcleo de ferro, as vibrações adicionais são induzidas por forças que atuam no circuito magnético. Dessa forma, para todas as plantas elétricas, a consequência da presença de harmônicos na fonte de alimentação deve ser entendida. Normalmente, as vibrações ocorrem em harmônicos da frequência de potência, sendo o primeiro harmônico dominante. Se outras frequências estiverem presentes na fonte de alimentação, outras forças poderão ser induzidas. É importante conhecer os métodos de determinação dos níveis de ruído audível de transformadores, reatores e sistemas de resfriamento associados, de modo a confirmar o atendimento dos requisitos das especificações e determinar as características de ruído emitido em funcionamento.

O ruído do transformador em funcionamento, do reator e de outros equipamentos elétricos na subestação tem um efeito negativo no meio ambiente. De acordo com as características do ruído da subestação e as técnicas de redução de ruído, o modelo de campo acústico da subestação pode ser estabelecido com um software para prever o escopo do ruído da subestação. O excesso de ruído pode ser reduzido com eficiência usando os métodos de redução de ruído correspondentes.

O principal ruído da subestação vem do transformador e reator de trabalho. O som de um transformador é um ruído de baixa frequência, pode se espalhar muito longe e é difícil de eliminar. Embora o ruído gerado pelos ventiladores e outros equipamentos seja principalmente de alta frequência, é relativamente fácil eliminá-lo porque o ruído de alta frequência atenua muito rapidamente. Consequentemente, desperta grande atenção na busca de medidas efetivas para reduzir o ruído do transformador da subestação.

Nos últimos anos, com o desenvolvimento e aplicação de software de simulação de ruído ambiental, ele fornece uma nova ideia para a gestão de ruído de subestações. Por um lado, a condição de distribuição de ruído da subestação operacional e o efeito do ruído no ambiente podem ser atenuados. Esquemas de tratamento razoáveis com foco em problemas de ruído excessivo podem ser propostos e o melhor método de controle de ruído pode ser obtido usando a função de simulação de um software, por exemplo. O ruído da subestação provém principalmente do transformador, reator e sistema de refrigeração em funcionamento, entre os quais o transformador é definitivamente a principal fonte de ruído.

O nível médio de ruído de uma subestação em operação é de 80 a 100 dBA. Ensaios realizados revelaram que o ruído do transformador é concentrado principalmente na faixa de frequência de 50 a 500 Hz. Todo o espectro mostrou principalmente os ruídos de baixa frequência. O ruído de baixa frequência tem uma forte capacidade de difração e transmissão. Ele pode facilmente passar por obstáculos físicos, de modo que o ruído tenha transmissão de longa distância e ampla faixa de influência. O ruído de baixa frequência também é a principal fonte de ruído na vida diária dos residentes. Portanto, o controle do ruído da subestação é focado principalmente no ruído de baixa frequência.

Enfim, a principal fonte de geração de ruído acústico em um transformador é a deformação mecânica periódica do núcleo do transformador e das bobinas do enrolamento. Isso ocorre devido à influência do fluxo eletromagnético flutuante associado a essas partes.

A linha de fluxo da energia acústica gerada no transformador é a propagação do ruído do núcleo e dos enrolamentos através do meio de óleo que é espalhada para o ambiente externo. O espectro do ruído pode ser capturado pelos instrumentos avançados de medição de nível de ruído. Os fenômenos físicos, associados a essa geração de ruído, podem ser resumidos. O material de um núcleo de transformador exibe propriedades magnetorrestritivas. A vibração do núcleo é devida à sua tensão magnetorrestritiva que varia duas vezes a frequência do fluxo magnético alternado. As frequências do fluxo magnético são iguais à frequência de fornecimento do sistema de energia e seus harmônicos.

Quando houver folgas residuais entre as laminações do núcleo, a força magneto pode fazer com que as laminações do núcleo colidam umas com as outras e produzam o ruído. Além disso, as forças mútuas periódicas entre os enrolamentos da bobina que carregam corrente podem induzir vibrações se houver alguma rotação solta da bobina.

A NBR 7277 de 11/1988 - Transformadores e reatores - Determinação do nível de ruído prescreve os métodos de determinação dos níveis de ruído audível de transformadores, reatores e sistemas de resfriamento associados, de modo a confirmar o atendimento dos requisitos das especificações e determinar as características de ruído emitido em funcionamento. Aplica-se a medições realizadas nas instalações do fabricante ou outros locais adequados, considerando-se que, no caso de medições feitas no campo, as condições podem ser bem diferentes devido à proximidade de outros objetos, ruído ambiente, etc. Não obstante, as prescrições gerais desta norma podem ser seguidas quando se efetuarem no campo.

Os métodos são aplicáveis a transformadores e reatores de todos os tipos abrangidos pela NBR 5356 e pela NBR 5119, respectivamente. Embora as disposições desta norma, para maior simplicidade, refiram-se apenas a transformadores, elas são aplicáveis também a reatores. Estabelece uma base para o cálculo do nível de potência acústica. Os métodos de medição e o procedimento de qualificação do ambiente de ensaio dados no Anexo A estão de acordo com a ISO 3746. As medições efetuadas, conforme essa norma, tendem para resultados cujos desvios-padrão são menores ou iguais a 3 dB.

As medições devem ser feitas com um medidor que esteja de acordo com a IEC 651. As instruções de operação fornecidas pelo fabricante do medidor devem ser seguidas a fim de obter o máximo grau de precisão. Em particular, devem ser atendidas as instruções relativas à distância mínima entre o observador e o microfone, o que é necessário para evitar erros devidos a reflexões. Imediatamente antes e de pois da sequência de medições, deve ser feita uma verificação acústica do equipamento de medição, utilizando-se um calibrador.

O local de ensaio deve atender aos procedimentos de qualificação do Anexo A. Para medição do nível de ruído, o equipamento a ensaiar deve estar provido de seus equipamentos auxiliares normais, visto que estes podem influenciar o resultado da medição. Para fins das medições efetuadas no transformador, com ou sem o equipamento de resfriamento, o transformador deve ser excitado em vazio com tensão nominal, de forma senoidal e frequência nominal, estando o comutador, se existir, ligado na derivação principal.

A tensão deve ser medida de acordo com a NBR 5380, observadas as prescrições referentes ao ensaio de corrente de excitação e perdas em vazio. Para reatores, devem ser observadas as prescrições da NBR 7569. Se o transformador for equipado com comutador de derivações em carga do tipo reator e se o reator em determinadas posições do comutador estiver permanentemente energizado, a medição deve ser feita com o transformador ligado numa derivação correspondente a esta condição e o mais próximo possível da derivação principal.

A excitação deve ser a correspondente à derivação usada. Quando esta seção fizer referência a mudanças de derivações, admitir-se-á que esta deve ser do tipo de variação de tensão a fluxo constante. Para métodos de variação de tensão a fluxo variável, a derivação escolhida e a tensão de excitação devem ser objetos de acordo entre fabricante e comprador. Não é aconselhável se fazerem medições de ruído em grandes transformadores nos primeiros minutos subsequentes a sua energização, quando esta for efetuada instantaneamente.

No caso de reatores onde a condição de ensaio em vazio não é aplicável, a medição do nível de ruído deve ser efetuada nas instalações do fabricante, quando estas dispuserem de condições para aplicação de plena carga neles, caso contrário, mediante acordo entre fabricante e comprador, podem ser adotadas as seguintes alternativas: execução do ensaio no campo; execução do ensaio em outras instalações. Para as medições com equipamentos de resfriamento, os motores dos ventiladores e/ou as bombas de óleo devem ser operados com tensão nominal, de forma senoidal e com frequência nominal.

Os níveis de ruído do equipamento e do ambiente devem ser determinados como níveis de pressão acústica, conforme ponderação da escala A, expressa em dB(A). Para evitar erros de medição devidos a influências perturbadoras, deve ser utilizada a indicação de resposta rápida do medidor. Os níveis de ruído ambiente devem ser medidos imediatamente antes e depois das medições efetuadas no equipamento sob ensaio.

Os procedimentos a adotar, conforme a diferença entre o nível de ruído ambiente e o nível de ruído do equipamento e ambiente combinados, são os seguintes: diferença igual ou superior a 10 db(A), as medições podem ser feitas apenas numa das posições de medição, sendo desnecessária a correção do nível de ruído do equipamento. Quando a diferença for igual ou superior a 3 dB(A) e inferior a 10 dB(A), deve-se aplicar a correção da tabela abaixo. Nesses casos, o nível de ruído ambiente deve ser determinado em todas as posições de medição, desde que o número total de posições seja igual ou inferior a dez, e em pelo menos dez posições distribuídas uniformemente ao redor do equipamento, quando o número total de posições de medição for superior a dez.

Quando a diferença for inferior a 3 dB(A), o ensaio não deve ser aceito, a menos que o nível de ruído ambiente e do equipamento combinados seja inferior ao valor garantido Nesse caso, devem ser aceitos valores menores que esta diferença, porém o relatório do ensaio deve registrar esta condição, e o valor total subtraído de 3 dB(A) deve ser considerado como sendo o limite superior do nível de ruído do equipamento no ponto considerado. A altura do microfone durante as medições do nível de ruído do ambiente deve ser a mesma que a utilizada para a medição do nível de ruído do equipamento, devendo as medições ser efetuadas em pontos localizados sobre a linha prescrita de contorno.

Embora a diferença entre o nível médio de ruído ambiente e o nível médio de ruído do equipamento e ambiente combinados possa ser pequena, deve-se procurar obter uma diferença no mínimo igual a 6 dB(A). Os seguintes métodos de medição do nível de ruído do equipamento abrangem os diferentes tipos de resfriamento empregados. A escolha do método depende da distância do equipamento de resfriamento à superfície principal de irradiação e da existência ou não de ventilação forçada. Estes métodos permitem também determinar o nível de potência acústica do equipamento completo.

No caso de alguns equipamentos, pode ser necessário aplicar especificações de ensaio (altura da linha prescrita de contorno e sua distância do objeto sob teste) diferentes daquelas aqui indicadas. Estas especificações de ensaio devem estar de acordo com as normas apropriadas, caso existam, senão, devem ser objeto de acordo entre fabricantes e compradores. No caso de transformadores com buchas horizontais, o contorno utilizado deve ser determinado dentro dos padrões de segurança. Para tanto, basta limitar o contorno à área de segurança.

Os transformadores com equipamento de resfriamento com ventilação forçada montado diretamente no tanque ou numa estrutura separada, à distância inferior a 3 m da superfície principal de irradiação do tanque principal. Esta seção aplica-se a medições no transformador isoladamente. Caso existam bombas para circulação de óleo solidárias ao tanque principal do transformador, estas devem estar em funcionamento ou não, de acordo com as condições previstas no estágio de resfriamento em consideração.

As medições no equipamento de resfriamento instalado em uma estrutura separada devem ser executadas de acordo com 6.2.3. Durante as medições no transformador isoladamente, o equipamento de resfriamento com ventilação forçada não deve estar em funcionamento. A superfície principal de irradiação é obtida pela projeção vertical da linha de contorno correspondente a uma corda esticada envolvendo o transformador, partindo do nível do topo da tampa (excluindo buchas e quaisquer saliências acima da tampa do taque para a base do tanque. Esta superfície deve incluir o equipamento de resfriamento solidário ao tanque, reforços do tanque e equipamentos auxiliares, tais como caixa para conexão de cabos, comutador de derivações, cubículos de comando, etc. Saliências como buchas, tubulação de óleo, conservadores de óleo, sub-base do tanque, válvulas e outros elementos secundários devem ser excluídos.

A linha prescrita de contorno deve estar afastada 0,3 m da superfície principal de irradiação como definida acima. Para transformadores com altura do tanque inferior a 2,5 m, a linha prescrita de contorno deve estar em um plano horizontal situado a meia altura do tanque. Para transformadores com altura do tanque igual ou superior a 2,5 m, devem ser usadas duas linhas prescritas de contorno, as quais devem estar em planos horizontais situados a um terço e a dois terços da altura do tanque.

No caso de transformadores com equipamento de resfriamento com ventilação forçada, devido à distância entre a linha prescrita de contorno e o equipamento de resfriamento, não é necessário levar em consideração a proximidade dele ao se planejar a disposição das posições de medição. As posições de medição, em número mínimo de seis, devem estar dispostas em intervalos aproximadamente iguais, não superiores a 1 m. Transformadores com equipamento de resfriamento com ventilação forçada montado diretamente no tanque ou numa estrutura separada, à distância inferior a 3 m da superfície principal de irradiação do tanque principal.

Duas séries de medições devem ser feitas, ambas com o transformador energizado: com o equipamento de resfriamento com ventilação forçada e as bombas para circulação de óleo fora de funcionamento; com este equipamento e bombas em funcionamento. A superfície principal de irradiação é obtida pela projeção vertical da linha de contorno correspondente a uma corda esticada envolvendo o transformador, partindo do nível do topo da tampa (excluindo buchas e quaisquer saliências acima da tampa do tanque para a base do tanque.

Esta superfície deve incluir o equipamento de resfriamento com ventilação forçada, reforços do tanque e equipamentos auxiliares tais como caixa para conexão de cabos, comutador de derivações, cubículos de comando, etc. Saliências tais como buchas, tubulação de óleo, conservadores de óleo, sub-base do tanque ou do equipamento de resfriamento, válvulas e outros elementos secundários devem ser excluídos. Para fins das medições conforme 6.2.2.2 a, a linha prescrita de contorno deve estar afastada 0,3 m da superfície principal de irradiação.

Para fins das medições conforme 6.2.2.2 b, esta linha deve ser afastada 2 m da superfície principal de irradiação. Para transformadores com altura do tanque inferior a 2,5 m, a linha prescrita de contorno deve estar em um plano horizontal situado a meia altura do tanque. Para transformadores com altura do tanque igual ou superior a 2,5 m, devem ser usadas duas linhas prescritas de contorno, as quais devem estar em planos horizontais situados a um terço e a dois terços da altura do tanque.