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

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

Elektromagnetna zaštita u prostorijama iznad energetskih transformatora

Poglavlje 6 / Deo 2 4/26/2020

Školska 2011 / 2012 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, 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) 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 2

Kako smanjiti elektromagnetno polje?

1.

2.

3.

4.

Opremu koja stvara elektromagnetno polje konstruisati tako da ono bude što manje Primer: aktivni deo transformatora postaviti u metalno kućište. Prostor u kome se nalazi oprema koja stvara elektromagnetno polje oklopiti i na taj način sprečiti prostiranje polja u okolinu.

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

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

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 3

Konfiguracija primera koji će se nadalje razmatrati Donja 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: 4/26/2020 A – Osa transformatora T1 B – Osa opreme C – Iznad zida između trafo boksova T1 i T2 D – Osa transformatora T2 E – Osa opreme F – Iznad zida između trafo boksova T2 i T3 G – Osa transformatora T3 H – Osa opreme I – Iznad zida između trafo boksa T3 i razvodnog postrojenja J – Osa opreme L1 – Poprečna osa svih transformatora L2 – Uz pregradni zid sa unutrašnje Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic strane trafo boksa L3 – Uz pregradni zid sa spoljašnje strane trafo boksa 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?

l HJ = H P /K R y H P l HV >l HJ H P H d NN d Z d VN Hj Hv x H J – Magnetno polje u zoni jarma (deo namotaja koji se nalazi između gornjeg i donjeg jarma) H V – Magnetno polje van zone jarma 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 5

 

H

 

dl



N I

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.

H V



N I l HV H J



N I l HJ l HV



l HJ



H V



H J

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. 4/26/2020 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).

l 5 l 3 l 1 y l 7 l 6 l 4 l 2 x Ravan 3 Ravan 2 Ravan 1 Linije magnetnog polja u zoni van jezgra Sa porastom rastojanja

y

dolazi do opadanja jačine magnetnog polja: Efekat primene ekrana od feromagnetnog materijala: 4/26/2020 l 6 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

l i

 1 

l i



H i

 1 

H i

Ravan 3 l 7 Ravan 2 l 6 7

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

l 6

(možda još neka od linija polja

l i

,

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.

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 8

Koliki je rasuti fluks namotaja?



rasuto u k n u k U n N

Ako se pretpostavi da će magnetno kolo biti projektovano „na ivici“ magnetne indukcije (

B max

), fluks koji se prostire kroz okolinu ćemo moći da odredimo preko preseka magnetnog kola 

rasuto



u B

max

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.

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 9

Princip ujednačavanja polja od tri faze iznad transformatora kada postoji feromagnetni ekran Ravan 3 Ravan 2 f 1 f 1 f 1 f 1 f 2 f 2 f 2 f 2 f 3 f 3 f 3 f 3 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 4/26/2020 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: 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.

4/26/2020 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 4/26/2020 Kontrolni klasičan ampermetar Strujna sonda Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 12

Procedura kalibracije  Struja se podesi na približnu željenu vrednost (na osnovu pokazivanja klasičnog ampermetra)  Snimi se talasni oblik struje pomoću strujne sonde i osciloskopa  Iz talasnog oblika struje, primenom brze digitalne Furijeove transformacije (program napisan u Matlabu) se odredi efektivna vrednost osnovnog harmonika struje  Na osnovu iz Osnova elektrotehnike poznate zavisnosti magnetne indukcije u osi solenoida u funkciji struje kroz solenoid, odredi se efektivna vrednost osnovnog harmonika magnetne indukcije (B 1 )  Snimi se talasni oblik napona indukovanog na krajevima merne sonde  Iz talasnog oblika napona se odredi efektivna vrednost osnovnog harmonika napona indukovanog na krajevima merne sonde (U 1 )  Odredi se konstanta merne sonde (k), kao odnos k=B 1 / U 1 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: 4/26/2020  Konstanta sonde je 2.2575 mT / V  Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

X Z

Merenja u Minel Dinamu na transformatoru bez gornjeg jarma

Y Limova u ekranu Ekran u ravni Merna ravan Napon Struja I1 Struja I2 Struja I3

Ravan 4 Ravan 3 Ravan 2 Ravan 1

Šematski prikaz eksperimentalnog modela nisko-naponski namotaj na stubovima magnetnog kola 6 10 10 10 10 10 10 1 2 1 1 1 2 1 2 1 1 2 3 4 1 3 3 1 2 2 4 117V 117V 117V 117V 8.7V

8.7V

117V 117V 117V 117V 117V 117V 117V 35 35 35 35 2.5

2.5

30 30 30 30 30 30 30 42.5

42.5

42.5

42.5

3.25

3.25

38 38 38 38 38 38 38 35 35 35 35 2.5

2.5

30 30 30 30 30 30 30 10 2 4 117V 30 38 30 4/26/2020 Tab. 1 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 14

Dimenzije magnetnog jezgra (stuba) 120 mm

590mm

233mm Dimenzije magnetnog kola Sl. 7 S=45*120+2*(10*110+8*100+7*90+5*80+4*70+3*60+3*40)=12420mm 2 Rastojanje mernih ravni od poda:

90cm, 120cm, 150cm i 180cm

Nominalna snaga transformatora: S nT =100kVA Nominalni napon niskonaponskog namotaja: U nNN =400V Sprega niskonaponskog namotaja: razlomljena zvezda Nominalna struja niskonaponskog namotaja: I nNN =144A Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radaković

Merenje magnetnog polja (merni kalem: 2000 navojaka, Du=10mm Ds  12mm) 4/26/2020 X komponenta polja Z komponenta Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic polja Y komponenta polja Mreža mernih tačaka 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 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.

Registrovanje signala na osciloskopu 4/26/2020 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 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) 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 18

• 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 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 19

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) 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 20

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.

U TT



u kRT U nRT B

max

RT S FE RT B

max

TT S FE TT

• 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.

4/26/2020 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 Ekrana u ravni 1 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radaković

Serija merenja na četiri nivoa iznad transformatora - bez magnetnog ekrana – napon 117V Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije na svakom od nivoa 4/26/2020 Izostavljena jedna očigledno pogrešno registrovana tačka Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 23

3D prikaz raspodele magnetne indukcije (bez magnetnog ekrana – napon 117V) Maksimalni intenzitet indukcije: 2.0381 mT 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 24

3D prikaz raspodele magnetne indukcije (bez magnetnog ekrana – napon 117V) Maksimalni intenzitet indukcije: 2.0381 mT 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 25

3D prikaz raspodele magnetne indukcije (bez magnetnog ekrana – napon 117V) Maksimalni intenzitet indukcije: 2.0381 mT 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 26

Formiranje magnetnog ekrana od 10 limova, pomereni spojevi 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 27

Serija merenja sa magnetnim ekranom sa 10 pomerenih limova – napon 117V Limovi na nivou 1 Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije na svakom od nivoa 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 28

Ilustracija efekta ekrana na raspodelu magnetne indukcije – pri naponu 117V Koordinatni početak (0, 0) se nalazi iznad centra srednjeg stuba transformatora.

Ekran na nivou 1 merenje na nivou 1 Ekran na nivou 2 merenje na nivou 2 Vrednosti magnetne indukcije (  T) na različitim nivoima bez magnetnog ekrana i sa magnetnim ekranom pri naponu 117V

Bez limova Limovi na nivou 1

Bez ekrana: Maksimum na sredini Sa ekranom: Maksimum na ivicama ekrana

Nivo 1 Nivo 2 Nivo 3 Nivo 4 1800 420 150 80 1000 120 66 62 Limovi na nivou 2 220 65 52

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 29

Merenja u Minel Dinamu na transformatoru u kratkom spoju

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. 4/26/2020 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).

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 30

Maksimalne vrednosti magnetne indukcije (  T) na različitim nivoima: o bez magnetnog ekrana, o bez gornjeg jarma, o pri naponu 8.7V i

Nivo 1 Nivo 2 Pri naponu 8.7V

160 50 Pri polovini nominalne struje 185 190

o sa gornjim jarmom i o struji u kratkom spoju jednakoj polovini nominalne struje (situacije sa istim rasutim fluksom) 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.

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 31

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 90 0 . • To znači da će po postavljanju ekrana Z komponenta polja biti u ravni XY.

• Najnepovoljniji slučaj je da Z komponenta magnetne indukcije bude (B z ) kolinearna sa vektorom polja u XY ravni (BXY). Ako je površ ravni ekrana S R , a površ poprečnog preseka magnetnog ekrana S E , da polje ne bi prešlo vrednost magnetne indukcije zasićenja B max , potrebno je da presek ekrana S E ispuni kriterijum 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 32

S



R B Z dS



B XY S E



B

max

S E S E



S



R B Z B

max 

dS B XY

Pošto je S R >> S E i posledično (komponente X – duž transformatora i Z magnetne indukcije su samerljive)

S



R B Z dS



B XY S E

, Dolazi se do kriterijuma za dimenzionisanje magnetnog ekrana

S E



S



R B Z B

max

dS

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 4/26/2020 33

Rezultati primene postupka za procenu potrebnog preseka ekrana Nivo 1, 117V 

S R B Z dS

( 

Wb

) SE (mm 2 ) za B max =1.5T

SE (mm 2 ) za B max =1.25T

SE (mm 2 ) za B max =1T 469 313 375 469 Nivo 2, 117V Nivo 3, 117V Nivo 4, 117V 126 51.3

31.4

84.1

101 126 34.2

41 51.3

21 25.1

31.4

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 mm 2 /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.

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 34

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 mm 2 /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. 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 35

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

Laboratorijski model 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.

Dispozicija stvarnog postrojenja

Kapa ekrana

Laboratorijski model

Kapa ekrana Transformator Monofazna prigušnica 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 36

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) 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 37

Sa jednim od implementiranih ekrana 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 S1 S3 S5 S7 Ukupno polje Series1 Series2 Series3 Series4 Series5 Series6 Series7 Z komponenta 1.00E+02 9.00E+01 8.00E+01 7.00E+01 6.00E+01 5.00E+01 4.00E+01 3.00E+01 2.00E+01 1.00E+01 0.00E+00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 S1 S4 S7 Series1 Series2 Series3 Series4 Series5 Series6 Series7 3.50E+01 4.00E+01 3.50E+01 3.00E+01 3.00E+01 2.50E+01 2.50E+01 2.00E+01 1.50E+01 1.00E+01 5.00E+00 0.00E+00 1 2 3 4 5 6 7 8 4/26/2020 2.00E+01 Series1 Series2 Series3 Series4 Series5 Series6 Series7 1.50E+01 1.00E+01 5.00E+00 9 10 11 12 13 S1 S3 S5 S7 0.00E+00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 X komponenta Y komponenta Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic S1 S3 S5 S7 38 Series1 Series2 Series3 Series4 Series5 Series6 Series7

Komentar rezultata 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. Bez Ekrana Sa ekranom Pozicija (S1,1) Max (S1) Max (1) Max (S7) Max (13) Max (Sve) (S1,1) Max (S1) Max (1) Max (S7) Max (13) Max (Sve) Ukupno Polje 99,45 99,45 99,45 79,82 54,23 99,45 54,53 75,66 103,47 103,47 91,99 103,47 X komponenta 1,11 37,2 2,25 29,6 35,4 37,2 7,68 28,2 8,42 32,1 32,3 32,3 Y komponenta 10,6 10,6 41,1 41,1 20,9 41,1 5,33 79,9 36,1 38,2 37,9 38,2 Z komponenta 98,9 98,9 98,9 68,4 39,1 98,9 53,7 69,8 96,6 96,6 78,8 96,6 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 /  ) / N navojaka : (  2 140/(100  ))/220 = 2865  Wb 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 39

• 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) 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 40

• 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 o o o o o Kako opada polje u zoni iznad ekrana?

Kako utiče armatura u zidovima?

Kakav je efekat produženja dužine vertikalnog dela kape?

Kakav je efekat postavljanja vertikalnih traka celom dužinom zida?

Kakav je efekat povećanja ukupnog preseka kape?

Kakav je efekat izrade više kapa manjeg preseka, kao i uvođenje razmaka između pojedinih kapa? 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 41

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 4/26/2020  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 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 42

4/26/2020  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) Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 43

 Linija u kojoj je određena raspodela magnetnog polja u zoni vazdušnog zazora Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m) u ravni 4/26/2020 Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m) duž definisane linije Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 44

 Linija u kojoj je određena raspodela magnetnog polja u zoni magnetnog kola Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m) u ravni 4/26/2020 Prikaz raspodele jačine magnetnog polja (A/m) duž definisane linije Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 45

 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) 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 46

Simulacije konfiguracija za koje su vršena merenja Ravan merenja (ravan u kojoj se postavlja magnetni ekran)

Laboratorijski model

Kapa ekrana Uprošćenja u simulaciji: • 2D simulacija (nije uzet u obzir pravougaoni oblik magnetnog jezgra) • Zanemarena je debljina monofazne prigušnice Simulacija slučaja bez magnetnog ekrana / verifikacija simulacija Monofazna prigušnica 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 - 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) 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 47

Simulacija slučaja sa magnetnim ekranom / verifikacija simulacija Prikaz mash–a 4/26/2020 Raspodela magnetne indukcije (T) u ravni 25mm 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 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.

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 48

Simulacija slučaja sa magnetnim ekranom / važni 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 Prikaz raspodele vektora magnetne indukcije (T) 4/26/2020 Objašnjenje pojave magnetne indukcije u tačkama udaljenim od monofazne prigušnice: fluks izlazi iznad ekrana kada poraste polje u ekranu, iako nema zasićenja Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije (T) Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 49

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) 4/26/2020 Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije (T) iznad deblje kape Zaključak: bez željenog efekta Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 50

4/26/2020 Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije (T) iznad ekrana izvedenog do dna prigušnice Zaključak: Značajno smanjenje polja iznad ekrana Prikaz raspodele intenziteta magnetne indukcije (T) za slučaj na prethodnoj slici Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 51

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 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic željenog efekta – ponavlja se efekat da je polje u zoni neposredno iznad ekrana veliko 52

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 80  T na ispod 25  T.

• Sledeći korak su simulacije budućeg realnog postrojenja (objekta, transformatora i potencijalnih konstrukcija ekrana) 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 53

Proračuni polja u budućem realnom postrojenju

Dispozicija stvarnog postrojenja

Noseća čelična konstrukcija antistatik poda: okce 60x60cm Gvozdena mreža armature tavanice; orijentaciono, presek žice 8mm, okce 10 x 10 mm Proračuni: • Struja podešena na vrednost pri kojoj je ukupni fluks jednak rasutom fluksu po fazi (u k  B ma x  S Fe =0.06

 1.5

 0.22

 0.23=4.554mWb) • Izvor fluksa je jedan navojak visine 1700mm, prečnika 1640mm (ovo je približno jednako dužini transformatora), kroz koji protiče struja 6000A (tako Transformator Kapa ekrana 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).

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 54

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 4/26/2020 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.

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 55

Izgled magnetnog ekrana izvedenog u transformatorskoj stanici

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 56

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 57

4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 58

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 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 59

Rezultati merenja dok je bio opterećen transformator 1 2.5

3.5

3 2.5

2 1.5

1 0.5

0 Pozicija od zida (mm) Linija A Linija C Zid objekta (paralelno sa trafo boksovima) 2 1.5

1 0.5

0 30 00 35 00 40 00 43 20 45 00 47 45 50 00 55 00 60 00 65 00 Pozicija od zida (mm) 70 00 75 00 80 00 85 00 3.5

3 2.5

2 1.5

1 0.5

0 0 10 00 15 00 20 00 25 80 35 00 40 00 45 00 52 35 60 00 65 Pozicija od zida (mm) 60 70 00 78 90 85 00 90 20 Linija L1 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic U osi opreme B U osi opreme E U osi opreme H U osi opreme J 60

Rezultati merenja dok je bio opterećen transformator 2 3 2.5

2 1.5

1 0.5

0 50 0 10 00 15 00 20 00 22 70 25 00 30 00 35 00 40 00 43 20 Pozicija od zida (mm) 45 00 47 45 50 00 55 00 60 00 2.5

Linija D Linija F Linija C 1.8

1.6

1.4

1.2

1 0.8

0.6

0.4

0.2

0 30 00 35 00 40 00 43 20 45 00 47 45 50 00 55 00 60 00 65 00 70 00 75 00 80 00 85 00 Pozicija od zida (mm) 2 1.5

1 0.5

0 0 10 00 15 00 20 00 25 80 35 00 40 00 45 00 52 35 60 00 65 Pozicija od zida (mm) 60 70 00 78 90 85 00 90 20 Linija L1 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic U osi opreme B U osi opreme E U osi opreme H U osi opreme J 61

Rezultati merenja dok je bio opterećen transformator 3 2.5

2.5

2 2 1.5

1 0.5

0 50 0 10 00 15 00 20 00 22 70 25 00 30 00 35 00 40 00 43 20 Pozicija od zida (mm) 45 00 47 45 50 00 55 00 60 00 Linija G Linija I Linija F 1.5

1 0.5

0 30 00 35 00 40 00 43 20 45 00 47 45 50 00 55 00 60 00 65 00 70 00 75 00 80 00 85 00 Pozicija od zida (mm) 2.5

2 1.5

1 0.5

0 0 10 00 15 00 20 00 25 80 35 00 40 00 45 00 52 35 60 00 65 Pozicija od zida (mm) 60 70 00 78 90 85 00 90 20 Linija L1 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic U osi opreme B U osi opreme E Linija G U osi opreme J 62

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 4/26/2020 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic 63