DATOS DE LA EMPRESA Dirección:Juan B. Justo Código Postal: 1425 Teléfono: int 6111 Fax: - jfontana@edenor.com

Transcripción

1 EDEO.A. AGEIA Modlos d FEM para l Control d uidos Aéros Dircción écnica, proycto d ubstacions d Alta nsión. Juan B. Justo 837. "Modlización Computacional por l método FEM para l Disño d istmas Fonoabsorbnts n cintos d ransformadors d Alta nsión" Autor/s: Juan Carlos Fontana (Ednor.A.), Juan Carlos Alaniz (Ednor.A.), Adrián Ernsto Kisilwsky (Ednor.A.) PALABA-CLAVE: uidos, Elmntos Finitos, Bajas Frcuncias, control, Mdio Ambint DAO DE LA EMPEA Dircción:Juan B. Justo Código Postal: 145 léfono: int 6111 Fax: - jfontana@dnor.com

2 Clasificación: Plans, Programas y Proyctos d Mitigación Ambintal sumn En años rcints l problma dl Impacto Ambintal s ha convrtido n un tma xcluynt y condicionant dl disño d EE.. y Línas d Alta nsión. En st sntido, Ednor.A. ha tomado la iniciativa d tnr n cunta l Mdio Ambint dsd l inicio dl procso d disño, d manra d rsptar tanto las normativas nacionals como las Intrnacionals sobr sta matria. En st trabajo s tratará l problma rfrnt al Control d uidos y Vibracions d ransformadors d Potncia n EE.. d Alta nsión y las formas d controlarlos. Con st fin, s ha llgado al disño d pantallas fonoabsorbnt y silnciadors afins con l objtivo d lograr cumplir los linamintos d la norma IAM 406, (uidos Molstos al Vcindario) y los procsos d vntilación natural y forzada d los rcintos corrspondints. Los métodos utilizados furon modrnizacions con lmntos finitos n trs dimnsions dl prdio d la E.. y l air circundant para vrificar la fctividad d las solucions propustas. Los fundamntos dl Método d Elmntos Finitos implican un modlo matmático qu rsulv la cuación d avir toks para flujo comprsibl sin fluncia ni viscosidad n régimn transitorio. La vntaja d utilizar st método s obtnr rsultados aproximados a la ralidad con una PC n la tapa d disño d la ubstación, sin habr dsarrollado la obra y la gran posibilidad d proponr difrnts altrnativas y valuarlas sin habrlas construido. Mdiant las simulacions s ha podido hacr una vrificación d la ficincia d los lmntos atnuadors d ruido y d las pantallas dsarrollados tóricamnt prvia a su instalación, d manra qu los rsultados tóricos sprados a partir d la modlización s comprobaron n la práctica. Finalmnt, s logró ncontrar formas y matrials más apropiados para l corrcto disño d los silnciadors y d las pantallas fonoabsorbnts.

3 AEA POVIOIA CAMAA P/CABLE C D D B30 B9 H C B19 FU. H CAMAA P/CABLE B0 4 G 8 CAO PVC Ø150 mm E 3 CAPA B18 FU. G B1 P B 1 B17 FU. PAVIMEO DE H AFALICO B3 3 B16 FU. x75 mm AL F F B15 CECO EXIEE x75 mm AL A B14 L MVA I E I A LIEA 65 B13 L663 J J AL x75 mm AL x75 mm AL x75 mm CABLE 671 IGE 300MVA A LIEA 66 ACOPLAMIEO B91 B 1. Introducción En la Estación ransformadora alar d Ednor.A., ubicada n Gnral Pachco, n la Provincia d Bunos Airs, surgió la ncsidad d disminuir l ruido provnint d los dos transformadors d potncia d 300MVA qu s ncuntran dntro dl prdio d la misma. Los dos transformadors d 300MVA (0/13kV) stán conctados a la dobl barra d 13kV d la Estación a través d su corrspondint quipaminto d Alta nsión (sccionadors intrruptor). FUEE DE UIDO AFOMADO n 5 Y n 6 DE 300MVA EMIIO MAXIMA: 300HZ 85DBA MACADI GALPO H=8m LIEA A E MAHEU ACCEO OE (COLECOA) K EDIFICIO, H=5M L PIQUEE 96bis PAVIMEO DE H AFALICO A COUI A c 95mm Ac 95mm H B D C LIEA 686 LIEA 685 ALA DE COMADO C A 9.45 ZOA A VEIFICA EGU IAM M GALPO QUICHO H=4m H=4m Ac 95mm ALA CELDA 13,kV PLAYA 13 Kv. AL x75mm BAA 1 BAA BAA 1 CALLE A CEDE JHO DEEE GALPO H=8m BACO DE CAPACIOE EDIFICIO DE MAEIMIEO PAALLA DE HOMIGO EXIEE, H=8M CALLE IALIA Q P CECO PEIMEAL DE MAMPOEIA H=M Figura 1: Planta Gnral d la ubstación y Ubicación d los ransformadors En la figura s obsrva la ubicación d los transformadors n dond s marcó l punto A (ntr mdio d los mismos), l punto B (fura d los rcintos d los transformadors y C, l punto n la frontra ntr l prdio dl vcino y l prdio d Ednor.A.. Las funts d ruido corrspondn a dos transformadors d potncia, dbido a fnómnos d Magntoxtricción y a la adición dl funcionaminto d vntiladors d rfrigración qu gnran un spctro d ruido discrtizado n frcuncias d octavas sgún mustra la Figura.

4 Figura : ivl sonoro mdido sgún l fnómno d Magntoxtricción, discrtizado n frcuncias, a 1m d los transformadors (posición [A] y [C]) Como s obsrva n la figura, xist una important misión sonora n bajas frcuncias. Val la pna dstacar qu l fnómno d magntización dl núclo dl transformador (Magntoxtricción), s l rsponsabl dircto d la vibración d la máquina. Est fnómno qu dpnd xclusivamnt d los nivls d tnsión d alimntación son prácticamnt stabls por lo qu s dduc qu habrá una stabilidad n los nivls d misión sonora d la máquina. Dsd un punto d vista lgal l objtivo plantado al iniciar sta invstigación fu bajar l nivl d prsión sonora n la posición (C) sgún lo spcificado n la norma IAM 406 uidos Molstos al Vcindario. Ants d iniciar cualquir obra s ralizaron mdicions d ivl onoro n los puntos A, B y C n bandas d octavas, para controlar l ruido y tnr las condicions d inicio. Las mismas s mustran n la abla 1. El CE (ivl onoro Continuo Equivalnt) s aqul qu mantnido n forma constant durant un lapso d timpo, contin igual nrgía qu l ruido variabl. Discrtización d ruidos sin los vntiladors d rfrigración ncndidos Posición (A) Posición (B) Posición (C) CE (Dba) CE (Dba) CE (Dba) Discrtizado d frcuncias Discrtizado d frcuncias Discrtizado d frcuncias 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH Discrtización d ruidos con los vntiladors d rfrigración ncndidos Posición (A) Posición (B) Posición (C) CE (Dba) CE (Dba) CE (Dba) Discrtizado d frcuncias Discrtizado d frcuncias Discrtizado d frcuncias 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH abla 1

5 . Gnralidads El CE mdido sgún los critrios d mdición d la norma IAM 4074, n la posición C supraba l valor admitido por la rglamntación stimado sgún l procdiminto d la orma IAM 406, y pnalizado por l coficint d tonalidad n 63dBa. La dtrminación dl CE admisibl fu dtrminada sgún los procdimintos tóricos d cálculo d la orma 406. El problma fu ntoncs rducir l nivl sonoro ants citado n l punto C mdiant crramintos rvstidos d matrials fonoabsorbnts qu rodn los transformadors, pro tnindo n cunta las ncsidads d vntilación d los mismos. Evidntmnt sto implicó llgar a un quilibrio ntr dos xigncias técnicas d distinta índol, lo qu implicó ncontrar la solución d forma itrativa. Aquí tnmos dos problmas técnicos: a) Un problma d propagación d ondas sonoras n l spacio 3D y su intracción con divrsos mdios b) Un problma trmodinámico y d dinámica d fluidos. (Vntilacion) El nfoqu adoptado fu calcular la altura d los crramintos d los transformadors (sin cubirta) d manra tal d rducir l ivl onoro al valor rqurido por la norma y valuar la ficincia d divrsos tipos d rvstimintos fonoabsorbnts. Esto llvó a la ncsidad d ralizar una modlización n 3D d la funt d ruido, l mdio circundant y las condicions d bord rquridas, mdiant l método d Elmntos Finitos. En cuanto al sgundo problma, para lograr la corrcta vntilación d las máquinas n las nuvas condicions d funcionaminto a las qu s las iba a somtr, fu ncsario disñar pantallas o abrturas n los crramintos qu prmitiran la ntrada dl air frío pro no prmitiran la salida dl sonido prturbador qu s quría contnr dntro dl rcinto d los transformadors. D manra qu fu ncsario combinar l cálculo típico d vntilación d transformadors con, nuvamnt, la modlización numérica d lmntos finitos. 3. Modlización 3.1. Primr Paso procdió ntoncs a ralizar una discrtización tridimnsional con lmntos finitos ttraédricos dl mdio gasoso (Air) qu roda a los transformadors y sus zonas aldañas tomando como límit un radio d 100m y cntro n la posicion baricntrica d las funts d ruido. (Vr figura 3)

6 ADIO =100 PE. DE CALIBACIO (dba)=50 ELEMEO DE AIE EDIFICIO 1 VE DEALLE 1 MUO DIVIOIO Figura 3: Malla d lmntos finitos n todo l volumn d intrés Para asgurar la validz dl modlo, s propuso un límit lo suficintmnt aljado d la zona d prturbación acústica y s l impuso una condición d calibración (condición d bord) n l límit, d manra tal qu los valors mdidos inicialmnt n dtrminados puntos coincidan con los dtrminados a partir dl modlo d lmntos finitos. Una vz calibrado l modlo n 3D, s stuvo n condicions d valuar numéricamnt l fcto d las pards rvstidas y la altura ncsaria para lograr la disminución d ruido pautado. El modlo físico-matmático utilizado n la discrtización s dtalla n l apéndic. 3.. gundo Paso Una vz calibrado l modlo s pasó a un modlo n D (dada la longitud latral d las pantallas) para valuar la ficincia dl conjunto silnciadors-pantalla fonoabsorbnt (los silnciadors disñados son para colocar n las abrturas, n la part infrior d las pantallas). Para st fin s tomó un punto B crcano a los transformadors y s calculó l nivl sonoro n s punto con los transformadors n su stado original, sin crraminto, y lugo con las pantallas y los silnciadors colocados. D sta forma s pudo calcular cual s la ficincia dl conjunto para atnuar l ruido. En la Figura 4 s mustra n dtall la discrtización crca d las máquinas. DEALLE 1 AFOMADO PAALLA FOOABOBEE MODELACIO ILECIADO Figura 4: Dtall d la discrtización n la zona d los transformadors

7 La ficincia calculada con un modlo bidimnsional para un punto B, crcano a los silnciadors (dl lado xtrno al crraminto) (vr figura 4), fu xtrapolada al punto d intrés (C). Esta xtrapolación s razonabl, dada la longitud d los silnciadors y fu finalmnt confirmada por las mdicions ralizadas con dciblímtro n l prdio d la substación. 4. sultados En la Figura 5 y 6 s mustra l cort d los transformadors ants y dspués dl crraminto y los rspctivos mapas d prsión obtnidos mdiant una programación dl modlo con lmntos finitos. olución sin Protcción Acústica Figura 5 olución propusta Figura 6: Distribución d ruido a f=300hz y 86Dba para l modlo sin crraminto y con la solución propusta En la abla s mustran los rsultados d los valors mdidos n campo, prvio a la instalación d las pantallas y los silnciadors, con los vntiladors d rfrigración forzada ncndidos y con los mismos apagados. abla a Discrtización d ruidos sin los vntiladors d rfrigración ncndidos PEVIO A LA OLUCIÓ POEIO A LA OLUCIO Posición (B) Posición (B) CE (Dba) CE (Dba) Discrtización frcuncias Discrtización frcuncias 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH

8 abla b Discrtización d ruidos con los vntiladors d rfrigración ncndidos PEVIO A LA OLUCIÓ POEIO A LA OLUCIO Posición (A) Posición (B) CE (Dba) CE (Dba) Discrtización frcuncias Discrtización frcuncias 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH 0.1KH 0.3KH 0.5KH 1KH Con l modlo calibrado y la ficincia dl conjunto silnciador pantallas obtnido a través dl mismo modlo s procdió a calcular l ruido n l punto C y otros puntos d intrés (Vr Figura 7) para divrsas alturas d pantallas y varios disños d silnciador, obtniéndos así l disño óptimo a través d un modlo tórico calibrado basándos n mdicions d campo. Una vz obtnido los valors tóricos s rlvaron los valors d nivl sonoro n campo, n los puntos n dond s obtuviron valors a partir dl modlo. La comparación s mustra n la abla 3. Como s obsrva n la misma, s obtuvo un xclnt acurdo ntr los valors d nivl sonoro qu prdic l modlo n l punto C y los valors mdidos n campo, lugo d instalar l crraminto con los silnciadors. abla 3 Discrtización d ruidos sin los vntiladors d rfrigración ncndidos OLUCIÓ UMEICA POEIO A LA OLUCIO Posición (C) Posición (C) CE (Dba) CE (Dba) Discrtizacion d ruidos con los vntiladors d rfrigración prndidos OLUCIÓ UMEICA POEIO A LA OLUCIO Posición (C) Posición (C) CE (Dba) CE (Dba)

9 E B E Ac 95mm Ac 95mm s/p=78 c/p=64.5 AL x455mm PLAYA 0 Kv. AL x455mm AL x455mm s/p=77 c/p=66.5 D C GALPO QUICHO VIVIEDA. F.M. Ac 95mm AL x75mm A Ac 95mm B AL x75mm s/p=84 c/p=66.5 C Ac 95mm Figura 7: Ubicación sobr la planta d la substación d los puntos n dond s midió y calculó l ruido El objtivo final fu hacr vrificar la orma IAM 406. Los rsultados s mustran n la abla 4. abla 4 Vrificacion sin los vntiladors d rfrigracion ncndidos IAM, nivl Mdicions d campo Vrificación prmitido n sgún normas IAM xtriors (Dba) (CE, Dba) Puntos d Análisis diurno nocturno ants dspués C Vrifica Vrificación con los vntiladors d rfrigración ncndidos IAM, nivl Mdicions d campo Vrificación prmitido n sgún normas IAM xtriors (Dba) (CE, Dba) Puntos d Análisis diurno nocturno ants dspués C Vrifica En las siguints fotos (Figura 8) s obsrvan la situación inicial y la situación final con las pantallas y los silnciadors colocados. ituación inicial Figura 8 ituación final

10 5. Conclusions En l transcurso d st trabajo s combinaron un método tórico basado n lmntos finitos con la practica concrta d los disños obtnidos a partir dl mismo. obsrvo una clara corrspondncia ntr los rsultados dl modlo tórico y los valors mdidos n campo logrando d sta manra obtnr una solución y optimizar l control d ruido d transformadors n una stación transformadora d alta tnsión. 6. frncias 1- orma IAM 406, uidos Molstos al Vcindario. - orma IAM 4074, Mdidor d ivl onoro 3- Pr-publicacions dl sminario matmático 00 García d galdano univrsidad d Zaragoza 4- Hugs, homas, h Finit Elmnt Mthod- Linar tatic and Dynamic Finit lmnt Analysis wmark,. M., A Mthod of Computation for tructural Dynamics ACE journal of th Enginring Mchanics División, Vol. 85 o. EM3, (1959) 6- El método d Elmntos Finitos, Volumn, O.C. Zinkiwicz, CBE, F 7- Fundamntos d Acústica, Lawrnc E. Kinslr.

11 7. Apéndic 7.1. Modlo Matmático Planto d las cuacions básicas d dinámica d los fluidos n mdios contínuos: Ecuación d continuidad: ρ +. ρv = 0 t (1.1) Ecuación d cantidad d Moviminto: ρv t = ρ Fm P + + µ ( V + (. V )) (1.) dond ρ : Campo scalar d dnsidads dl fluido. V : Vctor d vlocidads d la partícula fluida. P : Campo scalar d prsions. Fm : Vctor d aclracions asociados a la partícula d fluido. µ : Coficint d viscosidad con las siguints rstriccions a) la dnsidad varia ligramnt con l timpo: ρv t V ρ t b) fluido no viscoso: µ = 0 c) la dnsidad principal s considrará constant. d) Las furzas d gravdad y rozaminto s considrarán dsprciabls. Entoncs podmos scribir (1.1) como: ρ ρ. V + = 0 (1.3) t tomando como soport la cuación d stado P ρ = 1 = (1.4) β

12 oprando con stas hipótsis podmos scribir (1.) como la conocida cuación d onda acústica: 1 P P + = 0 (1.5) v t dond: v s la vlocidad dl fluido n mdio, y podmos scribirla como: ρ : dnsidad principal dl mdio fluido Discrtización por l método d FEM Elmnto d fluido v = β ρ 0 usará l método d rsiduos pondrados d manra tal d buscar una forma débil d la cuación (1.5) qu dscrib l problma d onda acústica, intgrando por parts l primr trmino y psando con una función δ P (variación d P, método d Galrkin) podmos scribir: P u δ d (1.6) t t P dv +. δp PdV = ρ 0 n. V V c 1 u habindo supusto n la intrfacs sólido-fluido qu: n. Pd = 0 n. d ρ t lugo d la discrtización, n forma matricial podmos scribir: pr pr [ M ]{ P& } [ K ]{ P } + [ ]{ U& } { 0} & ρ (1.7) + 0 = Hay qu dstacar qu para los lmntos qu no stán n contacto con intrfacs sólidas no dbrán tnrs n cunta los dsplazamintos d la partícula fluida, únicamnt su prsión. Por l contrario, a los lmntos qu prtnzcan a la intrfacs fluido sólido Absorción acústica n intrfacs sólido - fluido En forma dircta s incorpora un término d absorción acústica n las intrfacs air pard: 1 P D = δ PCa d (1.8) c t dond:

13 Ca : coficint d absorción sonora, (Ca=0 no hay amortiguación sobr la intrfacs) scribindo n forma matricial un término más d la cuación (1.7) como: Pr [ ]{ & } D = C P (1.9) 7.4. Elmnto sólido Escribimos para st lmnto la clásica cuación dinámica para lmntos sólidos, con la salvdad d incorporar un stado d furzas dinámicas sobr la suprfici intrfacs sólida - fluido provnints d la xcitación acústica. gún lo antrior s pud scribir: { } { } P{ n} F Pr d (1.10) = { }: Funcions d forma utilizadas n discrtizar los dsplazamintos d los lmntos structurals. {}: n Vctor normal. ntoncs: [ M ]{ U& } + [ C ]{ U& Pr } + [ K ]{ U } [ ]{ P } = { F } & (1.11) 7.5. Acoplaminto dbrá analizar como un sistma acoplado, y sgún las cuacions (1.7) y (1.11): [ M ] [ 0] ρ 0 Pr [ ] [ M ] { U&& } { P&& } + [ C ] [ 0] Pr [] 0 [ C ] { U& } { P& } + Pr [ K ] [ ] Pr [] 0 [ K ] { U } { P } { F } = {} 0 (1.1) 7.6. olución mporal adoptada La solución qu s adopto para rsolvr l problma tmporal fu la utilización dl método d wmark.