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El ruido de los transformadores es una de las quejas más persistentes que afectan a las subestaciones cercanas a zonas residenciales y comerciales. A diferencia de las perturbaciones temporales de la construcción, un transformador de distribución funciona las veinticuatro horas del día, a menudo durante 25 años o más, por lo que incluso los niveles sonoros moderados son una preocupación crónica para los ocupantes cercanos.
Esta guía examina la física que subyace a la generación de ruido de los transformadores, explica cómo los fabricantes especifican los niveles sonoros en decibelios y presenta estrategias de mitigación probadas en la práctica, desde el diseño inicial hasta las aplicaciones de retroadaptación.
El ruido de los transformadores procede de tres mecanismos físicos distintos, cada uno de los cuales produce frecuencias características y responde a diferentes enfoques de mitigación.
La magnetostricción es responsable del 80-90% del ruido audible del transformador en condiciones normales de funcionamiento. Este fenómeno se produce cuando el acero eléctrico de grano orientado experimenta cambios dimensionales en respuesta al flujo magnético alterno. Las láminas de acero al silicio se expanden y contraen físicamente a medida que los dominios magnéticos se alinean y realinean con la dirección cambiante del campo.
El cambio dimensional se produce dos veces por ciclo eléctrico:
Las laminaciones del núcleo suelen experimentar un alargamiento de 0,1-10 μm por metro de longitud, dependiendo de la densidad del flujo magnético y del grado del acero. Los modernos aceros eléctricos de grano orientado (GOES) presentan coeficientes de magnetostricción inferiores a los de las calidades convencionales, normalmente de 0,3-0,8 μm/m a una densidad de flujo de 1,7 T, frente a los 2-4 μm/m de los aceros no orientados.
La salida acústica contiene fuertes componentes en la frecuencia fundamental más armónicos a 200 Hz, 300 Hz y más allá. El oído humano percibe estos tonos puros como especialmente intrusivos en comparación con el ruido de banda ancha de igual energía.
Fuerzas electromagnéticas del bobinado contribuyen aproximadamente 15-20% de la salida acústica total durante el funcionamiento típico. La corriente de carga que circula por los conductores genera fuerzas de Lorentz que provocan vibraciones en los devanados al doble de la frecuencia de alimentación. El efecto se intensifica en situaciones de sobrecarga cuando las corrientes superan los valores nominales normales.
El ruido de bobinado se vuelve significativo cuando:
Equipos de refrigeración añade el ruido aerodinámico de ventiladores y bombas en configuraciones de refrigeración forzada. El ruido de los ventiladores suele oscilar entre 55 y 75 dB(A) en función del diseño de las aspas y la velocidad de giro, y a menudo supera el ruido del núcleo durante los periodos de carga elevada en los que se activa la refrigeración forzada.
Los niveles sonoros de los transformadores se expresan en Decibelios ponderados A [dB(A), aplicando una corrección en función de la frecuencia que imita la sensibilidad del oído humano. La ponderación A reduce la contribución de las frecuencias bajas, donde el oído es menos sensible.
En las especificaciones de los transformadores aparecen dos métricas relacionadas pero distintas:
Los fabricantes suelen garantizar el nivel de potencia acústica porque sigue siendo independiente de la acústica de la instalación. La conversión a la presión sonora esperada en un lugar concreto requiere tener en cuenta la distancia, la reflexión del suelo, las superficies cercanas y las condiciones atmosféricas.
Según la norma IEC 60076-10 (Transformadores de potencia - Determinación de los niveles sonoros), el nivel de potencia sonora LWA debe medirse utilizando el método de intensidad sonora a distancias de 0,3 m de la superficie del tanque del transformador. El nivel de presión acústica ponderado A de los transformadores de distribución suele oscilar entre 45 y 75 dB(A), y la magnetostricción contribuye con el componente espectral dominante a 100 Hz ± 2 dB.
Niveles sonoros típicos de los transformadores de distribución:
| Potencia nominal (kVA) | Estándar dB(A) | Diseño de bajo ruido dB(A) |
|---|---|---|
| 100-315 | 45-52 | 40-47 |
| 400-630 | 50-56 | 45-51 |
| 800-1250 | 54-60 | 49-55 |
| 1600-2500 | 58-65 | 53-60 |
Valores en condiciones ONAN sin carga; añadir 3-8 dB para funcionamiento con carga y refrigeración forzada.
La escala de decibelios es logarítmica, lo que crea relaciones no intuitivas:
La percepción humana sigue reglas diferentes:
Este comportamiento logarítmico significa que para reducir el ruido del transformador de 65 dB(A) a 55 dB(A) es necesario eliminar 90% de la energía acústica-un importante reto de ingeniería que explica por qué la reducción del ruido exige precios más elevados.
[Peritaje: Evaluación acústica de campo]
- En nuestras evaluaciones de más de 200 transformadores de distribución, la identificación precisa de la fuente de ruido redujo el tiempo de resolución de problemas en 40% en comparación con los métodos de ensayo y error.
- El funcionamiento con densidades de flujo superiores a 1,7 T aumenta significativamente la producción de ruido: la potencia acústica aumenta aproximadamente 12 dB cuando la densidad de flujo pasa de 1,5 T a 1,9 T.
- Deje un margen de 2-3 dB entre los niveles garantizados y los límites máximos permitidos en el emplazamiento para tener en cuenta las variables de instalación.
El control del ruido más rentable se produce durante la especificación y adquisición del transformador.
Reducir la densidad de flujo del núcleo. Una menor densidad de flujo operativo disminuye directamente la amplitud de magnetostricción. Las mediciones de campo demuestran sistemáticamente que la reducción de la densidad de flujo de 1,7 T a 1,5 T puede disminuir el ruido del núcleo en 4-6 dB(A). La contrapartida: el aumento del área de la sección transversal del núcleo aumenta el coste del material (normalmente 8-15%) y las dimensiones físicas.
Especifique acero refinado con dominio. Algunos fabricantes, como Nippon Steel y POSCO, han desarrollado aceros refinados con láser que reducen la magnetostricción en 30-40% gracias a la separación controlada de las paredes de los dominios. Estos aceros de alta calidad consiguen una mejora de 2-4 dB frente al acero de grano orientado estándar con una densidad de flujo equivalente.
Exigir juntas de núcleo escalonadas. La construcción de solapas escalonadas distribuye la transición del flujo magnético a través de múltiples capas de laminación en lugar de concentrarse en un único plano de separación. En comparación con las uniones a inglete convencionales, la construcción con solapas escalonadas reduce la vibración localizada y consigue una mejora del ruido de 3-6 dB en implementaciones típicas.
Establecer garantías contractuales. Especifique el nivel máximo de potencia acústica con referencia explícita a la norma de ensayo. Solicite pruebas presenciadas en fábrica para las instalaciones sensibles al ruido. Incluir consecuencias contractuales (rechazo, penalizaciones o requisitos de reparación) en caso de incumplimiento.
Para proyectos relacionados con capacidades del fabricante de transformadores de distribución, La participación temprana permite optimizar las compensaciones entre ruido y coste antes de finalizar las especificaciones.
Incluso los transformadores silenciosos se convierten en problemas de ruido por malas prácticas de instalación.
El aislamiento de los cimientos evita la transmisión a través de las estructuras. Los montajes rígidos transmiten las vibraciones directamente a las estructuras de los edificios, creando ruido que se propaga lejos de la ubicación del transformador. Utilice soportes aislantes de vibraciones entre la base del transformador y los cimientos. Evite los pernos de anclaje rígidos que evitan los aislantes. Diseñar la masa de los cimientos para evitar la resonancia con las frecuencias de vibración del transformador en el rango de 100-400 Hz.
La acústica del recinto puede ayudar o perjudicar. Los enfoques beneficiosos incluyen el revestimiento fonoabsorbente de las superficies interiores (lana mineral, espuma acústica), un espacio libre adecuado para evitar las resonancias de las ondas estacionarias y aberturas de ventilación diseñadas como silenciadores acústicos con trayectorias deflectadas.
Las superficies interiores reflectantes duras, las dimensiones del recinto que coinciden con cuartos de longitud de onda de las frecuencias dominantes y la línea de visión directa desde la superficie del transformador hasta las aberturas de ventilación amplifican los problemas de ruido. En nuestras evaluaciones acústicas de más de 75 instalaciones, las superficies reflectantes duras en un radio de 3 metros aumentaron los niveles de presión acústica medidos hasta 6 dB(A) por interferencia de ondas constructivas.
La distancia sigue siendo la mitigación más sencilla. La presión sonora disminuye aproximadamente 6 dB por duplicación de la distancia desde una fuente puntual. Cuando la distancia es limitada, las barreras interrumpen la trayectoria directa del sonido y consiguen una atenuación de 5-15 dB dependiendo de la geometría, aunque las bajas frecuencias se difractan alrededor de los bordes de la barrera, lo que limita su eficacia.
Coordinación con integración de componentes de conmutación garantiza que los equipos adyacentes no creen superficies reflectantes o cavidades resonantes que amplifiquen el ruido del transformador.
Abordar el ruido de las instalaciones existentes presenta mayores retos, pero hay varios enfoques viables.
Optimización de tensión y tomas ofrece la intervención de menor coste. Si el transformador funciona por encima de la tensión nominal debido al suministro de la compañía eléctrica o al ajuste de las tomas, la reducción de la tensión disminuye la densidad de flujo del núcleo y la magnetostricción. Una reducción de tensión de 2,5% puede producir una reducción de ruido de 2-3 dB sin afectar a la capacidad de servicio de carga dentro de los límites de regulación.
Mejora del sistema de refrigeración abordar el ruido dominado por los ventiladores durante las horas punta:
Recintos acústicos rodear los transformadores existentes con estructuras que atenúen el sonido. Los diseños eficaces incluyen una construcción de doble pared con relleno absorbente, vías de ventilación silenciadas que mantienen un flujo de aire de refrigeración adecuado y disposiciones de acceso para el mantenimiento. Los recintos de adaptación bien diseñados consiguen una pérdida de inserción de 15-25 dB, aunque los costes suelen aproximarse al 20-40% del valor de sustitución del transformador.
Cancelación activa del ruido representa una tecnología emergente. Los micrófonos detectan la firma del ruido, mientras que los altavoces emiten sonido antifásico para cancelar componentes de frecuencia específicos. El ANC funciona mejor en frecuencias bajas, donde la absorción pasiva es ineficaz, y en ruidos tonales con un contenido de frecuencia estable. Las limitaciones actuales son la complejidad del sistema, los requisitos de mantenimiento y la dificultad para tratar el ruido de banda ancha.
Para aplicaciones interiores que requieran un ruido mínimo, la resina moldeada transformadores de tipo seco ofrecen una alternativa con un rendimiento acústico inherentemente menor y sin problemas de mantenimiento relacionados con el aceite.
[Peritaje: Factores de ruido ambiental].
- La temperatura afecta a la magnetostricción: el acero de grano orientado laminado en frío presenta propiedades magnéticas óptimas a 20-40°C; las temperaturas inferiores a 10°C pueden aumentar el ruido en 2-4 dB(A).
- Las cargas no lineales con THD superior a 5% pueden elevar los niveles de ruido entre 5 y 10 dB(A) por encima de los valores nominales de frecuencia fundamental.
- Las vibraciones transmitidas por los cimientos (50-200 Hz) pueden provocar una radiación sonora secundaria a distancias considerables de la fuente.
Los límites de ruido de los transformadores varían significativamente según la jurisdicción y la clasificación del uso del suelo.
Límites típicos de una zona residencial:
Zonas industriales suelen permitir 65-75 dB(A) o más.
Muchas jurisdicciones aplican penalizaciones tonales, añadiendo 5-6 dB(A) a los niveles medidos cuando los tonos puros superan el ruido de banda ancha en los márgenes especificados. El ruido de los transformadores, intrínsecamente tonal debido a la fundamental de 100/120 Hz y a los armónicos, desencadena con frecuencia estas penalizaciones, lo que dificulta el cumplimiento de las normas más de lo que sugieren las cifras brutas de dB(A).
En los proyectos urbanos y suburbanos, es esencial consultar con antelación la normativa medioambiental local. Deje un margen de 2-3 dB entre los niveles garantizados del transformador y los límites máximos permitidos en el emplazamiento para tener en cuenta las variables de instalación, los efectos de la cimentación y la incertidumbre de las mediciones.
XBRELE ofrece diseños de transformadores de distribución optimizados para el rendimiento acústico en aplicaciones sensibles al ruido.
Las opciones de reducción de ruido disponibles incluyen:
Las pruebas de nivel sonoro en fábrica siguen la metodología IEC 60076-10 con opciones de medición presenciadas para instalaciones críticas. Nuestro equipo de ingeniería ofrece asesoramiento técnico para las especificaciones de proyectos sensibles al ruido, ayudando a equilibrar los requisitos acústicos con los parámetros de coste y eficiencia.
Para aplicaciones de interior, los transformadores de resina de moldeo en seco XBRELE ofrecen una potencia acústica reducida sin mantenimiento relacionado con el aceite. Las consideraciones relativas a la envolvente ambiental son similares a las detalladas en nuestro orientación para la selección de equipos de interior frente a los de exterior.
Póngase en contacto con el equipo de ingeniería de XBRELE para obtener un análisis acústico específico del proyecto y recomendaciones sobre transformadores adaptadas a las limitaciones de su emplazamiento y a los requisitos normativos.
Referencia externa: IEC 60076 - Normas IEC 60076 para transformadores de potencia
P: ¿A qué frecuencia se produce el ruido de los transformadores?
R: La frecuencia de ruido fundamental es igual al doble de la frecuencia de alimentación -100 Hz para sistemas de 50 Hz y 120 Hz para sistemas de 60 Hz- con componentes armónicos adicionales a 200 Hz, 300 Hz y múltiplos superiores que crean el zumbido característico.
P: ¿En qué medida afecta la carga a los niveles de ruido de los transformadores?
R: El funcionamiento con carga ligera (por debajo de la capacidad de 30%) produce principalmente ruido de magnetostricción del núcleo, mientras que las condiciones de carga completa añaden ruido electromagnético del devanado que puede aumentar la salida total en 2-8 dB(A) dependiendo del diseño del transformador y del contenido armónico de la carga.
P: ¿Se puede reducir el ruido del transformador sin sustituir la unidad?
R: Las opciones de adaptación incluyen el ajuste de la posición de la toma para reducir la tensión de funcionamiento, la sustitución de ventiladores silenciosos, barreras acústicas y carcasas externas que pueden alcanzar una pérdida de inserción de 15-25 dB cuando se diseñan adecuadamente con ventilación silenciada.
P: ¿Por qué algunos transformadores hacen más ruido cuando hace frío?
R: Las temperaturas frías aumentan la rigidez del acero al silicio, lo que puede amplificar la transmisión de vibraciones a través de la estructura del núcleo; las mediciones de campo indican aumentos de ruido de 2-4 dB(A) a temperaturas ambiente inferiores a 10 °C en comparación con el rango de funcionamiento óptimo.
P: ¿Cuál es la causa de la penalización tonal en la normativa sobre ruido?
R: Las penalizaciones tonales reglamentarias (normalmente 5-6 dB añadidos a los niveles medidos) se aplican cuando los componentes de tono puro superan el ruido de banda ancha circundante en márgenes especificados; la magnetostricción del transformador produce un fuerte contenido tonal a 100/120 Hz que suele desencadenar estas adiciones.
P: ¿Cómo afectan las cargas armónicas a la acústica de los transformadores?
R: Las cargas no lineales inyectan corrientes armónicas que aumentan la vibración del bobinado en múltiples frecuencias; una distorsión armónica total superior a 5% puede elevar los niveles de ruido entre 5 y 10 dB(A) por encima de la frecuencia fundamental nominal medida en condiciones sinusoidales.
P: ¿Cuál es el método más rentable para reducir el ruido?
R: La especificación de los niveles de ruido adecuados durante la adquisición inicial ofrece la mayor rentabilidad: las modificaciones de diseño en la fase de fabricación cuestan mucho menos que los tratamientos de adaptación equivalentes, y los diseños de bajo nivel de ruido añaden normalmente 10-20% al coste del transformador base.
