艾文淵

(孝感供電公司檢修分公司，湖北 孝感 432000)

變壓器噪聲污染綜合治理研究

艾文淵

(孝感供電公司檢修分公司，湖北 孝感 432000)

摘要:變壓器噪聲是變電站噪聲的主要來源。對主變聲源特性以及降噪原理進行了分析研究，詳細介紹了降噪處理方法，在此基礎(chǔ)上給出了一套綜合通用的治理變壓器噪聲的有效措施，并將其應(yīng)用于現(xiàn)有變電站，降噪效果明顯且符合國標要求。在不影響運行檢修工況下最大化降噪處理，同時保證了主變的通風散熱量與溫濕度實時控制，采用開挖地下通風道降噪與圍墻隔音等創(chuàng)新性措施，為治理主變噪聲提供了理論與實踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變壓器噪聲；噪聲特性；通風散熱；實時監(jiān)控

中圖分類號：TB533;TM47

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：2095-4824(2015)03-0073-05

收稿日期：2015-03-28

作者簡介：艾文淵 (1970-)， 男，湖北安陸人，湖北省電力公司孝感供電公司工程師。

Abstract：The main noise source in transformer substations is the noises of transformers. This paper makes an analysis and research on the acoustic source characteristics of the transformer and the principles of noise reduction. The method of noise reduction is introduced in detail. Based upon above analysis, a universal and effective measure to transformer noise reduction is proposed noise. Testing results show that the presented measure meets the international standard when applied to transformer substations in practice. Moreover, the proposed measure can ensure the ventilation and heat dissipation of main transformers, real-time monitoring both temperature and humidity without affecting the operation condition in running and service, which provides both theoretical and practical basis of other noise treatment for main transformers.

在特高壓交直流輸電與全面建設(shè)智能電網(wǎng)的背景下，電網(wǎng)的發(fā)展與擴建勢必對變電站的數(shù)量與質(zhì)量提出了更高的要求。集中用電量的增加促使高電壓、大容量的大型變壓器安裝到市內(nèi)[1]，由此帶來的噪聲污染問題也引起了人們的日益重視，噪聲影響的投訴與糾紛也越來越多[2-3]。對于變壓器噪聲問題，國內(nèi)外學(xué)者從變壓器結(jié)構(gòu)、材料選型試制以及振動機理、聲學(xué)特性、計算模型、測量方法、降噪措施等多個方面進行了研究[4-5]，相應(yīng)的新技術(shù)與應(yīng)用成果層出不窮。然而，目前的噪聲治理方案普遍具有盲目性與片面性[6]，綜合影響因素考慮不周全(如電氣安全、結(jié)構(gòu)安全、使用壽命、運行檢修、通風散熱、景觀協(xié)調(diào)等方面的要求)，應(yīng)用上缺乏創(chuàng)新性。本文基于降噪措施，分析研究了變壓器的噪聲特性，在不影響運行工況下最大化降噪處理，符合現(xiàn)場實際情況并且在應(yīng)用實踐上具有一定的創(chuàng)新性。

1　主變噪聲源剖析

由于鐵心、繞組、油箱(包括磁屏蔽等)及冷卻裝置的振動，變壓器的噪聲大小與變壓器功率有關(guān)，功率越大，噪聲越大。變壓器噪聲表現(xiàn)為低中頻振動，噪聲的傳播方式一部分以振動形式通過固體傳遞，還有一部分由氣固混合傳遞[7-8]。

本文以孝感城區(qū)某110 kV變電站為例進行降噪處理，經(jīng)過對變電站的噪聲進行檢測，該站主變運行噪聲達78.6 dBA，廠界噪聲達66.8 dBA。如圖1是變壓器頻譜分析圖，通過頻譜分析得知，變壓器本體噪聲能量主要集中在中低頻區(qū)域，并在低頻區(qū)域聲能出現(xiàn)峰值，800 Hz以上區(qū)域聲能逐漸下降，高頻區(qū)域聲能量較低，呈典型的低頻特性，對噪聲值貢獻頻段主要分布在100~500 Hz的頻率范圍內(nèi)。風冷機械噪聲在整個頻帶范圍內(nèi)都有較高的聲能量，低頻區(qū)域聲能出現(xiàn)兩個峰值，高頻區(qū)域聲能逐漸下降，但下降幅度有限，呈典型的寬頻特性。變壓器的噪聲隨負荷大小變化而變化，當變壓器空載或低負荷運行時，噪聲較低，滿載運行時噪聲較高。從噪聲控制角度看，低頻噪聲治理難度大，衰減率低且不易吸收。

圖1　變壓器1/3倍頻程頻譜圖

2　噪聲治理措施

噪聲控制手段主要有三種，即降低源強、對阻隔聲源傳播途徑和保護受噪音干擾區(qū)域。對已建于居民區(qū)的變電站，目前最有效的方法是從傳播途徑上進行治理。主要采用隔、消、吸、阻尼和減振等綜合噪聲治理措施，使噪聲在傳播到周邊區(qū)域受聲點的過程中衰減，降低到周邊區(qū)域受聲點能夠接受的強度[9]。

降噪設(shè)計的基本程序為：1)根據(jù)聲源特性估算受聲點各頻帶聲壓級；2)了解環(huán)境特點，選定噪聲控制標準；3)確定各受聲點允許的噪聲級和各頻帶聲壓級；4)計算各頻帶所需降噪量；5)計算并確定各材料應(yīng)有的降噪系數(shù)；6)選擇合適的結(jié)構(gòu)材料方案。

2.1　隔聲

隔聲是通過材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)來隔絕噪聲傳播的一種途徑，隔聲量是隔聲材料兩側(cè)入射聲音與透射聲音的聲級差，用分貝表征構(gòu)件隔聲效果的大小[2]，其定義為：

(1)

在不同頻率下，單層均質(zhì)墻板隔音量(dB)經(jīng)驗計算公式如下：

TL=16lgm+14lgf-29

(2)

頻率在100～3 150 Hz的平均隔聲量(dB)經(jīng)驗計算公式如下：

TL=16lgm+8(m≥200kg/m2)

(3)

TL=13.5lgm+14(m<200kg/m2)

(4)

式中：τ為透射系數(shù)，m為每平方米隔物質(zhì)量，f為頻率。

圖2　主變室大門降噪設(shè)備示意圖

隔聲物質(zhì)一般為阻尼高、質(zhì)量重的復(fù)合材料，常用的隔聲裝備有隔聲罩、隔聲門窗、隔聲屏障等[10]。

根據(jù)變電站站內(nèi)變壓器布局，變壓器為室內(nèi)安裝，對變壓器室敞開式大門拆除，利用隔聲板將門洞進行封堵，隔聲板采用吸隔聲結(jié)構(gòu)，其設(shè)計隔聲量≥20 dBA。為便于日常巡檢，隔聲板下部設(shè)有隔聲門，其設(shè)計隔聲量≥20 dBA。

主變室進行隔聲封閉后，針對其內(nèi)部通風散熱問題，設(shè)計時采取機械通風方案，在主變室大門隔聲板下部設(shè)計進風口，在每個主變現(xiàn)有排風口處加裝4臺風機，風機采用低噪聲防爆型軸流風機，單臺風量≥35 000 m3/h，其中通風量計算公式如下：

(5)

式中：P為空氣密度，C為標準大氣壓下比熱容，t為變壓器室外環(huán)境溫度(按夏季最高40 ℃考慮)，Q為主變每小時發(fā)熱量(kcal/h)，根據(jù)主變?nèi)萘看_定，其發(fā)熱量為250 kV/h，則有：

Q=(250×3 600÷4.186 8) kcal/h

=214 961 kcal/h

通風量為：

V=214 961/(1.29×0.24×5)

=138 864 m3/h，

單臺風機風量=138 864÷4=34 716 m3/h。

考慮極限溫度的出現(xiàn)，風機選取加大一定的裕度，故設(shè)計單臺風量≥35 000 m3/h。

從節(jié)能的角度考慮，風機上配置風機控制箱及溫度監(jiān)控系統(tǒng)，當主變室內(nèi)溫度高于40 ℃時，兩臺風機啟動，溫度高于45 ℃時，另兩臺風機啟動，當環(huán)溫較低時(如冬季)，則風機只需啟動兩臺或無需啟動。

對于室外露天設(shè)備，若安裝隔聲屏除了保證吸聲隔聲效果，需考慮防雨水設(shè)計，并可設(shè)計成可拆卸的方式，便于設(shè)備維護更換。

2.2　吸聲

定義材料吸收的聲能與入射總聲能之比為吸收系數(shù)，其計算公式如下：

(6)

式中：r為反射系數(shù)，Ei為入射聲能，Er為反射聲能。

吸聲材料按其吸聲機理的不同，可以分成多孔性吸聲材料與共振吸聲結(jié)構(gòu)兩大類[2]。前者有玻璃棉、巖棉、木質(zhì)纖維、泡沫材料及微孔吸聲磚等，后者有穿孔板、微穿孔板、薄板及薄膜吸聲結(jié)構(gòu)。常用的吸聲裝備有吸聲體、吸聲錐、吸聲尖劈等。

室內(nèi)采取吸聲措施后，其最大降噪值計算公式如下：

(7)

室內(nèi)采取吸聲措施后，其平均降噪值計算公式如下：

(8)

式中：α1和α2分別表示處理前后的吸聲系數(shù)。

采用穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，對吸收低頻噪聲效果最佳。

變壓器室封閉后，聲波經(jīng)墻壁多次反射、疊加后會出現(xiàn)聲混響現(xiàn)象，設(shè)計時在房間內(nèi)墻壁上安裝吸聲體，吸聲體面積不小于墻壁面積的60%，在內(nèi)墻面及隔聲門內(nèi)面敷設(shè)高分子阻尼材料，吸音棉、玻璃布、金屬穿孔板等。

圖3　吸聲材料布置圖

2.3　消聲

消聲是利用具有吸聲內(nèi)襯或特殊結(jié)構(gòu)形式的氣流通道來降低噪聲，對所有的空氣動力性噪聲可統(tǒng)一采用消聲治理措施。消聲設(shè)備是一種不阻礙氣流正常通過而使聲音衰減的降噪設(shè)備，按其原理可分為抗性、阻性、阻抗復(fù)合式及擴散消聲器，常用的消聲裝備有消聲器、消聲彎頭、消聲靜壓箱等。其中常用的阻性消聲器的消聲量參照下式計算：

(9)

式中：φ(a0)表示與吸聲系數(shù)a0有關(guān)的消聲系數(shù)，P為通道截面周長，S為消聲器斷面積，l為消聲器長度。

在主變的進、排風口均處安裝通風消聲器。消聲器采用阻性片式結(jié)構(gòu)，設(shè)計消聲量△L≥20 dBA。為防止消聲裝置內(nèi)出現(xiàn)氣流再生噪聲，設(shè)計消聲通道空氣內(nèi)流速不得超過6 m/s。在大門兩側(cè)的外墻加裝兩個消聲通風口，安裝兩臺通風機并安裝消聲裝置，消聲裝置DN為1 000 mm，長為1 200 mm，消聲裝置與散熱風機采用柔性連接，在保證消聲的同時，有足夠的通風量保證變壓器正常運行。

圖4　消聲設(shè)備示意圖

3　實施效果

變電站總體平面布置以及噪聲敏感點分布見圖5。

圖5　平面布置以及噪聲敏感點分布圖

針對主變噪聲影響，在主變周圍設(shè)施上已進行了隔聲、吸聲及消聲處理來減小噪聲傳播，同時在變電站廠界傳播路徑上進行隔聲處理。在原有圍墻基礎(chǔ)上加裝相同高度的鋼質(zhì)隔離板，如圖6所示。采用這種措施在一定程度上保護了受聲點，使噪聲傳播大大減小。

圖6　隔離圍墻立面圖

對室內(nèi)變壓器在進行降噪處理后，勢必會對通風散熱產(chǎn)生影響，本文已在隔聲板下方增設(shè)機械通風口，同時在室內(nèi)開挖地下通風道并進行消聲、隔聲處理，如圖7所示。采用該方法最大程度上保證主變通風散熱與溫度在正常可控范圍內(nèi)，不影響原有運行工況。

圖7　地下通風出口設(shè)備示意圖

經(jīng)過以上較全面的噪聲治理措施，根據(jù)噪聲敏感點分布情況，在主變滿負荷運行時，分別測量了降噪前與降噪聲措施實施后的整體噪聲值，對比結(jié)果如表1所示。

根據(jù)噪聲數(shù)據(jù)分析得知，當兩臺主變均處于高負荷運行時，敏感點處最大噪聲值將達到66.8 dBA，超過該地區(qū)所執(zhí)行的《聲環(huán)境質(zhì)量標準》GB3096-2008中2類聲功能區(qū)夜間標準限值約17 dBA，考慮不可預(yù)見性因素的存在，通常實際設(shè)計時必須留2～3 dBA的設(shè)計裕度，經(jīng)本項目綜合設(shè)計降噪量20 dBA降噪處理措施后，敏感點處的噪聲值明顯減小，滿足噪聲標準要求，主變溫度實時監(jiān)控正常。因此，本文提出的方法在治理噪聲污染問題的同時，也能改善操作人員的操作環(huán)境，起到一定的勞動保護作用。

表1　噪聲測試數(shù)據(jù)

圖8　主變室大門效果圖

本文總體治理方案整體設(shè)計使用切合實際的隔聲、吸聲、消聲結(jié)構(gòu)?？蓾M足以下基本要求：1)保證了變電站附近敏感點處聲環(huán)境達到規(guī)定的標準限值；2)降噪設(shè)備不影響站內(nèi)設(shè)備的安全運行；3)降噪設(shè)備外觀美化，不影響工作人員的巡檢、維修(見圖8)；4)降噪設(shè)備有良好的耐腐蝕性；5)降噪設(shè)備具有較長的使用壽命；6)在滿足上述5條原則的基礎(chǔ)上，最大程度地控制了治理成本。

3　結(jié)語

本文對主變聲源特性以及降噪原理進行分析研究，在此基礎(chǔ)上提出了一套綜合通用的治理變壓器噪聲的有效措施，并將其應(yīng)用于現(xiàn)有變電站，降噪效果明顯且符合國標要求，為主變噪聲治理提供了理論與實踐依據(jù)。

[參考文獻]

[1]陳錦棟，李明．220kV露天變電站的噪聲污染及其控制簡析[J].噪聲與振動控制，2013，33(5)：102-106．

[2]王萍，嚴平平，戴怡廷．噪聲控制技術(shù)在變電站電抗器室噪聲治理中的應(yīng)用[J].華東電力，2012，40(10)：1852-1854．

[3]徐祿文．戶外變電站噪聲預(yù)測及優(yōu)化控制設(shè)計[J].噪聲與振動控制，2013，1(1)：151-156．

[4]顧曉安，沈榮瀛，徐基泰．國外變壓器噪聲研究的動向[J].變壓器，2002，39(6)：33-38．

[5]譚聞，張小武．電力變壓器噪聲研究與控制[J].高壓電器，2009，45(2)：70-72．

[6]周新祥．噪聲控制技術(shù)及其新進展[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007．

[7]黃平，梅志農(nóng)，李峰，等．500 kV世博地下變電站環(huán)境保護研究[J].華東電力，2008，36(11)：1389-1393．

[8]王常平，林志云，王國節(jié)．如何降低變壓器噪聲[J].變壓器，2004，41(6)：29-30．

[9]歐炎, 高聚元. 大型變電站噪聲綜合治理設(shè)計[C]// 2007年全國環(huán)境聲學(xué)學(xué)術(shù)討論會, 2007：280-283．

[10]張曉龍．干式變壓器隔聲罩消聲器研制[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2008．

Research on Comprehensive Treatments for Transformer Noise Pollution

Ai Wenyuan

(MaintenanceBranchofXiaoganPowerSupplyCompany,Xiaogan,Hubei432000,China)

Key Words：transformer；noise characteristic; ventilation and heat dissipation；real-time monitoring

(責任編輯：張凱兵)