城市110kV戶內變電站聲場數值模擬

梅天龍 吳靜萍 樊 紅 田 偲

（武漢理工大學交通學院1） 能源與動力工程學院2） 武漢 430063）

0 引 言

隨著現代社會發展的速度越來越快，城市電力需求量逐漸增大，導致供電負載越來越高，很多變電站開始在人口集中的市內建立．為了降低變電站噪聲污染，變壓器從戶外搬進了戶內．但是噪聲仍然會從通風散熱的進風口、排風口向外輻射，噪聲超標，引起周圍居民投訴．因此，有必要針對城市戶內變電站噪聲預報和控制進行研究．

針對變電站噪聲產生和傳播的復雜性，國內外許多學者以及電力變壓器制造公司對變壓器噪聲問題進行了研究．20世紀70年代以來，國外各主要變壓器制造公司，如西屋公司和通用電氣公司，均投入了大量人力物力對變壓器噪聲控制開展廣泛和深入的研究，如利用聲強法、聲壓法進行變壓器聲級測量，以及遠場輻射噪聲分析［1］．近年來國內一些學者也對室內變電站噪聲模擬作了相應的仿真分析，并取得了一定成果，楊敏等［2］通過采用商業軟件ANSYS結合聲振軟件SYSNOISE對封閉的城市戶內變電站內外聲場進行模擬仿真和預測．

本文應用法國ESI集團推出的VA One仿真計算軟件對噪聲場進行仿真模擬．VA One軟件是一款用于全頻段振動噪聲分析的商業軟件，廣泛用于汽車、船舶、航空航天，以及建筑等行業領域．陳偉［3］用該軟件實現了對軌道客車內部噪聲聲壓級的預測和控制；王婉秋等［4］采用統計能量分析方法探討了航天器虛擬噪聲實驗系統方案的可行性研究；潘凱［5］通過建立飛機艙內噪聲預計模型，分析和預報了飛機艙室的噪聲性能，驗證了模型及方法的有效性；李峰等［6］通過采用統計能量分析方法對散貨船艉噪聲進行仿真，優化了船舶結構的聲學性能；李新［7］針對井下液壓提升機及硐室的復雜噪聲環境，使用VA One模擬了硐室建筑室內的噪聲擴散規律，對礦山井下噪聲預測、控制及改善作出了一定貢獻．

本文以南昌某戶內變電站的主變室作為聲學計算模型，使用VA One中的統計能量分析方法，開展了聲振激勵下變電站主變室內外噪聲的預報，通過將仿真結果與實際測量結果的比較，兩者符合程度令人滿意，從而驗證了所建立的仿真模型和采用的仿真方法的合理性和有效性．

1 戶內變電站產生噪聲原因及傳播途徑

1．1 變電站的主要噪聲源

本文研究的變電站的變壓器屬于油浸式變壓器，其噪聲來源于變壓器本體和冷卻系統2個方面．國內外的研究結果表明，變壓器本體振動產生噪聲的根源在于：（1）硅鋼片在交變的磁場作用下發生微小的磁致伸縮，使得鐵心隨著勵磁頻率的變化發生周期性的振動［8］；（2）硅鋼片接縫處和疊片之間存在著因漏磁產生的電磁吸引力而引起鐵心的振動；（3）當繞組中有負載電流通過時，負載電流產生的漏磁引起線圈、油箱壁的振動．本體噪聲通過鐵心墊腳和變壓器油傳遞給箱體和附件而產生；冷卻系統的噪聲主要由風扇和油泵的振動引起．

1．2 變電站噪聲傳播途徑

室內變電站由于占地面積小，站內主要設備分布緊湊，主變壓器、電容器、配電裝置等主要集中在零米層［9］．因此在室內變電站產生噪聲的聲波通過介質傳播有2種：（1）變壓器正常工作時產生振動，振動噪聲會經過空氣介質傳播到四周，一部分在室內反射，反射聲和直達聲相互疊加，進而產生聲壓級更強的混響聲；一部分從進、排風口傳到室外．（2）室內變壓器在工作時振動會沿著基座傳遞給結構物從而產生固體傳聲．

通過現場觀察，本文研究的變電站變壓器基座傳遞振動噪聲成分很小，噪聲傳播途徑主要考慮空氣介質傳聲．

2 統計能量分析方法

麻省理工R．H．Lyon［10］受到室內聲學及統計熱力學的啟發，提出應用統計能量分析方法解決結構聲振問題，把研究對象從用隨機參數描述的總體中抽象出來，對被研究的具體細節參數不感興趣，關心的是時域、頻域和空間上的統計平均值，同時采用“能量”的觀點，統一解決結構聲振和聲場問題．它不僅能夠預計上述系統動力特征，還能進行噪聲和振動的優化設計和故障診斷．

圖1顯示統計能量分析法（statistical energy analysis，SEA）的2個相鄰子系統，對該子系統結構建立能量平衡方程．

圖1 2個SEA子系統

對于3個以上子系統，其能量守恒方程為下列矩陣形式［14］．

式中：Pi為時間平均上的輸入能量；ω為分析頻段的中心頻率；ηi為阻尼損耗因子；ηij為耦合損耗因子；ni為模態密度；Ei為系統能量，i，j＝1，2，…，k，k為子系統總數．

統計能量分析法運用簡單的功率流平衡方程，研究機械系統和聲學系統或其他不同系統之間的相互作用，使用的模型簡單，計算得出的結果便可達到工程應用要求，彌補了傳統方法的不足．傳統方法局限于對有限數量的低階模態進行分析，分析誤差隨著頻率范圍的擴展而迅速增大，分析難度隨著結構復雜程度而增加，統計能量分析則不然，它適用于高頻、密集模態的復雜結構；對結構細節要求不嚴，統計能量分析法引入損耗因子，并利用經驗公式或實測值來計算，在某種程度上掩蓋了某些結構或結構連接的細節．

統計能量分析方法中，以頻率區間內的模態作為統計母體，必須達到一定數量才能保證平均結果有意義，統計能量分析方法適用于模態密度較大的分析區域，一般在模態數都≥5的條件下能夠達到比較理想的狀態．

3 戶內變電站聲場仿真

南昌某戶內變電站主變室的主要尺寸為：長9．75m、寬7．55m、高14m，在高的一半處有相連通的控制觀察室，尺寸為：長9．75m、寬8m、高7m．混凝土墻厚度取10cm；主變室頂部設有2個排風口，等效尺寸均為：2m×2m，進風口1個，等效尺寸為：長2．75m、高0．6m，中心點高度為0．8m．

進風口安裝了消聲通道，室內北向、東向、西向墻壁安裝穿孔板吸聲結構，南向墻安裝了一扇由微孔板與吸聲材料組合而成的HCM5型拆裝式隔音門，門與墻的厚度相同．

利用VA One軟件進行仿真的簡單步驟如下：（1）在三維建模軟件中生成實際模型后，導入VA One；（2）劃分結構子系統和聲腔子系統（見圖2），設置相關參數；（3）建立子系統連接；（4）添加聲源激勵；（5）求解及查看結果．

子系統劃分過程中要根據戶內變的結構特征以及研究對象，結合統計能量分析方法的子系統劃分原則進行．劃分原則包括：耦合系統自然邊界條件和動力學邊界條件一致、模態相似、模態數最低要求等．

圖2 戶內變SEA子系統模型示意圖

結構子系統內損耗因子可通過查材料手冊獲得，混凝土墻體內損耗因子為1．5×10－2，隔音門內損耗因子為1．0×10－2；穿孔板平均吸聲系數取0．3；進風口消聲通道的吸聲效果，簡單地取聲腔子系統平均吸聲系數來等效處理；仿真模型的聲腔子系統的損耗主要來自空氣吸聲，聲腔子系統的內損耗因子的取值，參考相關文獻以及考慮該主變室內聲源頻譜特征，用于仿真計算的頻譜見圖3．

圖3 聲腔子系統內損耗因子

圖4 a）給出了主變室隔音門外噪聲聲壓級（sound pressure level，SPL）仿真值和實測值在頻率范圍31．5Hz～8kHz的單倍頻程的SPL頻譜．圖4a）中同時將聲源頻譜一起給出，便于參考．從圖中可見，仿真SPL頻譜隨頻率的變化趨勢與聲源的頻譜變化趨勢是一致的，并且仿真值與實測值相當接近．仿真值與實測值的A計權總聲壓級的誤差見表1．

圖4b）給出了HCM5型拆裝式通風隔音門內、外空間仿真SPL頻譜．從圖中可見，2頻譜隨頻率的變化趨勢一致，兩者的A計權總聲壓級的差值見表2．

圖4 主變室隔音門處仿真噪聲聲壓級頻譜

計算圖4a）中的仿真SPL頻譜值，得到A計權修正后的主變室隔音門外噪聲頻帶聲壓級數據，得到總聲壓級，并與對應空間實測的A計權噪聲總聲壓級一起列于表1．表1中還計算了仿真值與實測值之間的相對誤差，計算式見式（2）．計算得出相對誤差值為2．8%，足夠小，表明仿真值與實測值兩者相當吻合．

計算圖4b）中的仿真SPL頻譜值，得到的A計權修正后的隔音門內、外空間噪聲頻帶聲壓級數據，以及得到的總聲壓級和兩者差值，見表2．在隔音門處，內、外空間噪聲A計權總聲壓級差值達到17．1dB，與廠家提供的該隔音門的降噪隔音量15dB效果相比較，令人滿意．

表1 主變室隔音門外模擬值和實測值噪聲A計權聲壓級對比及相對誤差數據表

表2 主變室隔音門內、外空間仿真噪聲A計權聲壓級及差值數據表

從表1中數據可見，對于經過噪聲處理后的主變室而言，隔音門外SPL仿真值和實測值均滿足夜間城市Ⅱ類地區噪聲規定的50dB以下的要求．

4 結束語

采用VA One聲學分析軟件，基于統計能量分析方法，對某110kV變電站主變室內外空間區域的噪聲進行模擬分析，并與實際測量值作對比，兩者吻合程度較好，在一定程度上證明了本文采用VA One軟件、基于統計能量分析方法模擬戶內變噪聲的可靠性和有效性．

對于經過噪聲處理后的主變室而言，室外SPL仿真值和實測值均滿足夜間城市Ⅱ類地區噪聲規定的50dB以下的要求．

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［5］潘 凱．基于VA One的飛機艙內噪聲預計方法研究［J］．測控技術，2008，27（3）：22－26．

［6］李 峰，徐芹亮，滕 瑤，等．統計能量法在船舶噪聲與振動控制中的應用［J］．噪聲與振動控制，2011（6）：152－155．

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