高壓直流換流站設備可聽噪聲的分析與降噪探討

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(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072；2.國網四川省電力公司經濟技術研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

直流輸電是電力系統近年來迅速發展的一項新技術，具有送電距離遠、輸送容量大、線路損耗小的優點。換流站是直流輸電工程中直流和交流進行相互能量轉換的系統，但它在給人們帶來電力資源優化配置的同時，會對周邊環境輻射出很大的噪聲，并引起了社會的廣泛關注。因此對高壓直流換流站的可聽噪聲進行分析并提出降噪措施勢在必行。

1 換流站設備噪聲分析

換流站內的主要噪聲源包括換流變壓器、平波電抗器、交直流濾波器組、風機，其中，換流變壓器、平波電抗器、交直流濾波器發生的噪聲為電磁噪聲，風機發出的噪聲為機械噪聲和空氣動力學噪聲。下面對主要噪聲源產生機理及頻譜特性進行分析。

1.1 換流變壓器噪聲

換流變壓器是換流站噪聲的最主要來源，其噪聲來源于3個方面：1)鐵心勵磁時，硅鋼片的磁致伸縮作用，使得變壓器鐵心的尺寸發生變化，引起周圍空氣和自身的振動所產生的振動噪聲[1]；2)換流變壓器冷卻系統的風扇和盤管產生的噪聲；3)線圈導線和線圈間的電磁力對變壓器和磁性材料的噪聲[2]。

圖1是某換流站換流變壓器實測噪聲頻譜，其頻率以100 Hz基頻及其諧頻為主。從1/3倍頻程頻譜測量結果看出，換流變壓器在中低頻部分有明顯的峰值，而受冷卻風扇的影響，中頻帶的聲級也較高，高頻帶的聲級呈平緩下降的趨勢，設備噪聲總體頻帶較寬。在100、400、500 Hz的中心頻率上出現峰值，平均噪聲水平85～100 dB[3]。

圖2 平波電抗器噪聲頻譜圖

1.2 平波電抗器噪聲

平波電抗器的噪聲主要由直流電流和諧波電流的相互作用引起繞組振動[4]。油浸式平波電抗器的繞組和絕緣結構和換流變壓器相同，因此其噪聲的產生機理、頻率范圍、聲級強度和換流變壓器類似。從圖2看出，噪聲總體頻帶較寬。在低頻段100、200、400 Hz的中心頻率上有明顯峰值，在中、高頻上頻率成分豐富并趨于平緩。平波電抗器前噪聲總聲級為85～90 dB[5]。

1.3 交流濾波器組

交流濾波器組由濾波電抗器和濾波電容器組成。電抗器一般采用干式空心電抗器，電抗器線圈受交替變化的電磁場作用而引發周期性的磁致伸縮作用而產生噪聲，在低頻有明顯峰值。電容元件的底部和頂部產生的噪聲最大，是噪聲的主要來源[6]。在聲級強度上低于換流變壓器和平波電抗器產生的噪聲。

圖3 交流濾波器組噪聲頻譜圖

由圖3看出，噪聲的總體頻帶較寬，交流濾波器組噪聲在低頻段的50、100、125、200 Hz的中心頻率上出現峰值，在中、高頻上趨于平緩，其聲級強度低于換流變壓器和平波電抗器的噪聲。濾波器組噪聲總聲級為63.6～65.6 dB[7]。

1.4 閥外冷設備

閥外冷設備的風冷機組或冷卻塔也是產生換流站噪聲的設備。閥冷卻塔風機噪聲的頻譜特性屬于典型的風機噪聲頻譜，噪聲分布頻帶較寬，低、中、高頻段頻率成分豐富平均，無明顯峰值。

2 換流站噪聲治理研究

換流站周邊的環境敏感目標噪聲執行《聲環境質量標準》(GB 3096-2008)，換流站站界噪聲執行《工業企業廠界環境噪聲排放標準》(GB 12348-2008)。按照廠界環境噪聲排放標準，II類標準限值為晝間小于60 dB ( A ), 夜間小于50 dB(A )[8]。噪聲控制途徑包括以下3種方法：①控制噪聲源；②切斷噪聲傳播途徑；③保護噪聲受體。下面結合換流站設備實際情況分別闡述。

2.1 聲源控制

2.1.1 換流變壓器

換流變壓器是換流站中噪聲最大的單體設備，為了降低對外輻射噪聲：①由于磁致伸縮率大小與硅鋼片的材質有關，可采用磁致伸縮率小的高導磁材料，如高導磁硅鋼片，鐵心的噪聲在同樣工作磁密下降低2～4 dB(A)，但這種方法成本較高。②降低鐵心磁通密度。試驗表明，磁通密度每降低0.1 T，鐵心噪聲可降低2～3 dB(A)[9]；③采用低噪聲風扇；④在油箱內部加吸音材料，在外部加隔音板。

2.1.2 平波電抗器

1)對于干式平波電抗器，可限制線圈的振動，調整結構尺寸、間隔棒和機械支撐使共振頻率遠離臨界頻率，使用大導體增加慣性來減少振幅等辦法，可將噪聲降低5～10 dB；

2)采用頂部和底部封裝分別加裝屏蔽層的方式降噪，屏蔽后降噪可達15～20 dB[10]。

2.1.3 交流濾波器組

1)采用低噪聲電抗器[11]；

2)采用雙塔式電容器。電容器的噪聲很大，換流站的電容器組是由一系列單個電容器組成，這些元件以串聯的形式連在一起，導致高度很大，經過優化改進后，將電容器組由單塔式變為雙塔式，在降低電容器高度的同時，也降低了電容器對外輻射的噪聲。

2.2 噪聲傳播途徑的控制

如果上述方法不能大幅度有效降低噪聲，或者進一步降低設備噪聲所需成本較高時，可考慮采用切斷噪聲傳播途徑為主的降噪措施，如隔聲、消聲、吸聲和隔振等。

2.2.1 換流站設計方案優化

1)盡量將控制樓、閥廳和換流變壓器布置在站址中央區域；

2)閥廳和換流變壓器宜采用面對面方式布置；

3)交流濾波器與換流變壓器宜分開布置，同時降低交流濾波器高度，并使其遠離站界[12]。通過采用噪聲分析軟件SOUNDPLAN對換流站區域噪聲進行模擬計算，圖4和圖5分別為采用一字形和面對面布置時換流站的噪聲分布圖。

圖4 采用一字形布置時換流站的噪聲分布

圖5 采用面對面布置時換流站的噪聲分布

從圖4和圖5可以看出，與按一字形布置時相比，閥廳和換流變壓器按面對面布置時能改善換流站外的噪聲環境。

2.2.2 設置聲屏障等

1)聲屏障材料有磚墻、鋼結構、復合結構多種類型，聲屏障的插入損失(也即降噪量)取決于聲波在聲屏障上的透射、繞射和反射情況[13]，一般可取得5～15 dB的降噪效果；

2)隔聲罩：其隔音效果比聲屏障要好，一般降噪量可以達到15～25 dB(A)。例如采用隔聲封裝的“BOX-IN”技術,它是借助換流變壓器防火墻對換流變壓器本體進行封閉式隔聲處理的一種變壓器噪聲治理的新技術[14]，目前采用最多的是移動式BOX-IN技術，可有效降低噪聲量30 dB；

3)隔振裝置：可以降低噪聲1～5 dB(A)。如換流變壓器等設備在其底部加裝減振裝置來降低低頻結構噪聲；

4)風機消聲器：一般可取得15～30 dB(A)的降噪效果[15]。

2.3保護噪聲受體

通過在換流站外圍圍墻上設置聲屏障, 可以阻擋一部分噪聲的傳播，隔離透射聲，并使繞射聲有足夠的衰減作用[16]，基本上可以把站界噪聲標準限制在規定值內。

3 噪聲治理效果分析

對某換流站主要噪聲源降噪方案如下。

方案1：換流變壓器采用BOX-IN封裝方式降噪，則換流站噪聲水平得到最大限度降低，站界噪聲水平小于50 dB。

方案2：換流變壓器兩側加防火墻、廠房外墻及通風降噪裝置四周設置聲屏障, 防火墻上貼吸聲材料(復合吸聲體)，并延長防火墻長度。

方案3：換流站電容器組采用雙塔結構，從而降低了聲源高度，并減少了噪聲傳播范圍。

方案4：換流閥冷卻塔選用低噪聲風扇，并采用屏蔽罩降低其噪聲。

對比上述降噪方案，采用噪聲分析軟件SOUNDPLAN對換流站區域噪聲進行模擬計算，其中方案1能使換流站噪聲水平得到最大限度降低，使站界噪聲控制在50 dB ( A ) 以下,居民點噪聲級也控制在聲環境質量標準II類標準之內。

4 結 論

1)換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器組、閥外冷風機是換流站內的主要噪聲源，其噪聲類型包括電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力學噪聲。采取降噪措施時應統籌規劃，遵循環保達標、技術可行、經濟合理的原則進行治理。

2)換流站內的設備噪聲頻譜特征具有頻帶較寬的特點，其中以中低頻噪聲為主，高頻成分較弱。

3)換流變壓器在100、400、500 Hz的中心頻率上出現峰值，中頻帶的聲級較高，高頻帶的聲級呈平緩下降的趨勢，設備噪聲以鐵心振動噪聲為主，因此應主要針對鐵心采取降噪措施。

4)平波電抗器在100、200、400 Hz的中心頻率上有明顯峰值，在中、高頻上頻率成分豐富并趨于平緩。設備噪聲以鐵心振動和線圈電磁振動為主，因此應針對鐵心和線圈采取降噪措施。

5)交流濾波器組在低頻段的50、100、125、200 Hz的中心頻率上出現峰值，在中、高頻上趨于平緩，應主要針對電容器和電抗器采取降噪措施。

6)換流站噪聲控制應先合理選擇換流站站址，其次盡可能地降低噪聲源的數量和強度，然后考慮合理選擇和優化設計方案，最后才考慮必要的隔聲、消聲等降噪治理措施。同時為了控制降噪成本，噪聲控制工程應與主體工程同時設計、同時施工、同時投產。

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