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)

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(lái)源。對(duì)主變聲源特性以及降噪原理進(jìn)行了分析研究，詳細(xì)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(guó)標(biāo)要求。在不影響運(yùn)行檢修工況下最大化降噪處理，同時(shí)保證了主變的通風(fēng)散熱量與溫濕度實(shí)時(shí)控制，采用開(kāi)挖地下通風(fēng)道降噪與圍墻隔音等創(chuàng)新性措施，為治理主變?cè)肼曁峁┝死碚撆c實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變壓器噪聲；噪聲特性；通風(fēng)散熱；實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TB533;TM47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：2095-4824(2015)03-0073-05

收稿日期：2015-03-28

作者簡(jiǎn)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(kuò)建勢(shì)必對(duì)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(lái)的噪聲污染問(wèn)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(lái)越多[2-3]。對(duì)于變壓器噪聲問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從變壓器結(jié)構(gòu)、材料選型試制以及振動(dòng)機(jī)理、聲學(xué)特性、計(jì)算模型、測(cè)量方法、降噪措施等多個(gè)方面進(jìn)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(yùn)行檢修、通風(fēng)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(yùn)行工況下最大化降噪處理，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并且在應(yīng)用實(shí)踐上具有一定的創(chuàng)新性。

1　主變?cè)肼曉雌饰?/h2>

由于鐵心、繞組、油箱(包括磁屏蔽等)及冷卻裝置的振動(dòng)，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(dòng)，噪聲的傳播方式一部分以振動(dòng)形式通過(guò)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(jìn)行降噪處理，經(jīng)過(guò)對(duì)變電站的噪聲進(jìn)行檢測(cè)，該站主變運(yùn)行噪聲達(dá)78.6 dBA，廠界噪聲達(dá)66.8 dBA。如圖1是變壓器頻譜分析圖，通過(guò)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(duì)噪聲值貢獻(xiàn)頻段主要分布在100~500 Hz的頻率范圍內(nèi)。風(fēng)冷機(jī)械噪聲在整個(gè)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(gè)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(fù)荷大小變化而變化，當(dāng)變壓器空載或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，噪聲較低，滿載運(yùn)行時(shí)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(qiáng)、對(duì)阻隔聲源傳播途徑和保護(hù)受噪音干擾區(qū)域。對(duì)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(jìn)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(diǎn)的過(guò)程中衰減，降低到周邊區(qū)域受聲點(diǎn)能夠接受的強(qiáng)度[9]。

降噪設(shè)計(jì)的基本程序?yàn)椋?)根據(jù)聲源特性估算受聲點(diǎn)各頻帶聲壓級(jí)；2)了解環(huán)境特點(diǎn)，選定噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)；3)確定各受聲點(diǎn)允許的噪聲級(jí)和各頻帶聲壓級(jí)；4)計(jì)算各頻帶所需降噪量；5)計(jì)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(guò)材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)來(lái)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(jí)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(yàn)計(jì)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(yàn)計(jì)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(mén)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(mén)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(duì)變壓器室敞開(kāi)式大門(mén)拆除，利用隔聲板將門(mén)洞進(jìn)行封堵，隔聲板采用吸隔聲結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)隔聲量≥20 dBA。為便于日常巡檢，隔聲板下部設(shè)有隔聲門(mén)，其設(shè)計(jì)隔聲量≥20 dBA。

主變室進(jìn)行隔聲封閉后，針對(duì)其內(nèi)部通風(fēng)散熱問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)采取機(jī)械通風(fēng)方案，在主變室大門(mén)隔聲板下部設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)口，在每個(gè)主變現(xiàn)有排風(fēng)口處加裝4臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)采用低噪聲防爆型軸流風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)量≥35 000 m3/h，其中通風(fēng)量計(jì)算公式如下：

(5)

式中：P為空氣密度，C為標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(fēng)量為：

V=214 961/(1.29×0.24×5)

=138 864 m3/h，

單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量=138 864÷4=34 716 m3/h。

考慮極限溫度的出現(xiàn)，風(fēng)機(jī)選取加大一定的裕度，故設(shè)計(jì)單臺(tái)風(fēng)量≥35 000 m3/h。

從節(jié)能的角度考慮，風(fēng)機(jī)上配置風(fēng)機(jī)控制箱及溫度監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)主變室內(nèi)溫度高于40 ℃時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，溫度高于45 ℃時(shí)，另兩臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)環(huán)溫較低時(shí)(如冬季)，則風(fēng)機(jī)只需啟動(dòng)兩臺(tái)或無(wú)需啟動(dòng)。

對(duì)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(jì)，并可設(shè)計(jì)成可拆卸的方式，便于設(shè)備維護(hù)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(jì)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(jī)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(lèi)[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(jì)算公式如下：

(7)

室內(nèi)采取吸聲措施后，其平均降噪值計(jì)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(duì)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(huì)出現(xiàn)聲混響現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)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(mén)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(lái)降低噪聲，對(duì)所有的空氣動(dòng)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(guò)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(kuò)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(jì)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(zhǎng)，S為消聲器斷面積，l為消聲器長(zhǎng)度。

在主變的進(jìn)、排風(fēng)口均處安裝通風(fēng)消聲器。消聲器采用阻性片式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(jì)消聲通道空氣內(nèi)流速不得超過(guò)6 m/s。在大門(mén)兩側(cè)的外墻加裝兩個(gè)消聲通風(fēng)口，安裝兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)并安裝消聲裝置，消聲裝置DN為1 000 mm，長(zhǎng)為1 200 mm，消聲裝置與散熱風(fēng)機(jī)采用柔性連接，在保證消聲的同時(shí)，有足夠的通風(fēng)量保證變壓器正常運(yùn)行。

圖4　消聲設(shè)備示意圖

3　實(shí)施效果

變電站總體平面布置以及噪聲敏感點(diǎn)分布見(jiàn)圖5。

圖5　平面布置以及噪聲敏感點(diǎn)分布圖

針對(duì)主變?cè)肼曈绊懀谥髯冎車(chē)O(shè)施上已進(jìn)行了隔聲、吸聲及消聲處理來(lái)減小噪聲傳播，同時(shí)在變電站廠界傳播路徑上進(jìn)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(hù)了受聲點(diǎn)，使噪聲傳播大大減小。

圖6　隔離圍墻立面圖

對(duì)室內(nèi)變壓器在進(jìn)行降噪處理后，勢(shì)必會(huì)對(duì)通風(fēng)散熱產(chǎn)生影響，本文已在隔聲板下方增設(shè)機(jī)械通風(fēng)口，同時(shí)在室內(nèi)開(kāi)挖地下通風(fēng)道并進(jìn)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(fēng)散熱與溫度在正常可控范圍內(nèi)，不影響原有運(yùn)行工況。

圖7　地下通風(fēng)出口設(shè)備示意圖

經(jīng)過(guò)以上較全面的噪聲治理措施，根據(jù)噪聲敏感點(diǎn)分布情況，在主變滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，分別測(cè)量了降噪前與降噪聲措施實(shí)施后的整體噪聲值，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

根據(jù)噪聲數(shù)據(jù)分析得知，當(dāng)兩臺(tái)主變均處于高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，敏感點(diǎn)處最大噪聲值將達(dá)到66.8 dBA，超過(guò)該地區(qū)所執(zhí)行的《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3096-2008中2類(lèi)聲功能區(qū)夜間標(biāo)準(zhǔn)限值約17 dBA，考慮不可預(yù)見(jiàn)性因素的存在，通常實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)必須留2～3 dBA的設(shè)計(jì)裕度，經(jīng)本項(xiàng)目綜合設(shè)計(jì)降噪量20 dBA降噪處理措施后，敏感點(diǎn)處的噪聲值明顯減小，滿足噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求，主變溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控正常。因此，本文提出的方法在治理噪聲污染問(wèn)題的同時(shí)，也能改善操作人員的操作環(huán)境，起到一定的勞動(dòng)保護(hù)作用。

表1　噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8　主變室大門(mén)效果圖

本文總體治理方案整體設(shè)計(jì)使用切合實(shí)際的隔聲、吸聲、消聲結(jié)構(gòu)。可滿足以下基本要求：1)保證了變電站附近敏感點(diǎn)處聲環(huán)境達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值；2)降噪設(shè)備不影響站內(nèi)設(shè)備的安全運(yùn)行；3)降噪設(shè)備外觀美化，不影響工作人員的巡檢、維修(見(jiàn)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(zhǎng)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(yǔ)

本文對(duì)主變聲源特性以及降噪原理進(jìn)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(guó)標(biāo)要求，為主變?cè)肼曋卫硖峁┝死碚撆c實(shí)踐依據(jù)。

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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(zé)任編輯：張凱兵)