变压器噪声污染综合治理研究

2015-12-09艾文渊

湖北工程学院学报 2015年3期

关键词：实时监控

艾文渊

(孝感供电公司检修分公司，湖北孝感 432000)

变压器噪声污染综合治理研究

艾文渊

(孝感供电公司检修分公司，湖北孝感 432000)

摘要:变压器噪声是变电站噪声的主要来源。对主变声源特性以及降噪原理进行了分析研究，详细介绍了降噪处理方法，在此基础上给出了一套综合通用的治理变压器噪声的有效措施，并将其应用于现有变电站，降噪效果明显且符合国标要求。在不影响运行检修工况下最大化降噪处理，同时保证了主变的通风散热量与温湿度实时控制，采用开挖地下通风道降噪与围墙隔音等创新性措施，为治理主变噪声提供了理论与实践依据。

关键词：变压器噪声；噪声特性；通风散热；实时监控

中图分类号：TB533;TM47

文献标志码：码：A

文章编号：号：2095-4824(2015)03-0073-05

收稿日期：2015-03-28

作者简介：艾文渊 (1970-)，男，湖北安陆人，湖北省电力公司孝感供电公司工程师。

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.

在特高压交直流输电与全面建设智能电网的背景下，电网的发展与扩建势必对变电站的数量与质量提出了更高的要求。集中用电量的增加促使高电压、大容量的大型变压器安装到市内[1]，由此带来的噪声污染问题也引起了人们的日益重视，噪声影响的投诉与纠纷也越来越多[2-3]。对于变压器噪声问题，国内外学者从变压器结构、材料选型试制以及振动机理、声学特性、计算模型、测量方法、降噪措施等多个方面进行了研究[4-5]，相应的新技术与应用成果层出不穷。然而，目前的噪声治理方案普遍具有盲目性与片面性[6]，综合影响因素考虑不周全(如电气安全、结构安全、使用寿命、运行检修、通风散热、景观协调等方面的要求)，应用上缺乏创新性。本文基于降噪措施，分析研究了变压器的噪声特性，在不影响运行工况下最大化降噪处理，符合现场实际情况并且在应用实践上具有一定的创新性。

1　主变噪声源剖析

由于铁心、绕组、油箱(包括磁屏蔽等)及冷却装置的振动，变压器的噪声大小与变压器功率有关，功率越大，噪声越大。变压器噪声表现为低中频振动，噪声的传播方式一部分以振动形式通过固体传递，还有一部分由气固混合传递[7-8]。

本文以孝感城区某110 kV变电站为例进行降噪处理，经过对变电站的噪声进行检测，该站主变运行噪声达78.6 dBA，厂界噪声达66.8 dBA。如图1是变压器频谱分析图，通过频谱分析得知，变压器本体噪声能量主要集中在中低频区域，并在低频区域声能出现峰值，800 Hz以上区域声能逐渐下降，高频区域声能量较低，呈典型的低频特性，对噪声值贡献频段主要分布在100~500 Hz的频率范围内。风冷机械噪声在整个频带范围内都有较高的声能量，低频区域声能出现两个峰值，高频区域声能逐渐下降，但下降幅度有限，呈典型的宽频特性。变压器的噪声随负荷大小变化而变化，当变压器空载或低负荷运行时，噪声较低，满载运行时噪声较高。从噪声控制角度看，低频噪声治理难度大，衰减率低且不易吸收。

图1　变压器1/3倍频程频谱图

2　噪声治理措施

噪声控制手段主要有三种，即降低源强、对阻隔声源传播途径和保护受噪音干扰区域。对已建于居民区的变电站，目前最有效的方法是从传播途径上进行治理。主要采用隔、消、吸、阻尼和减振等综合噪声治理措施，使噪声在传播到周边区域受声点的过程中衰减，降低到周边区域受声点能够接受的强度[9]。

降噪设计的基本程序为：1)根据声源特性估算受声点各频带声压级；2)了解环境特点，选定噪声控制标准；3)确定各受声点允许的噪声级和各频带声压级；4)计算各频带所需降噪量；5)计算并确定各材料应有的降噪系数；6)选择合适的结构材料方案。

2.1　隔声

隔声是通过材料、构件或结构来隔绝噪声传播的一种途径，隔声量是隔声材料两侧入射声音与透射声音的声级差，用分贝表征构件隔声效果的大小[2]，其定义为：

(1)

在不同频率下，单层均质墙板隔音量(dB)经验计算公式如下：

TL=16lgm+14lgf-29

(2)

频率在100～3 150 Hz的平均隔声量(dB)经验计算公式如下：

TL=16lgm+8(m≥200kg/m2)

(3)

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

(4)

式中：τ为透射系数，m为每平方米隔物质量，f为频率。

图2　主变室大门降噪设备示意图

隔声物质一般为阻尼高、质量重的复合材料，常用的隔声装备有隔声罩、隔声门窗、隔声屏障等[10]。

根据变电站站内变压器布局，变压器为室内安装，对变压器室敞开式大门拆除，利用隔声板将门洞进行封堵，隔声板采用吸隔声结构，其设计隔声量≥20 dBA。为便于日常巡检，隔声板下部设有隔声门，其设计隔声量≥20 dBA。

主变室进行隔声封闭后，针对其内部通风散热问题，设计时采取机械通风方案，在主变室大门隔声板下部设计进风口，在每个主变现有排风口处加装4台风机，风机采用低噪声防爆型轴流风机，单台风量≥35 000 m3/h，其中通风量计算公式如下：

(5)

式中：P为空气密度，C为标准大气压下比热容，t为变压器室外环境温度(按夏季最高40 ℃考虑)，Q为主变每小时发热量(kcal/h)，根据主变容量确定，其发热量为250 kV/h，则有：

Q=(250×3 600÷4.186 8) kcal/h

=214 961 kcal/h

通风量为：

V=214 961/(1.29×0.24×5)

=138 864 m3/h，

单台风机风量=138 864÷4=34 716 m3/h。

考虑极限温度的出现，风机选取加大一定的裕度，故设计单台风量≥35 000 m3/h。

从节能的角度考虑，风机上配置风机控制箱及温度监控系统，当主变室内温度高于40 ℃时，两台风机启动，温度高于45 ℃时，另两台风机启动，当环温较低时(如冬季)，则风机只需启动两台或无需启动。

对于室外露天设备，若安装隔声屏除了保证吸声隔声效果，需考虑防雨水设计，并可设计成可拆卸的方式，便于设备维护更换。

2.2　吸声

定义材料吸收的声能与入射总声能之比为吸收系数，其计算公式如下：

(6)

式中：r为反射系数，Ei为入射声能，Er为反射声能。

吸声材料按其吸声机理的不同，可以分成多孔性吸声材料与共振吸声结构两大类[2]。前者有玻璃棉、岩棉、木质纤维、泡沫材料及微孔吸声砖等，后者有穿孔板、微穿孔板、薄板及薄膜吸声结构。常用的吸声装备有吸声体、吸声锥、吸声尖劈等。

室内采取吸声措施后，其最大降噪值计算公式如下：

(7)

室内采取吸声措施后，其平均降噪值计算公式如下：

(8)

式中：α1和α2分别表示处理前后的吸声系数。

采用穿孔板共振吸声结构，对吸收低频噪声效果最佳。

变压器室封闭后，声波经墙壁多次反射、叠加后会出现声混响现象，设计时在房间内墙壁上安装吸声体，吸声体面积不小于墙壁面积的60%，在内墙面及隔声门内面敷设高分子阻尼材料，吸音棉、玻璃布、金属穿孔板等。

图3　吸声材料布置图

2.3　消声

消声是利用具有吸声内衬或特殊结构形式的气流通道来降低噪声，对所有的空气动力性噪声可统一采用消声治理措施。消声设备是一种不阻碍气流正常通过而使声音衰减的降噪设备，按其原理可分为抗性、阻性、阻抗复合式及扩散消声器，常用的消声装备有消声器、消声弯头、消声静压箱等。其中常用的阻性消声器的消声量参照下式计算：

(9)

式中：φ(a0)表示与吸声系数a0有关的消声系数，P为通道截面周长，S为消声器断面积，l为消声器长度。

在主变的进、排风口均处安装通风消声器。消声器采用阻性片式结构，设计消声量△L≥20 dBA。为防止消声装置内出现气流再生噪声，设计消声通道空气内流速不得超过6 m/s。在大门两侧的外墙加装两个消声通风口，安装两台通风机并安装消声装置，消声装置DN为1 000 mm，长为1 200 mm，消声装置与散热风机采用柔性连接，在保证消声的同时，有足够的通风量保证变压器正常运行。

图4　消声设备示意图

3　实施效果

变电站总体平面布置以及噪声敏感点分布见图5。

图5　平面布置以及噪声敏感点分布图

针对主变噪声影响，在主变周围设施上已进行了隔声、吸声及消声处理来减小噪声传播，同时在变电站厂界传播路径上进行隔声处理。在原有围墙基础上加装相同高度的钢质隔离板，如图6所示。采用这种措施在一定程度上保护了受声点，使噪声传播大大减小。

图6　隔离围墙立面图

对室内变压器在进行降噪处理后，势必会对通风散热产生影响，本文已在隔声板下方增设机械通风口，同时在室内开挖地下通风道并进行消声、隔声处理，如图7所示。采用该方法最大程度上保证主变通风散热与温度在正常可控范围内，不影响原有运行工况。

图7　地下通风出口设备示意图

经过以上较全面的噪声治理措施，根据噪声敏感点分布情况，在主变满负荷运行时，分别测量了降噪前与降噪声措施实施后的整体噪声值，对比结果如表1所示。

根据噪声数据分析得知，当两台主变均处于高负荷运行时，敏感点处最大噪声值将达到66.8 dBA，超过该地区所执行的《声环境质量标准》GB3096-2008中2类声功能区夜间标准限值约17 dBA，考虑不可预见性因素的存在，通常实际设计时必须留2～3 dBA的设计裕度，经本项目综合设计降噪量20 dBA降噪处理措施后，敏感点处的噪声值明显减小，满足噪声标准要求，主变温度实时监控正常。因此，本文提出的方法在治理噪声污染问题的同时，也能改善操作人员的操作环境，起到一定的劳动保护作用。

表1　噪声测试数据

图8　主变室大门效果图

本文总体治理方案整体设计使用切合实际的隔声、吸声、消声结构。可满足以下基本要求：1)保证了变电站附近敏感点处声环境达到规定的标准限值；2)降噪设备不影响站内设备的安全运行；3)降噪设备外观美化，不影响工作人员的巡检、维修(见图8)；4)降噪设备有良好的耐腐蚀性；5)降噪设备具有较长的使用寿命；6)在满足上述5条原则的基础上，最大程度地控制了治理成本。