城市户内变电站主变室墙面吸声降噪优化设计探讨

2018-10-23饶顺斌李静涛林松涛

噪声与振动控制 2018年5期

饶顺斌，田一，李静涛，林松涛，杜冲

(1.云南电网有限责任公司电网规划研究中心，昆明 650011；2.全球能源互联网研究院有限公司，北京 102211)

近年来，经济社会的快速发展导致能源的过度消耗，为实现全球能源的可持续发展，建立全球能源互联的坚强智能电网已成为大势所趋[1]。为此，国网公司通过大力发展特高压技术与智能电网技术，为全球能源互联网的建立提供了有力支撑[2]。在电网建设中，技术发展与环境兼容的问题也难以回避，如电网分布逐渐深入城区，由此引发日益增多的噪声投诉。如何抑制变电站噪声排放，改进降噪设计方法，在电网环保领域已获得广泛关注[3–5]。

1 变电站声源噪声

常见的城市变电站主要包括3类：户内变电站、户外变电站、半户内变电站[6–7]。其中，户内和半户内变电站数量众多，其共同特征在于主变室所处位置为基本密闭户内空间。为解决此类变电站的噪声问题，首先需掌握声源特征。

主变压器设备是变电站内的主要声源，其噪声水平与用电负荷成正相关关联。在日常运行工况下，主变压器的实际负载接近总负载的25%～50%左右；用电高峰期负载一般不超过总负载的80%左右。结合实际测试数据和相关分析可知，主变压器在日常运行工况下的近场噪声级可达52 dB（A）～68 dB（A），在用电高峰运行工况下的近场瞬时噪声级可达62 dB（A）～75 dB（A）。根据多座变电站主变压器噪声测量结果，变压器噪声以低频为主，主要分布在100Hz基频及其倍频上，如图1所示。

图1 典型城市变电站主变噪声频谱特征

因此，在采取其他降噪措施前，首先对变电站的声源噪声，即主变压器噪声，进行有效的降噪处理，是变电站整体降噪中最有效的降噪方式[8–9]。

2 城市变电站吸声降噪方案和模块化设计

目前，针对变电站主变压器噪声，除在变压器出厂前进行设备本体降噪外，对主变室采取隔声、吸声等措施是主要的降噪方法，其中吸声处理一般在主变室四侧壁面实施。其目的在于：一方面，有效消除主变压器室内的“驻波”和“混响”效应，降低室内声源的噪声水平；另一方面，吸收低频噪声，以降低低频噪声向室外传播的强度，达到良好的噪声控制效果。为优化吸声壁面的降噪效果，本文重点分析了城市户内变电站噪声特性和影响吸声壁面性能的关键因素。

2.1 变电站主要噪声源的声场分布特征研究

城市户内变电站的主变室平面通常为矩形。根据声学理论，当主变压器设备在这种矩形结构中发出噪声时，声波就会以直达声的形式向前传播，直至接近墙体壁面边界时，与声波的反射波以及多次再反射波形成驻波。设备声源在主变室内辐射的声波，在遇到壁面以前和在自由空间的辐射并无不同，只是略微受到周围环境的影响而已。之后，声波先后接触到壁面，方向不同的声波经过反射，相互干涉，失去了原有的球面波特性。通过多次持续反射，声波最终会达到稳定状态，只剩下室内可容许的波型，即是简正波。所以，矩形室内波动方程的严格解是自由空间解（直达声）与反射波组成简正波解（混响声）之和。

本文首先结合声学简正波理论，选取典型结构特征的主变室进行了声场特征分析，如图2所示。

图2 变电站主变室内的声场分布状况分析

对于低频声场而言，由于低频声波波长较大，致使简正波的距离节点较大，在主变室墙壁和内部空间形成了较大范围的高噪声驻波区域，在这些区域内，声波相互作用强烈，直接导致空间内的整体噪声显著上升；对于中频声场而言，中频声波的波长相对低频声波有所减小，因而室内中频简正波的节点间距缩小，主变室墙壁和内部空间的驻波区域变小，在这些区域内，声波相互作用强烈，导致空间内相关频段噪声较高；对于高频声场而言，高频声波波长较小，简正波驻波节点间距小，使得主变室墙壁和内部空间的驻波区域较小，而各区域简正频率比较密，对整体室内噪声的影响较大。

为验证并修正上述模型计算结果，本文选取结构相近的变电站主变室进行了实地测试分析，如图3所示。

实测结果与理论分析结果具有较高的一致性。上述测试结果印证了主变室内声波干涉与叠加的理论分析。对于不同频率的声波而言，主变压器声源传出的声波从变压器周围向主变室墙壁方向传播，根据声波衰减规律，各频率的声波将逐渐衰减。然而，由于直达声波与反射声波的相互干涉，主变室墙壁附近位置的各频段声压级并没有随传播距离发生衰减，反而得到了不同程度的增强，说明直达声波在与反射声波干涉过程中，失去了原有的球面波特性，形成室内可容许的驻波和混响效应，使得主变室内的噪声水平得到提升。此外，主变室声源的声能量主要集中于100 Hz、200 Hz、315 Hz、630 Hz等峰值频段，该频段噪声是主变室内降噪的重点，通过对包含噪声峰值的100 Hz～1 000 Hz的1/3倍频程声压级进行混响时间测试，可知100 Hz～1 000 Hz范围内的平均混响时间为1.7 s，该频段噪声引起的混响效应较为严重。主变室内噪声声压较高，需采取措施进行降噪治理。

图3 主变室声学频谱特征

2.2 变电站声源布置吸声材料/构件的比例设计与分析

影响吸声降噪效果的主要因素，包括吸声壁面的面积比例、布设位置以及吸声材料种类。为简化降噪设计步骤，本文重点分析吸声壁面面积比例的影响。按照工程施工经验，吸声壁面布设在四壁底端，正对变压器设备。吸声材料不宜安装在主变室天花板部位，主要是避免材料老化脱落后坠落到变压器设备中，造成设备短路等事故。

根据图1中主变噪声频谱特征，降噪工程中选用的吸声材料应当具备良好的低频吸声性能，在100 Hz～500 Hz左右具备较高的吸声系数。然而，目前绝大多数变电站仍选用传统的玻璃棉降噪材料。因此，本文试验与仿真分析的吸声材料暂定为玻璃棉，其规格为厚度10 cm，容重48 kg/m3，吸声性能如图4所示。实际工程应用中，应当优选选择低频性能优良的材料。

首先，本文采用ABAQUS有限元模拟软件，建立了不同吸声面积比例下主变室内声场仿真模型，分析了吸声壁面面积比例对噪声声场分布特征的影响。吸声壁面面积为10%和50%时，主变室内声场仿真结果如图5所示。

根据仿真结果可知，当主变室内布置的吸声材料结构占房间总表面积10%时，主变室墙壁附近不同频段的声波干涉作用有所减弱，被吸声材料覆盖的墙壁处声压下降尤为明显，内部空间声场分布逐步优化，主变室整体噪声水平有所下降。随着吸声材料面积的增加，室内声场不断得以优化，当吸声材料面积达到50%时，室内声场分布达到最佳状况。

图4 常用玻璃棉的吸声系数

基于仿真分析结果，项目选取了与主变室结构尺寸相近的矩形结构房间，布置降噪系数为0.8的吸声材料，吸声材料的布置比例为房间总表面积的10%、20%、30%、40%和50%。对房间室内具有代表性的关键位置节点进行混响时间测试，测量结果如图6所示。

由此可知，随着吸声材料面积比例的增加，房间内混响时间逐渐下降，室内混响声得到良好的控制。

3 变电站模块化降噪设计方法探讨

图5 主变室内布置不同面积吸声材料时的声场状况分布

根据上述试验结果，变电站的主要噪声源——主变压器噪声，可通过在变压器周边布置一定面积比例的吸声材料或吸声结构来降低主变室内的噪声水平。由于变电站噪声主要以中低频段噪声为主，高频噪声的量值相对较小，因而降噪方案和设计方法主要关注变电站声源的中低频噪声控制。

图6 布置不同面积吸声材料的室内混响时间

对于吸声材料/构件的布置面积比例而言，从上述试验结果（如图7）可知，吸声材料/构件的布置面积对室内噪声控制具有重要作用。当主变室内布置吸声材料/构件的面积不断增加时，主变室内降噪量呈现出不断增加的趋势。

图7 室内吸声材料/构件布置面积对降噪量的影响情况

然而，上图也表明，主变室内的降噪量与吸声材料/构件布置面积不是线性增长关系，而是随布置面积的增加呈现增量递减的趋势，这说明吸声材料/构件的室内布置面积不是越大越好，而是存在一个最佳值。当材料/构件的布置面积没有超过最佳值时，降噪量会随材料/构件布置面积的增加而快速上升。但当布置面积比例超过最佳值时，即使成倍增加材料/构件面积，也很难大幅提高降噪量。

根据室内声学理论，房间内某一点的声压级为

式中：Lp——受声点稳态声压级/dB；

Lw——声源声功率级/dB；

r——声源至受声点的距离/m；

Q——声源指向性因数。当声源位于房间内几何中心时，Q=1；当设备声源位于房间内地面中心或某一墙面中心时，Q=2；当声源位于房间内某一边线中点时，Q=4；当声源位于室内某一角落时，Q=8；

Rγ——声学环境的房间常数/m2，其计算公式为

式中：S为房间内总表面积/m2，为房间内平均吸声系数，A为房间总吸声量。

故在吸声处理前后，该受声点的降噪量为

式中：为吸声处理后的房间常数。

除公式计算外，有限元分析法也可计算获得主变室吸声降噪量。但这两种方法计算工作量较大。本文通过试验测试，获得了布置不同面积比例吸声材料时，主变室内吸声降噪量（如图7），作为主变室内吸声设计的参考。该方法可较好地提高吸声降噪设计效率。

根据图7可知，主变室采取吸声降噪处理，最大降噪量不超过9 dB。对于部分变电站超标的案例，变电站厂界超标量超过10 dB，单独通过吸声处理很难实现厂界噪声达标，此时吸声措施是作为隔声、消声措施的一种补充手段。

综上所述，本文形成的城市户内变电站吸声降噪优化设计方法如下：

(1)吸声材料的选用：针对主变压器的噪声频谱特征，优先选用低频吸声系数较高的材料。

(2)吸声降噪量的设计：依据《GB12348工业企业厂界环境噪声排放标准》的要求，通过厂界噪声测试，确定变电站总体降噪量。吸声降噪量与隔声、消声等措施的降噪量之和应不低于总体降噪量。

(3)吸声材料/结构的布置面积比例：根据吸声降噪量，对照不同面积比例下主变室内吸声降噪量（如图7所示），选择吸声材料/结构的布置面积比例。

4 工程应用

为验证吸声降噪优化设计方法的有效性，选取南方某10 kV变电站进行吸声降噪设计。该变电站毗邻噪声敏感性较强的居民区，按照规定属于国家环境标准中的1类声环境功能区，其环境噪声的相应标准限值为昼间≤55 dB（A），夜间≤45 dB（A）。根据相关监测数据，其周边居民楼处的噪声值，高达53.6 dB（A）需要进行有效的噪声控制治理。

该变电站的主要噪声源为主变室内2台独立的主变压器，散热方式为油浸自冷。室内主变布置如图8所示，在图(b)中测点位置处测得室内噪声声压级为64.3 dB(A)。针对该变电站噪声源特点和I类声环境功能区厂界声压级要求，降噪量应达到53.6 dB(A)-45 dB(A)=8.6 dB(A)。为满足8 dB(A)以上的降噪量，除必要的隔声、消声措施外，根据图7可知，吸声材料布设面积占比选40%。为强化低频吸声效果，本项降噪工程中选用国网公司专利产品微孔纤维复合吸声板[10]，该材料低频吸声系数高，优于玻璃棉。采用该降噪设计方案后，对主变室内声场状况进行有限元分析，如图9所示。