变电站节能环保及噪声控制技术研究

周洪伟 宗炫君 方向 王庭华

摘要：建设节能环保型的绿色电网，既是建设资源节约型、环境友好型社会的客观要求，也是现代电网本身发展的必然趋势。本文围绕变电站节能环保措施和噪声控制技术，探讨了变电站在建筑节能、水工节能、风能利用的可行措施，有助于变电站实现“低能耗、低污染、低排放”;分析了变电站主要噪声来源，提出了相应的噪声控制方法，通过消声、吸声、隔音和隔振处理，有效地控制和减少变电站噪音，提高周边居民的生活质量。研究成果可为节能环保型变电站的建设提供思路。

关键词：节能环保;变电站;噪声控制

1 引言

随着国家节能政策的颁布和鼓励节能的措施出台，节能环保绿色事业的落实成为了当前我国社会经济发展的重点所在[1]。变电站是电力能源在生产、运输、储存过程中产生浪费、高消耗的主要环节[2-3]。如何提高电能的使用效率，避免在电能运输，储存和使用中带来的能耗浪费，变电站的作用至关重要。电力企业在变电站建设中落实节能环保技术已经成为了新时期变电站建设的重点[4]，变电站设计的节能措施也逐渐得到重视。在越来越注重环境保护的现下，城市变电站噪音污染防治的工作已经迫在眉睫，研究噪声控制技术势在必行。

已学者对全户内变电站建筑平面布置、围护结构、围护墙体、门窗、屋面等节能降耗设计进行研究[5]。利用太阳能光伏发电技术，将太阳光辐射能直接转换为电能，为变电站的电气设备提供电力，不污染环境，可持续使用并且无噪声[6]，能够有效实现变电站的节能环保。变电站通常采用主变压器本体与散热器同室的全室内布置形式，因此可能会导致室内变压器通风散热困难[7]。夏季的用电高峰期间，变电站的负荷率都很高，噪声很大，给供电企业的社会形象造成一定负面的影响[8]。改善周围居民的居住环境，对城市变电站进行噪声治理改造已经刻不容缓[9]。目前，国内外针对变电站噪声控制措施进行了大量研究，噪声控制技术可以分为无源控制技术和有源控制技术两种，主要从噪声源、传播途径、接受者三部分对噪声进行控制[10]。

本文以国家电网通用设计110kV全户内变电站方案（110-A2-6）为例，围绕变电站节能环保措施和噪声控制技术，探讨了变电站在建筑节能、水工節能、风能利用的可行措施;分析了变电站主要噪声来源，提出了相应的噪声控制方法，通过消声、吸声、隔音和隔振处理，有效地控制和减少变电站噪音。

2变电站节能环保措施

2.1 建筑节能

（1） 体型系数

严格控制体型系数，体型系数与建筑造型、平面布局、采光通风等相关。建筑物的平、立面尽量不出现过多的凹凸，通过控制建筑高度等措施，优化设计，合理规划建筑布局以及形体设计。将散热器、电容器放置于屋面半镂空布置，合理利用上层空间，节约建筑面积和建筑体积。

（2） 通风采光

选择自然通风和天然采光，这样不仅可以提高室内的舒适度，而且还可以有效减少相应耗能产品的使用，从而达到节能减排的目的。自然采光通风是根据变电站视觉工作特点和功能要求，对采光通风方式给予科学、合理的选择，进一步明确窗口布置形式和采光口面积，这样能够有效营造良好的室内光环境，从而达到节能的效果。通常情况下，建筑自然采光通风设计过程中，需要按照建筑特点和采光通风标准进行设计，以此达到预期的采光通风效果。因此，可以在变电站的南立面和西立面采用大面积玻璃幕墙，充分利用自然采光、通风，营造良好的室内光环境。

（3） 围护结构

变电站建筑存在特殊性，其室内设备发热量大，产热远大于散热。本次变电站节能设计以散热为主，不考虑冬季采暖（仅二次设备考虑冬季空调制暖）。以空调最低全年累计冷负荷为优化目标，对能耗影响因素进行多变量寻优。在满足工业节能标准的前提下，提高围护结构的传热系数，使室内设备达到最优散热效果，如图1所示。

（4） 光伏板节能

在建筑设计阶段，结合实际情况对可再生能源给予合理利用，最常见的是太阳能，其一般包括被动式太阳能系统和主动式太阳能利用系统。被动式太阳能系统一般是通过建筑物方位与朝向的合理布局、建筑材料的选择以及建筑物结构和内外形貌的设计来对太阳能进行有效储存、采集和分配。

主动式太阳能利用系统一般是由太阳能采热器、散热器、风机泵和储热器等集合在一起的采暖系统，其具有比较复杂的结构，而且造价较高。通常情况下，传统太阳能主要是借助纯建筑方式，这样会投入比较大的成本。实际上，主动式太阳能技术尝试着将遮阳、太阳能收集、散热集于一体来构成太阳能集热板，其既能够达到降低热反射和降温的效果，而且大面积使用还能够避免在城市中发生热岛效应。

光伏组件主要有以下几种类型：单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、非晶硅光伏组件、碲化镉光伏组件、铜铟镓硒光伏组件等，各种类型的光伏组件综合对比。本次方案在配电装置室屋面设置太阳能光伏板，采用技术领先的单晶硅光伏组件，对太阳能进行收集并储存，为变电站提供电能。

2.2 水工节能

变电站传统的排水系统是让雨水经过雨水井流入雨水管道，然后排入雨水集中井间接或直接排放至市政管网或附近河流。自然排水系统是通过自然渗透将部分雨水留住，对地下水进行补充，多余的雨水通过围墙泄水孔向外自然均为排放，以此来减少雨水井的数量及排水管道的压力。此类基础设施做法特别适用于场地填土较高且周边具备设置自然排水系统的变电站。

大部分绿化设施会采用上凸绿地，因为从景观层面较为有空间层次，但是和普通绿地比较，下凹绿地通过凹陷空间可以积蓄部分绿地本身和周围地面汇集而来的雨水径流。不足之处是如果雨水中有大量的悬浮物和沙质会降低绿地的质量和渗透性能。

下凹绿地的凹陷深度是其设计的关键参数。当降雨强度和汇流面的增加导致进入绿地雨水径流超过土地的下渗能力时，凹陷空间通过积蓄雨水可以部分弥补土壤下渗能力不足的现状。通常绿地的凹陷深度可以设为50～100mm，下凹绿地对雨水的拦蓄效果比较明显。研究资料表明：当下凹深度为100mm时，5年一遇的降雨条件下，下凹绿地的拦蓄率可达99.33%;而在百年一遇24小时降雨情况下，其雨水径流拦蓄率还能达到76%。下凹式绿地做法如图3所示。

2.3 风能利用

（1） 风压通风

风压通风是指风在建筑外部绕行的时候产生风压差。风通过建筑物时，迎风面产生的压力为正（向内），背风面产生的压力为负，见图4。因此，建筑物在整个区域产生压力差，从而驱动交叉通风，这就是常说的“穿堂风”。但这种方式相对于热压通风不太稳定，容易造成短时间内的大量通风。风压通风不仅受建筑形体的因素影响，而且不同时间、不同环境对其的影响也大。为了减小这些影响，可以控制空间的进深和高度;在建筑上加入适当的构件引导风向;选择合适的开窗位置来增加压力差;在通风空间尽可能少的布置障碍物。

（2） 通风方向

不同的开窗位置会形成不同的通风方式，总体分为交叉通风、单面通风和中庭通风。当入口和出口位于建筑物或空间的相对外墙上，并在两者之间设计一条清晰的流动路径时，就会发生交叉通风。交叉通风策略的流动路径需要适当的设计为连续的空间。路径上最小的开口决定了换气速率。交叉通风常和中庭的烟囱通风结合使用，如图5所示，可以增加建筑的进深。

单侧通风是风通过一个大开口进入和离开，或者通过空间同一侧上间隔开的两个开口进入和离开的情况。单侧通风通常比交叉通风通风率低，且只能进入到有限的空间距离。通风方式在建筑中能否充分发挥作用则影响到整个建筑的节能效果。不同的气候区都有一定的规律，可以通过分析外部的风环境条件和建筑本身的外形作为根据，来设计建筑内部的不同区域应该采用热压通风或风压通风、选择不同的通风方式。

3 噪声控制技术

3.1 变电站主要噪声来源

（1） 变压器噪声

变压器产生的噪音主要来自于变压器的本体和本体内的冷却系统。变压器本体产生噪音的主要原因是由于电磁频率发生不规则的非周期性的振动，传播途径主要通过空气和垫脚等媒介传播，工作运行是磁致伸缩所引起铁芯的振动而产生的，而且铁芯随进而传递向附件和箱体。此外，负载电流在出现漏磁现象时，也会造成油箱和绕组发生不规则振动，产生的噪音以声波的形式朝四周扩散。

（2） 导线噪声

导线电晕放电会产生噪声，由于导线并不是沿全长均电晕放电，而是集中在绝缘子均压环附近。在对导线两端的金具进行工艺处理和采取增加均压环等措施后，电晕噪声可明显降低，且导线上电晕产生的可听噪声强度受天气等条件影响较大。

3.2 噪声控制措施

变电站降噪措施可以从减少低噪音设备制作成本或者控制源头产生噪音两个方面作为主要的出发点进行。控制源头噪音的方法是最有效、最彻底的处理方法，所以，可以根据变电站的实际情况，选择经济、科学合理的降噪措施，主要通过消声、吸声和隔声三个方面入手，是目前较为适用于噪音污染治理的方法。

（1） 消声技术

消声技术是指通过在变电站内产生噪音的机械设备处铺设多个噪音发生器，噪音发生器又可以称作噪音干扰器，其发出的声波具有独特的特性，能够和变压器等发出的低频噪音相互抵消，进而消减声能，减少噪音的一种方法，对噪音具有一定程度的衰减和抑制效果。这种技术能够利用变压器产生的噪音音波在空气媒介中进行传播时具有固定的频率的原理，当这些声波穿过干扰器或者是噪音发生器所发出的固定频率时会发生能量转换，进而改变声速，吸收声能，降低噪音。

（2） 吸声处理

声波遇到墙面、屋面、地面后会被反射回来，反射声波再遇到设备屏柜壁面后再次反射，噪声源产生的直达声波和一次反射声波、二次反射声波、N次反射声波相互叠加，使室內噪声大大增强。建筑声学理论研究表明，室内噪声的大小不仅与声源声级有关，还与室内壁面的平均吸声系数有关，要控制噪声对数据中心设备及室外环境的影响，对室内进行吸声处理十分必要，常用方法是使用吸声材料。

吸声材料应该选用低频吸声系数大的材料，通过对常用吸声材料进行技术经济分析比较，本方案拟选用FC穿孔吸声防火板吸声结构，如图6所示。FC吸声防火板防火等级为A级，装饰性、防水性能好，导热系数不大于0.3W/m·K，规格较多，可以定制。其穿孔率需要根据室内吸声情况计算得到，板后加50mm防潮离心玻璃棉板及50mm空腔，防潮离心玻璃棉是一种高效保温、隔热、吸声的材料，也是一种很好的节能材料，具有导热系数低、密度小、不燃烧、长期使用性能不变的优点。经合理设置穿孔率后，该结构在频率250Hz的吸声系数可达到0.76，500Hz的吸声系数高达到1.12。

（3） 隔音处理

隔音处理是通过隔音材料（墙体、木板以及金属板等，如图7所示）来对噪声的传播进行隔绝，或是对噪声在空气中传播的声波进行减弱处理或是隔绝。在科学技术的发展下，为了使降噪处理的效果更好，采用将常见的隔音材料与其他新的声学材料（空气层、阻尼材料以及吸声效果较好的材料等）结合在一起来进行使用。在对变电站的变压器产生的噪声进行处理时，应该对噪声传播的主要途径变电站的门进行更换，使用隔音的门，或是直接将产生噪音的油箱利用隔音材料包裹起来，隔音门采用钢板或混凝土建成。

（4） 隔振处理

在主变基础和电抗器基础底座处安装金属橡胶隔振器，以降低因主变压器和电抗器本身的扰力作用引起支承结构或地基的振动，设置隔振装置后能有效降低变压器和电抗器的振动噪声，隔振装置见图8

为了对节能环保型变电站的建设提供思路，本文探讨了变电站节能环保措施和噪声控制技术，根据分析结果，得出以下结论：

（1） 变电站在建筑节能、水工节能和风能利用方面存在可以改进措施，利用天然采光、围护结构、光伏板节能、下凹式绿地和风压通风，有助于变电站实现“低能耗、低污染、低排放”。

（2） 变电站的噪声主要来源于变压器和导线。本文提出了相应的噪声控制方法，通过消声、吸声、隔音和隔振处理，采用穿孔吸声防火板、隔音金属板和控制和隔振装置，可以有效地减少变电站噪音，提高周边居民的生活质量。

参考文献

[1]贾凤安，李海峰，梁岩涛. 丝路重镇绿色工程 助力陇原绿色转型[N]. 国家电网报，2021-09-14（001）.

[2]李建伟，黄磊，李广军，姚金雄.浅谈输变电工程的环保监督管理[J].电力科技与环保，2019，35（05）：40-42.

基金项目：2021年国网江苏省电力有限公司经济技术研究院科技项目

作者简介：

周洪伟（1979-），男，江苏人，硕士，高级工程师，从事电力工程设计及研究工作。

宗炫君（1990-），女，江苏人，硕士，工程师，从事电力工程研究工作。

方向（1972-），男，湖南人，硕士，高级经济师，从事电力工程技术经济及研究工作。

王庭华（1967-），男，江苏人，硕士，高级工程师，从事电力工程设计及研究工作。