變壓器噪聲控制技術(shù)及裝備
摘 要:介紹并分析了某城市110kV變電站的變壓器噪聲源特點(diǎn)，在滿足其運(yùn)行工藝、設(shè)備性能、聲學(xué)效果、經(jīng)濟(jì)、安全的條件下，設(shè)計(jì)開發(fā)了特殊的隔吸聲結(jié)構(gòu)、消聲結(jié)構(gòu)等變壓器降噪裝置，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中，取得了理想效果。
關(guān)鍵詞:變壓器;環(huán)境噪聲污染;低頻噪聲;噪聲控制
1 概述
變壓器作為輸變電站的重要設(shè)備，在輸電過程中發(fā)揮著核心作用，但變壓器噪聲對周圍環(huán)境影響很大。某1 1 0 k V變電站共有三個(gè)電壓等級，分別為110kV、35kV、10kV，主變?nèi)萘烤鶠?1,500kVA。站內(nèi)聲源、聲環(huán)境、廠界及敏感點(diǎn)的噪聲測量數(shù)值顯示，變電站內(nèi)的聲源主要為兩臺(tái)主變壓器。
1＃主變壓器：長7.165米，寬4.3米、高度（帶油枕）4 . 8 3米，型號：S F S Z 9 - 3 1 5 0 0 / 1 1 0，容量為31,500kVA，帶有4臺(tái)DBF-7Q冷卻風(fēng)機(jī)。
2#主變壓器：長6.855米，寬4.98米、高度（帶油枕）4 . 6 3 5米，型號：S S Z 9 - 3 1 5 0 0 / 1 1 0，容量為31,500kVA，不帶風(fēng)機(jī)。
1.1 噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)
110kV變電站執(zhí)行《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB12348—2008）Ⅱ類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096—2008）Ⅱ類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 設(shè)備布置（見圖1）
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2 噪聲分析
2.1 噪聲源分析
變壓器噪聲主要由三個(gè)聲源產(chǎn)生：磁芯（磁致伸縮和連接處產(chǎn)生的噪聲）；線圈（槽壁和磁域）中的電磁力引起的噪聲；冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇噪聲。線圈是電抗器最主要的噪聲源，噪聲聲壓級隨著負(fù)載的增加而增加。
2.2 變壓器噪聲的頻譜特性
從對110kV、31,500kVA變壓器產(chǎn)生噪聲的1/3倍頻程的測試頻譜來看，變壓器噪聲呈明顯的中、低頻特性，在100Hz、200Hz、400Hz頻率上有突出的峰值。圖2是測點(diǎn)聲級為73.0dB的1/3倍頻程噪聲頻譜。
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變壓器在運(yùn)行中發(fā)出的“嗡嗡”聲，是由于鐵芯在磁通作用下產(chǎn)生磁致伸縮振動(dòng)所引起的，這種“嗡嗡”聲稱為電磁噪聲。其基頻為供電頻率的2倍，如50Hz的變壓器，則其電磁噪聲的基頻為100Hz。除基頻外，還有高次諧波的噪聲成分。體積較大的變壓器，其諧波峰值頻率較低；而體積較小的變壓器，其諧波峰值頻率較高。
變壓器的電磁噪聲大小與變壓器的功率和鐵芯磁通密度有關(guān)，通常功率越大，電磁噪聲越高。
變壓器冷卻風(fēng)扇噪聲主要有空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)殼、管壁以及電動(dòng)機(jī)軸承等輻射的機(jī)械性噪聲以及風(fēng)機(jī)振動(dòng)帶動(dòng)變壓器殼體振動(dòng)輻射的固體聲。因變壓器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較高，輻射的噪聲主要集中在中高頻。
3 變壓器噪聲控制設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)及原則
（1）滿足電力行業(yè)及變電站設(shè)備安全運(yùn)行，滿足環(huán)境噪聲要求；
（2）降噪設(shè)施應(yīng)牢固、安全，同時(shí)加強(qiáng)免維護(hù)性；
（3）為滿足變壓器的更換需要，降噪設(shè)施應(yīng)設(shè)計(jì)為可拆卸結(jié)構(gòu)；
（4）降噪設(shè)施滿足對變壓器的日常巡檢、檢修的要求。降噪設(shè)施外形美觀，滿足變電站整體設(shè)計(jì)要求。
3.2 聲學(xué)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1 變壓器降噪裝置總體設(shè)計(jì)
在變壓器近場設(shè)計(jì)一種有針對性衰減效果的隔聲、消聲、吸聲綜合降噪裝置：
（1）在變壓器前方設(shè)置組裝式通風(fēng)消聲裝置，用以削減直接向敏感點(diǎn)傳播的噪聲；
（2）在通風(fēng)消聲裝置兩側(cè)加裝挑檐式吸聲隔聲屏障，利用消聲裝置與隔聲屏障的組合結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步吸收部分變壓器的聲能量以減少變壓器向外輻射的聲功率，增加整體的聲衰減范圍。
3.2.2 變壓器降噪裝置聲學(xué)設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)降噪量要求，消聲結(jié)構(gòu)采用針對100~630Hz頻帶范圍的噪聲而設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲吸聲結(jié)構(gòu)。為防止噪聲繞射，在消聲裝置兩側(cè)設(shè)計(jì)安裝吸聲、隔聲屏障，隔聲層內(nèi)側(cè)進(jìn)行阻尼處理以提高屏障在吻合區(qū)的隔聲量。
具體聲學(xué)設(shè)計(jì)如下：
消聲裝置的聲學(xué)設(shè)計(jì)包括消聲裝置消聲量、降噪裝置聲衰減的計(jì)算、復(fù)合式吸聲體的吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。
消聲裝置將根據(jù)消聲量進(jìn)行設(shè)計(jì)并依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)加以修正，設(shè)計(jì)計(jì)算公式如下：
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式中：NR — 阻性消聲器聲衰減量（dB）；nf — 隨頻率而不同的消聲系數(shù)K值的常數(shù)項(xiàng)，它是吸聲系數(shù)αo和頻率f的函數(shù)；αo —駐波管測得的吸聲系數(shù)；L0 — 消聲器的有效長度（m）；P, S —分別為消聲器通道凈周長和斷面積（m，m2）。
降噪裝置繞射聲衰減的計(jì)算公式如下：
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式中：N — 菲涅爾數(shù)；λ — 聲波波長（m）；d — 聲源與受聲點(diǎn)之間的直線距離（m）；A — 聲源至屏障頂端的距離（m）；B — 受聲點(diǎn)至屏障頂端的距離（m）。
3.2.3 變壓器降噪裝置結(jié)構(gòu)、維護(hù)檢修設(shè)計(jì)
變壓器降噪裝置主框架為輕鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件之間全部為螺栓連接，充分滿足防腐、防火及檢修時(shí)可拆裝的要求。
（1）降噪裝置的下部為進(jìn)風(fēng)消聲通道，兩側(cè)為吸聲隔聲屏。
（2）通風(fēng)裝置為分體式結(jié)構(gòu)，分成獨(dú)立的降噪單元。
（3）降噪裝置的內(nèi)側(cè)與設(shè)備之間留有檢修通道，裝置的高度略高于設(shè)備。
3.2.4 消聲裝置空氣動(dòng)力性能設(shè)計(jì)
消聲裝置的壓力損失主要包括消聲裝置內(nèi)的通道壁面與氣流摩擦所產(chǎn)生的壓力損失（摩擦阻損）和裝置內(nèi)通道彎折、截面變化等局部結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致氣流流動(dòng)情況的改變所產(chǎn)生的壓力損失（局部阻力）兩個(gè)方面。
摩擦阻損計(jì)算公式如下：
ΔHλ=λL/de•ρV2/2g
式中：ΔHλ — 摩擦阻損（毫米水柱）；λ — 摩擦阻力系數(shù)；L — 消聲器長度（m）；de — 消聲器通道截面等效直徑 （m）；ρ — 氣體密度（kg/m3）；V — 氣流速度 （m/s）；g — 重力加速度（m/s2）。
局部阻損可用下式估算：
ΔHξ=ξ• ρV2/2g
式中：ΔHξ — 局部阻損（毫米水柱）；ξ — 局部阻力系數(shù)。消聲器總的阻力損失等于摩擦阻損與局部阻損之和，即
ΔHt=ΔHλ+ΔHξ
根據(jù)設(shè)備散熱風(fēng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)按通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范，降噪裝置的壓力損失按15Pa設(shè)計(jì)，以保證降噪裝置安裝后散熱風(fēng)機(jī)的性能不受影響。為降低局部阻力，在保證聲學(xué)效果的前提下，消聲裝置的消聲片結(jié)構(gòu)采用低流阻設(shè)計(jì)，同時(shí)在消聲片的兩端安裝圓弧型導(dǎo)流板，減小局部阻力。
3.2.5 變壓器降噪裝置各項(xiàng)性能要求的滿足
（1）裝置的鋼結(jié)構(gòu)件全部采用熱浸鋅防腐處理，連接件選用鍍鋅螺栓。
（2）吸聲體和消聲片的外板及骨架采用鍍鋅鋼板。（3）吸聲材料選用憎水離心玻璃棉，其本身具有相當(dāng)強(qiáng)的防水和防腐性能。
（4）為增強(qiáng)抗倒塌性能，提高其持續(xù)耐火能力，在所有鋼結(jié)構(gòu)的表面涂防火層。保證耐火極限不低于1.5小時(shí)。
4 降噪效果
現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)顯示，110kV電站通過對站內(nèi)兩臺(tái)主變壓器安裝通風(fēng)降噪裝置，居民敏感點(diǎn)噪聲測量值可以降低至47dB以下，達(dá)到《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB12348—2008）Ⅱ類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096—2008）Ⅱ類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。
5 結(jié)論
本項(xiàng)目研發(fā)的變壓器降噪設(shè)施，制作工藝簡便，安裝拆卸快捷，重復(fù)使用性強(qiáng)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢測滿足降噪設(shè)計(jì)要求，為變壓器噪聲污染控制技術(shù)及裝備的開發(fā)利用提供了積極的探索和工程示范。
參考文獻(xiàn)：
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