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            換流站噪聲源分析及主要降噪措施

            1換流站噪聲源分析

            換流站對周圍環境造成影響的可聽噪聲主要來源于換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、換流閥及其冷卻裝置的風機、空調裝置的風機等。由于換流閥布置在封閉的閥廳內,對噪聲的傳播得到了有效的屏蔽,對外界影響很小。因此,本工程主要可聽噪聲來源于閥廳外的換流變壓器、濾波裝置內干式電抗器等產生的噪聲。

            1.1  換流變壓器

            換流變壓器的噪聲在換流站中是噪聲最大的單個設備,產生噪聲的主要因素有如下三個大的方面:

            1)鐵心硅鋼片的磁致伸縮振動噪聲;

            2)線圈導線或線圈間電磁力產生的噪聲;

            3)換流變壓器冷卻風扇等產生的噪聲。

            相同額定功率的高壓直流輸電換流變壓器的聲功率級比交流變壓器高,主要有兩個因素導致了噪聲級的增加:

            1) 換流變壓器負荷電流含有更高的諧波含量;

            2) 換流變壓器會在和換流閥電橋相連的線圈里產生小的直流偏磁電流。

            這些因素導致換流變壓器的聲功率級比相同額定功率的交流變壓器要高出約10分貝。

            直流偏磁產生的噪聲與負荷大小沒有直接的關系,因為直流偏磁電流主要由下列因素引起:

            1)晶閘管換流閥的開啟不對稱;

            2)換流變壓器阻抗的不一致;

            3)對于單極大地回路運行,接地極和換流站地面之間存在電位差。

            當直流偏磁電流增加到一定水平時,變壓器的直流磁化會增加變壓器可聽噪聲,直流磁化會增加一個頻率為50Hz或60Hz的單音(與電源頻率有關)和頻率為50Hz或60Hz奇數倍的奇次諧波,除此之外直流磁化會增加正常偶次諧波(頻率為100 Hz或120Hz、200 Hz或240Hz、300 Hz或360Hz等)的可聽噪聲。

            在以往,鐵心硅鋼片的磁致伸縮振動被認為是變壓器噪聲的主要來源,它的大小主要與變壓器的額定功率和鐵心的磁通量密度有關,與負荷大小無關。隨著鐵心硅鋼片設計技術的提高,因鐵心硅鋼片產生的磁致伸縮振動的噪聲大為減少,使得線圈導線或線圈間電磁力產生的噪成為主要噪聲。

            因此,對高壓直流輸電換流變壓器,線圈產生的噪聲通常是主要可聽噪聲源,可聽噪聲聲功率級隨著變壓器負載增加而增加。根據調查,空載聲功率級和額定負載聲功率級之間的差值在幾分貝到20分貝之間。

            當通電線圈導線處于雜散磁場時,變壓器線圈的電磁力產生線圈噪聲,線圈電磁力與線圈電流的關系可用式4.1-1表示:

            式4.1-1

            式中:  F--振動線圈力(單位N);

                   B--線圈磁場密度(單位T);

                        I--線圈電流(單位A);

            振幅和振速是與力成比例的,因為聲功率是與振速平方成正比,所以可得聲功率是與負載電流的四次方成正比,見式4.1-2

            式4.1-2

            式中:W--輻射聲功率;

                     B--振動速度;

                     I--振幅;

                   --角頻率。

            換流變壓器噪聲譜特征如圖4.1-1~4.1-3所示:

            圖1-1  換流變噪聲頻譜

            1-2  換流變噪聲頻譜-高頻部分(3150~6300Hz)

            1-3  換流變噪聲頻譜-低頻部分(25~3200Hz)

            從上面的頻譜圖可以看出,換流變壓器的噪聲是以中低頻為主的寬帶噪聲。

                  1.2  電抗器

            本工程交流濾波裝置內電抗器采用干式電抗器。干式空芯電抗器線圈由絕緣鋁導線制成的一個或多個經過環氧樹脂浸漬和密封線圈層組成。同心線圈通過兩端焊在金屬梁結構上(形成蜘蛛型結構)并聯在一起。頂部和底部蜘蛛結構通過沿線圈周圍布置的玻璃纖維帶夾在一起。外殼被四周的加固玻璃纖維棒沿徑向分隔開來。干式空心電抗器結構見圖1-4。

            1)線圈  2)導體  3)導電棒  4)“蜘蛛”結構  5)玻璃纖維棒

            6)電器端子  7)支柱絕緣子  8)安裝零件。

            圖1-4  干式空芯電抗器結構

            經過線圈和線圈磁場的電流相互作用引起線圈振動,這是空芯電抗器產生噪聲的主要原因。對于鐵芯電抗器,磁路中的作用力會進一步導致設備振動。如果間隔鐵芯被利用,空隙力產生的噪聲不可忽略,通常這種噪聲比由于磁滯伸縮引起的噪聲要高。

            任何載流線暴露于磁場時都會受到磁場力,因此穿過線圈面的磁場就在線圈中產生電磁力。下面介紹一個額定功率為30兆乏空心電抗器的磁場分布,見圖1-5。

            圖1-5   空芯電抗器磁場分布

            線圈電磁力與線圈電流的平方成比例,當計算線圈電磁力時,其力頻譜和電頻譜是有區別的。對于單頻率交流電,力是以兩倍電流頻率振動的。如果電抗器同時加載了幾種不同頻率的電流,除了兩倍電頻率振型外,還有附加的振動頻率。

            線圈振動力會引起電抗器軸向和徑向的振動。雖然能夠很明確的得到振動力,但線圈結構振動反應分析仍然很復雜,因為對于任何機械結構,可以用振型來描述電抗器的動力特性。由于振動力大多數是軸對稱的,僅僅當結構的對稱模式和力分布模式相符合時,結構對稱模式就會被激振。同心線圈層之間有限數量的電纜管棒,附在線圈兩端的“蜘蛛結構”和制造公差會造成除了軸對稱形式以外其他形式的激振。圓柱體電抗器結構的基本模式有以下幾種:

            1)“呼吸模式”:電抗器線圈像一個圓柱壓力容器,這種模式的頻率主要和線圈的材料參數有關并且和線圈的直徑成反比。這種模式的頻率范圍主要在幾百赫茲到1千赫茲,呼吸模式是完全對稱的(見圖1-6),它的形狀和由軸向磁場分量產生的分布式激振電磁力是相符合的。

            圖1-6  電抗器線圈對稱呼吸模式的簡化形狀

            2)“軸向壓縮模式”:電抗器會被沿電抗器中面對稱壓縮,徑向磁場分量會引起這種模式激振。

            3)線圈層的“彎曲模式”:這種模式是以環向和徑向兩個方向的許多點為特征?!皬澢J健钡念l率通常比“呼吸模式”的頻率低,盡管“彎曲模式”不是軸對稱的,電磁力也會使這些模式發生激振(見圖1-7)。

            圖1-7  無軸向約束線圈層的彎曲模式

            設備表面的振動是以空氣噪聲向周圍幅射,聲功率級可由式4.1-3計算:

            式4.1-3

            其中:

            一定音頻的聲功率級可由式4.1-4計算:

            式4.1-4

            式中:-聲功率級(單位

                      -空氣密度(單位kg/m3)

                       c-聲音在空氣中的傳播速度(單位m/s瓦特)

                     -聲音輻射面積(單位㎡)

                      σ-輻射效率

                      ν-振動速度(單位m/s)

                     w-角頻率

                     χ-振幅(單位m)

            振幅和設備聲音輻射面大小主要決定聲功率級大小,因此干式空芯電抗器發出的聲音主要取決于線圈在徑向的振幅。既然線圈代表了輻射面的主要部分,那么線圈軸向振動和其它構件軸向振動對總輻射聲音的貢獻相對低一些。

            為了避免動態諧振導致振幅放大,力頻率(主要取決于電頻率)不應該和結構諧振頻率相一致。

            因為振幅和振動力成正比,所以電抗器聲功率級和負載電流的四次方成正比。

            輻射效率σ和構件頻率、幾何特性和結構特性有關。例如,假設一個面以一個頻率振動,并且結構波長遠遠大于環境介質(比如空氣)里的聲音波長。那空氣不能側向移動來抵償壓力差,空氣中質點振動速度和面振動速度相等,甚至在面周圍相鄰地方的外面也是相等的,那么σ=1;如果情況相反,那么σ<1。如果振動結構的波長和空氣中聲波波長大致相等,那么σ>1。

            與上述解釋一樣,聲功率級和負載電流四次方成正比。我們可以直接縮放試驗載荷結果,這是非常有用的,因為運行電流很難在試驗室得到。假設成線性變化,我們就可以由在電流下測量的聲功率級按比例推出在另一個電流下的聲功率級。

            式4.1-5

            其中:—負載電流下的聲功率級;

                     —負載電流下的聲功率級。

            總聲功率級就可以由各個負載電流下的聲功率級對數和求得。聲頻譜和電抗器負載電流頻譜有關,因此它跟電抗器應用有很大關系。

             

            式4.1-6

            式中:-總聲功率級

                     -負載電流下的聲功率級

            2主要降噪措施

                   2.1  一般措施

            (1)換流變壓器噪聲的降低

            變壓器噪聲分為本體噪聲和冷卻設備的噪聲。就變壓器本體而言,主要可通過減弱鐵芯噪聲實現,通過使用現代型芯材料得到降低,并選用具有極高結晶方位完整度、磁縮伸縮小的優質硅鋼片來疊積鐵芯,設計合理的鐵芯結構、尺寸和鐵芯固有頻率,減小鐵芯與線圈間可能的相互位移,以降低噪聲。通過對鐵芯的適當控制,可降低變壓器本體噪聲5~10dB(A)。

            冷卻設備噪聲的降低可通過降低設備本身的噪聲、有效地隔絕傳播路徑來實現??杀M可能的采用自冷式散熱器替代風冷散熱器或強迫油循環風冷卻器,并加強油箱與散熱片間的結構,將散熱器的各散熱片與油箱焊接連成一體,減小散熱片的振動以降低噪聲。

            (2)干式空芯電抗器噪聲的降低

            對于電抗器,在設計中采取以下措施來控制振動與噪聲:①提高間隔材料硬度②鐵芯柱采取強力壓實措施。為了保證鐵芯柱在長期運行中恒定壓力,設計中采用了蝶簧壓緊結構③器身與油箱間放置彈性墊減震④油箱上下端采用球形斷面更有利于減少振動,控制噪聲。

            (3)導線及連接金具噪聲的降低

            導線本體噪聲的降低,可通過增加子導線的直徑及增大導線的分裂數量來解決。對于金具及設備均壓環,可通過對其表面電場強度的計算,提出金具及設備均壓環設計的優化方案,以降低金具表面及設備均壓環表面的電場強度,從而可以減小電暈噪聲。提高1000kV系統用金具的加工工藝,對金具表面做精細打磨處理,防止由局部的毛刺引起尖端放電的發生。還應加強金具在運輸和保存過程中的管理,以防止金具在各個環節發生碰撞變形,保證金具產品外形的完整性。

            (4)傳播過程中噪聲控制

            在設備選定的情況下,應優化總平面布置,充分利用建筑物對噪聲傳播的阻斷效果以及盡量將噪聲源設置在遠離圍墻的地方。在變電站周圍征地紅線范圍內,盡量利用邊坡、山丘種植樹木,減少站區對外輻射噪聲。

            (5)拆遷或改變聲敏感建筑的使用功能

            根據變電站環境噪聲分布及項目選址周圍的環境的情況,以變電站遠期工程噪聲預測中50dB等聲級線作為項目的噪聲控制范圍,對等聲級線內的環境敏感目標實行環保拆遷,改變50dB等聲級線內建筑物的使用功能,做為非住宅用房使用。50dB等聲級線以外的區域聲環境可以達到2類標準區的噪聲限值。

            2.2  目前換流站中常用措施

            (1)變壓器等采用BOX-IN隔聲結構

            首先考慮從噪聲源降噪,根據目前設備廠家制造情況,可采取變壓器結合BOX-IN隔聲結構,根據對相關廠家咨詢及結合以往工程經驗,采用BOX-IN隔聲結構降噪效果為15~20dB。

            (2)圍墻上設置隔聲屏障

            降低變電站廠界噪聲水平的最有效的措施是對主要噪聲源采取全封閉的隔聲措施,在圍墻上設置隔聲屏障的效果要差些。但從變電站的運行維護角度出發,正好相反,在圍墻上設置隔聲屏障對運行維護的影響最小。這兩種措施都有一定程度上給運行維護人員帶來不便。當已經對換流變壓器等設備采用BOX-IN隔聲結構后仍不滿足要求時,可考慮在圍墻上設置隔聲屏障。

            (3)針對低頻噪聲圍墻噴涂水性阻尼材料

            低頻噪音與高頻噪音不同,高頻噪音隨著距離越遠或遭遇障礙物,能迅速衰減,低頻噪音卻穿透力極強,遞減得很慢,聲波又較長,能輕易穿越障礙物,長距離奔襲和穿墻透壁直入人耳。低頻噪音對居民生活會產生較大影響,可對站外有居民側的圍墻噴涂水性阻尼材料來治理低頻噪音。

            噪聲控制點及標準

            目前,關于噪聲及噪聲控制方面我國執行的國家標準主要包括有:

            《工業企業廠界環境噪聲排放標準》GB12348-2008

            《工業企業噪聲控制設計規范》GB/T 50087-2013

            《聲環境質量標準》GB3096-2008

            《聲環境功能區劃分技術規范》GB/T 15190-2014

            《聲屏障聲學設計和測量規范》HJ/T90-2004

            《聲學 隔聲罩和隔聲間噪聲控制指南》GB/T19886-2005

            《聲學 消聲器控制噪聲指南》GB/T20431-2006。

            其中《聲環境質量標準》GB3096-2008中按區域的使用功能特點和環境質量要求,對聲環境功能區作了以下分類:

            0類聲環境功能區:指康復療養區等特別需要安靜的區域。

            1類聲環境功能區:指以居民住宅、醫療衛生、文化教育、科研設計、行政辦公為主要功能,需要保持安靜的區域。

            2類聲環境功能區:指以商業金融、集市貿易為主要功能,或者居住、商業、工業混雜,需要維護住宅安靜的區域。

            3類聲環境功能區:指以工業生產、倉儲物流為主要功能,需要防止工業噪聲對周圍環境產生嚴重影響的區域。

            4類聲環境功能區:指交通干線兩側一定距離內,需要防止交通噪聲對周圍環境產生嚴重影響的區域,包括4a類和4b類兩種類型。4a類為高速公路、一級公路、二級公路、城市快速路、城市主干路、城市次干路、城市軌道交通(地面段)、內河航道兩側區域;4b類為鐵路干線兩側區域。

            《聲環境質量標準》中對各類聲環境功能區適用的環境噪聲等效聲級限值規定見表5-1。

            表5-1  各類聲環境功能區噪聲標準值 dB(A)

            聲環境功能區類別

            晝間

            夜間

            0類

            50

            40

            1類

            55

            45

            2類

            60

            50

            3類

            65

            55

            4類

            4a類

            70

            55

            4b類

            70

            60

            該標準中同時提出鄉村區域一般不劃分聲環境功能區,根據環境管理的需要,縣級以上人民政府環境保護行政主管部門可按以下要求確定鄉村區域適用的聲環境質量要求:

            a)對于鄉村的康復療養區執行0類聲環境功能區要求;

            b)村莊原則上執行1類聲環境功能區要求,工業活動較多的村莊以及有交通干線經過的村莊(指執行4類聲環境功能區要求以外的地區)可局部或全部執行2類聲環境功能區要求;

            c)集鎮執行2類聲環境功能區要求;

            d)獨立于村莊、集鎮之外的工業、倉儲集中區執行3類聲環境功能區要求;

            e)位于交通干線兩側一定距離(參考GB/T 15190-2014第8.3條規定)內的噪聲敏感建筑物執行4類聲環境功能區要求。

            同時,《工業企業廠界環境噪聲排放標準》GB12348-2008對工業企業廠界環境噪聲的限值如表5-2。

            表5-2  工業企業廠界環境噪聲排放限制  dB(A)

            類別

            晝間dB(A)

            夜間dB(A)

            0

            50

            40

            1

            55

            45

            2

            60

            50

            3

            65

            55

            4

            70

            55

            關于廠界噪聲的測量,《聲環境質量標準》GB3096-2008和《工業企業廠界環境噪聲排放標準》GB12348-2008中同時對測點位置進行了以下規定:

            1)一般情況下,測點選在工業企業廠界外1m、高度1.2m以上、距任一反射面距離不小于1m的位置。

            2)當廠界有圍墻且周圍有受影響的噪聲敏感建筑物時,測點應選在廠界外1m、高于圍墻0.5m以上的位置。

            3)當廠界無法測量到聲源的實際排放狀況時(如聲源位于高空、廠界設有聲屏障等),應按一般情況考慮,同時在受影響的噪聲敏感建筑物戶外1m處另設測點。


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