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换流站噪声源分析及主要降噪措施

1换流站噪声源分析

换流站对周围环境造成影响的可听噪声主要来源于换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、换流阀及其冷却装置的风机、空调装置的风机等。由于换流阀布置在封闭的阀厅内,对噪声的传播得到了有效的屏蔽,对外界影响很小。因此,本工程主要可听噪声来源于阀厅外的换流变压器、滤波装置内干式电抗器等产生的噪声。

1.1  换流变压器

换流变压器的噪声在换流站中是噪声最大的单个设备,产生噪声的主要因素有如下三个大的方面:

1)铁心硅钢片的磁致伸缩振动噪声;

2)线圈导线或线圈间电磁力产生的噪声;

3)换流变压器冷却风扇等产生的噪声。

相同额定功率的高压直流输电换流变压器的声功率级比交流变压器高,主要有两个因素导致了噪声级的增加:

1) 换流变压器负荷电流含有更高的谐波含量;

2) 换流变压器会在和换流阀电桥相连的线圈里产生小的直流偏磁电流。

这些因素导致换流变压器的声功率级比相同额定功率的交流变压器要高出约10分贝。

直流偏磁产生的噪声与负荷大小没有直接的关系,因为直流偏磁电流主要由下列因素引起:

1)晶闸管换流阀的开启不对称;

2)换流变压器阻抗的不一致;

3)对于单极大地回路运行,接地极和换流站地面之间存在电位差。

当直流偏磁电流增加到一定水平时,变压器的直流磁化会增加变压器可听噪声,直流磁化会增加一个频率为50Hz或60Hz的单音(与电源频率有关)和频率为50Hz或60Hz奇数倍的奇次谐波,除此之外直流磁化会增加正常偶次谐波(频率为100 Hz或120Hz、200 Hz或240Hz、300 Hz或360Hz等)的可听噪声。

在以往,铁心硅钢片的磁致伸缩振动被认为是变压器噪声的主要来源,它的大小主要与变压器的额定功率和铁心的磁通量密度有关,与负荷大小无关。随着铁心硅钢片设计技术的提高,因铁心硅钢片产生的磁致伸缩振动的噪声大为减少,使得线圈导线或线圈间电磁力产生的噪成为主要噪声。

因此,对高压直流输电换流变压器,线圈产生的噪声通常是主要可听噪声源,可听噪声声功率级随着变压器负载增加而增加。根据调查,空载声功率级和额定负载声功率级之间的差值在几分贝到20分贝之间。

当通电线圈导线处于杂散磁场时,变压器线圈的电磁力产生线圈噪声,线圈电磁力与线圈电流的关系可用式4.1-1表示:

式4.1-1

式中:  F--振动线圈力(单位N);

       B--线圈磁场密度(单位T);

            I--线圈电流(单位A);

振幅和振速是与力成比例的,因为声功率是与振速平方成正比,所以可得声功率是与负载电流的四次方成正比,见式4.1-2

式4.1-2

式中:W--辐射声功率;

         B--振动速度;

         I--振幅;

       --角频率。

换流变压器噪声谱特征如图4.1-1~4.1-3所示:

图1-1  换流变噪声频谱

1-2  换流变噪声频谱-高频部分(3150~6300Hz)

1-3  换流变噪声频谱-低频部分(25~3200Hz)

从上面的频谱图可以看出,换流变压器的噪声是以中低频为主的宽带噪声。

      1.2  电抗器

本工程交流滤波装置内电抗器采用干式电抗器。干式空芯电抗器线圈由绝缘铝导线制成的一个或多个经过环氧树脂浸渍和密封线圈层组成。同心线圈通过两端焊在金属梁结构上(形成蜘蛛型结构)并联在一起。顶部和底部蜘蛛结构通过沿线圈周围布置的玻璃纤维带夹在一起。外壳被四周的加固玻璃纤维棒沿径向分隔开来。干式空心电抗器结构见图1-4。

1)线圈  2)导体  3)导电棒  4)“蜘蛛”结构  5)玻璃纤维棒

6)电器端子  7)支柱绝缘子  8)安装零件。

图1-4  干式空芯电抗器结构

经过线圈和线圈磁场的电流相互作用引起线圈振动,这是空芯电抗器产生噪声的主要原因。对于铁芯电抗器,磁路中的作用力会进一步导致设备振动。如果间隔铁芯被利用,空隙力产生的噪声不可忽略,通常这种噪声比由于磁滞伸缩引起的噪声要高。

任何载流线暴露于磁场时都会受到磁场力,因此穿过线圈面的磁场就在线圈中产生电磁力。下面介绍一个额定功率为30兆乏空心电抗器的磁场分布,见图1-5。

图1-5   空芯电抗器磁场分布

线圈电磁力与线圈电流的平方成比例,当计算线圈电磁力时,其力频谱和电频谱是有区别的。对于单频率交流电,力是以两倍电流频率振动的。如果电抗器同时加载了几种不同频率的电流,除了两倍电频率振型外,还有附加的振动频率。

线圈振动力会引起电抗器轴向和径向的振动。虽然能够很明确的得到振动力,但线圈结构振动反应分析仍然很复杂,因为对于任何机械结构,可以用振型来描述电抗器的动力特性。由于振动力大多数是轴对称的,仅仅当结构的对称模式和力分布模式相符合时,结构对称模式就会被激振。同心线圈层之间有限数量的电缆管棒,附在线圈两端的“蜘蛛结构”和制造公差会造成除了轴对称形式以外其他形式的激振。圆柱体电抗器结构的基本模式有以下几种:

1)“呼吸模式”:电抗器线圈像一个圆柱压力容器,这种模式的频率主要和线圈的材料参数有关并且和线圈的直径成反比。这种模式的频率范围主要在几百赫兹到1千赫兹,呼吸模式是完全对称的(见图1-6),它的形状和由轴向磁场分量产生的分布式激振电磁力是相符合的。

图1-6  电抗器线圈对称呼吸模式的简化形状

2)“轴向压缩模式”:电抗器会被沿电抗器中面对称压缩,径向磁场分量会引起这种模式激振。

3)线圈层的“弯曲模式”:这种模式是以环向和径向两个方向的许多点为特征。“弯曲模式”的频率通常比“呼吸模式”的频率低,尽管“弯曲模式”不是轴对称的,电磁力也会使这些模式发生激振(见图1-7)。

图1-7  无轴向约束线圈层的弯曲模式

设备表面的振动是以空气噪声向周围幅射,声功率级可由式4.1-3计算:

式4.1-3

其中:

一定音频的声功率级可由式4.1-4计算:

式4.1-4

式中:-声功率级(单位

          -空气密度(单位kg/m³)

           c-声音在空气中的传播速度(单位m/s瓦特)

         -声音辐射面积(单位㎡)

          σ-辐射效率

          ν-振动速度(单位m/s)

         w-角频率

         χ-振幅(单位m)

振幅和设备声音辐射面大小主要决定声功率级大小,因此干式空芯电抗器发出的声音主要取决于线圈在径向的振幅。既然线圈代表了辐射面的主要部分,那么线圈轴向振动和其它构件轴向振动对总辐射声音的贡献相对低一些。

为了避免动态谐振导致振幅放大,力频率(主要取决于电频率)不应该和结构谐振频率相一致。

因为振幅和振动力成正比,所以电抗器声功率级和负载电流的四次方成正比。

辐射效率σ和构件频率、几何特性和结构特性有关。例如,假设一个面以一个频率振动,并且结构波长远远大于环境介质(比如空气)里的声音波长。那空气不能侧向移动来抵偿压力差,空气中质点振动速度和面振动速度相等,甚至在面周围相邻地方的外面也是相等的,那么σ=1;如果情况相反,那么σ<1。如果振动结构的波长和空气中声波波长大致相等,那么σ>1。

与上述解释一样,声功率级和负载电流四次方成正比。我们可以直接缩放试验载荷结果,这是非常有用的,因为运行电流很难在试验室得到。假设成线性变化,我们就可以由在电流下测量的声功率级按比例推出在另一个电流下的声功率级

式4.1-5

其中:—负载电流下的声功率级;

         —负载电流下的声功率级。

总声功率级就可以由各个负载电流下的声功率级对数和求得。声频谱和电抗器负载电流频谱有关,因此它跟电抗器应用有很大关系。

 

式4.1-6

式中:-总声功率级

         -负载电流下的声功率级

2主要降噪措施

       2.1  一般措施

(1)换流变压器噪声的降低

变压器噪声分为本体噪声和冷却设备的噪声。就变压器本体而言,主要可通过减弱铁芯噪声实现,通过使用现代型芯材料得到降低,并选用具有极高结晶方位完整度、磁缩伸缩小的优质硅钢片来叠积铁芯,设计合理的铁芯结构、尺寸和铁芯固有频率,减小铁芯与线圈间可能的相互位移,以降低噪声。通过对铁芯的适当控制,可降低变压器本体噪声5~10dB(A)。

冷却设备噪声的降低可通过降低设备本身的噪声、有效地隔绝传播路径来实现。可尽可能的采用自冷式散热器替代风冷散热器或强迫油循环风冷却器,并加强油箱与散热片间的结构,将散热器的各散热片与油箱焊接连成一体,减小散热片的振动以降低噪声。

(2)干式空芯电抗器噪声的降低

对于电抗器,在设计中采取以下措施来控制振动与噪声:①提高间隔材料硬度②铁芯柱采取强力压实措施。为了保证铁芯柱在长期运行中恒定压力,设计中采用了蝶簧压紧结构③器身与油箱间放置弹性垫减震④油箱上下端采用球形断面更有利于减少振动,控制噪声。

(3)导线及连接金具噪声的降低

导线本体噪声的降低,可通过增加子导线的直径及增大导线的分裂数量来解决。对于金具及设备均压环,可通过对其表面电场强度的计算,提出金具及设备均压环设计的优化方案,以降低金具表面及设备均压环表面的电场强度,从而可以减小电晕噪声。提高1000kV系统用金具的加工工艺,对金具表面做精细打磨处理,防止由局部的毛刺引起尖端放电的发生。还应加强金具在运输和保存过程中的管理,以防止金具在各个环节发生碰撞变形,保证金具产品外形的完整性。

(4)传播过程中噪声控制

在设备选定的情况下,应优化总平面布置,充分利用建筑物对噪声传播的阻断效果以及尽量将噪声源设置在远离围墙的地方。在变电站周围征地红线范围内,尽量利用边坡、山丘种植树木,减少站区对外辐射噪声。

(5)拆迁或改变声敏感建筑的使用功能

根据变电站环境噪声分布及项目选址周围的环境的情况,以变电站远期工程噪声预测中50dB等声级线作为项目的噪声控制范围,对等声级线内的环境敏感目标实行环保拆迁,改变50dB等声级线内建筑物的使用功能,做为非住宅用房使用。50dB等声级线以外的区域声环境可以达到2类标准区的噪声限值。

2.2  目前换流站中常用措施

(1)变压器等采用BOX-IN隔声结构

首先考虑从噪声源降噪,根据目前设备厂家制造情况,可采取变压器结合BOX-IN隔声结构,根据对相关厂家咨询及结合以往工程经验,采用BOX-IN隔声结构降噪效果为15~20dB。

(2)围墙上设置隔声屏障

降低变电站厂界噪声水平的最有效的措施是对主要噪声源采取全封闭的隔声措施,在围墙上设置隔声屏障的效果要差些。但从变电站的运行维护角度出发,正好相反,在围墙上设置隔声屏障对运行维护的影响最小。这两种措施都有一定程度上给运行维护人员带来不便。当已经对换流变压器等设备采用BOX-IN隔声结构后仍不满足要求时,可考虑在围墙上设置隔声屏障。

(3)针对低频噪声围墙喷涂水性阻尼材料

低频噪音与高频噪音不同,高频噪音随着距离越远或遭遇障碍物,能迅速衰减,低频噪音却穿透力极强,递减得很慢,声波又较长,能轻易穿越障碍物,长距离奔袭和穿墙透壁直入人耳。低频噪音对居民生活会产生较大影响,可对站外有居民侧的围墙喷涂水性阻尼材料来治理低频噪音。

噪声控制点及标准

目前,关于噪声及噪声控制方面我国执行的国家标准主要包括有:

《工业企业厂界环境噪声排放标准》GB12348-2008

《工业企业噪声控制设计规范》GB/T 50087-2013

《声环境质量标准》GB3096-2008

《声环境功能区划分技术规范》GB/T 15190-2014

《声屏障声学设计和测量规范》HJ/T90-2004

《声学 隔声罩和隔声间噪声控制指南》GB/T19886-2005

《声学 消声器控制噪声指南》GB/T20431-2006。

其中《声环境质量标准》GB3096-2008中按区域的使用功能特点和环境质量要求,对声环境功能区作了以下分类:

0类声环境功能区:指康复疗养区等特别需要安静的区域。

1类声环境功能区:指以居民住宅、医疗卫生、文化教育、科研设计、行政办公为主要功能,需要保持安静的区域。

2类声环境功能区:指以商业金融、集市贸易为主要功能,或者居住、商业、工业混杂,需要维护住宅安静的区域。

3类声环境功能区:指以工业生产、仓储物流为主要功能,需要防止工业噪声对周围环境产生严重影响的区域。

4类声环境功能区:指交通干线两侧一定距离内,需要防止交通噪声对周围环境产生严重影响的区域,包括4a类和4b类两种类型。4a类为高速公路、一级公路、二级公路、城市快速路、城市主干路、城市次干路、城市轨道交通(地面段)、内河航道两侧区域;4b类为铁路干线两侧区域。

《声环境质量标准》中对各类声环境功能区适用的环境噪声等效声级限值规定见表5-1。

表5-1  各类声环境功能区噪声标准值 dB(A)

声环境功能区类别

昼间

夜间

0类

50

40

1类

55

45

2类

60

50

3类

65

55

4类

4a类

70

55

4b类

70

60

该标准中同时提出乡村区域一般不划分声环境功能区,根据环境管理的需要,县级以上人民政府环境保护行政主管部门可按以下要求确定乡村区域适用的声环境质量要求:

a)对于乡村的康复疗养区执行0类声环境功能区要求;

b)村庄原则上执行1类声环境功能区要求,工业活动较多的村庄以及有交通干线经过的村庄(指执行4类声环境功能区要求以外的地区)可局部或全部执行2类声环境功能区要求;

c)集镇执行2类声环境功能区要求;

d)独立于村庄、集镇之外的工业、仓储集中区执行3类声环境功能区要求;

e)位于交通干线两侧一定距离(参考GB/T 15190-2014第8.3条规定)内的噪声敏感建筑物执行4类声环境功能区要求。

同时,《工业企业厂界环境噪声排放标准》GB12348-2008对工业企业厂界环境噪声的限值如表5-2。

表5-2  工业企业厂界环境噪声排放限制  dB(A)

类别

昼间dB(A)

夜间dB(A)

0

50

40

1

55

45

2

60

50

3

65

55

4

70

55

关于厂界噪声的测量,《声环境质量标准》GB3096-2008和《工业企业厂界环境噪声排放标准》GB12348-2008中同时对测点位置进行了以下规定:

1)一般情况下,测点选在工业企业厂界外1m、高度1.2m以上、距任一反射面距离不小于1m的位置。

2)当厂界有围墙且周围有受影响的噪声敏感建筑物时,测点应选在厂界外1m、高于围墙0.5m以上的位置。

3)当厂界无法测量到声源的实际排放状况时(如声源位于高空、厂界设有声屏障等),应按一般情况考虑,同时在受影响的噪声敏感建筑物户外1m处另设测点。


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传 真:0591-87272232

联系人:潘先生:13675009772

地 址:福州市仓山区高宅路平潭工业园18栋二层

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