分析變電站、換流站和輸電線路噪聲及其治理技術(shù)

秦金鋒 嚴(yán)偉

摘要：噪聲是特高壓工程變電站和換流站設(shè)計(jì)建設(shè)的重要控制條件之一，隨著特高壓電網(wǎng)的迅速發(fā)展，探討變電站和換流站的噪聲控制措施對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約投資等具有重大意義。本文在總結(jié)變電站、換流站站內(nèi)主要聲源的產(chǎn)生機(jī)理、源強(qiáng)和傳播特性的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的噪聲控制措施，包括規(guī)劃控制、源強(qiáng)控制、傳播過(guò)程控制、受體保護(hù)等，為特高壓變電站和換流站的噪聲控制提供參考。

關(guān)鍵詞：特高壓;變電站;換流站;噪聲控制

我國(guó)已經(jīng)建成投運(yùn)數(shù)條特高壓交、直流工程，對(duì)特高壓交、直流工程中變電站和換流站的設(shè)計(jì)和建設(shè)而言，由于其電壓等級(jí)高、技術(shù)難度大、受影響公眾范圍廣，其噪聲控制情況也更受關(guān)注。隨著納入電網(wǎng)規(guī)劃的多個(gè)特高壓變電站、換流站建設(shè)高峰的到來(lái)，探討其噪聲控制措施對(duì)于滿(mǎn)足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)約土地資源、減少拆遷影響、降低工程投資、保障電網(wǎng)安全運(yùn)行都具有重要意義。

1、特高壓變電站和換流站主要聲源

1.1 特高壓變電站主要聲源

特高壓變電站的主要聲源為變壓器、電抗器和帶電構(gòu)架，既有電磁噪聲，也有空氣動(dòng)力性噪聲和機(jī)械性噪聲。

變壓器的噪聲是由變壓器本體（鐵心、繞組、磁屏蔽、油箱等）及冷卻裝置的振動(dòng)所引起的。變壓器本體振動(dòng)的主要來(lái)源有：硅鋼片的磁致伸縮所引起的鐵心周期性振動(dòng);硅鋼片接縫處和疊片之間因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力所引起的鐵心振動(dòng);繞組中負(fù)載電流產(chǎn)生的繞組匝間電動(dòng)力所引起的振動(dòng);漏磁所引起的油箱壁振動(dòng)等。其中，磁致伸縮和繞組匝間電動(dòng)力所引起的振動(dòng)是最主要的來(lái)源。變壓器本體振動(dòng)通過(guò)鐵心墊腳和絕緣油兩條路徑傳遞給油箱壁，使油箱壁產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生本體噪聲，并以聲波的形式均勻地向四周發(fā)射。冷卻裝置自身產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，并通過(guò)接頭等裝置將振動(dòng)傳遞到油箱壁。根據(jù)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，1000kV變壓器聲功率級(jí)約為95～106dB。

高壓并聯(lián)鐵心式電抗器的分段鐵心之間存在著磁吸引力，這些磁吸引力會(huì)引起額外的振動(dòng)和噪聲，此外，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生噪聲。1000kV系統(tǒng)用高壓并聯(lián)電抗器聲功率級(jí)約為90～102dB。帶電構(gòu)架的噪聲主要來(lái)自變電導(dǎo)線金具的電暈噪聲。

變壓器和電抗器以低頻噪聲為主，輔助冷卻裝置噪聲則以高頻噪聲為主，帶電構(gòu)架的噪聲頻譜基本與主變壓器、電抗器頻譜一致。

1.2 特高壓換流站主要聲源

特高壓換流站的聲源主要有換流變壓器，平波電抗器，交直流濾波器等。換流變壓器噪聲特性與變壓器類(lèi)似，但由于存在直流偏磁，其噪聲比常規(guī)交流變壓器大。以往鐵心硅鋼片磁致伸縮振動(dòng)被認(rèn)為是噪聲的主要來(lái)源，隨著鐵心硅鋼片設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，磁致伸縮振動(dòng)的噪聲大為減少，線圈導(dǎo)線或線圈間電磁力產(chǎn)生的噪聲成為主要噪聲，線圈噪聲的聲功率級(jí)隨著變壓器負(fù)載的增加而增加。換流變壓器噪聲以中低頻為主，根據(jù)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，其聲功率級(jí)約為118dB。

平波電抗器的噪聲主要由于直流電流和諧波電流相互作用引起線圈振動(dòng)產(chǎn)生，其聲功率級(jí)約為91dB。交直流濾波器組產(chǎn)生的噪聲除了其中的電抗器噪聲之外，還包括由于電場(chǎng)力作用產(chǎn)生振動(dòng)而形成的電容器噪聲。其產(chǎn)生機(jī)理是，當(dāng)電容器加上交流電壓時(shí)，電容器內(nèi)部電極間將有靜電力產(chǎn)生，使電容器內(nèi)部元件產(chǎn)生振動(dòng)，元件的振動(dòng)傳給外殼，使箱壁振動(dòng)，形成噪聲，再由外殼向外傳播。其聲功率級(jí)約為79dB。

2、噪聲控制原則

在合理選址的基礎(chǔ)上，特高壓變電站、換流站的噪聲控制措施應(yīng)主要從規(guī)劃、聲源、傳播途徑、接受者等幾方面確定相應(yīng)原則。

（1）針對(duì)噪聲污染這一特定概念的定義，從規(guī)劃層面將噪聲污染限定在有限范圍內(nèi)，可以有效防治噪聲污染。

（2）從聲源特性上看特高壓站的噪聲控制，在聲源處抑制噪聲，是最根本、最有效、最直接的措施，包括降低激發(fā)力，減小系統(tǒng)各環(huán)節(jié)對(duì)激發(fā)力的響應(yīng)以及改良制造工藝等。

（3）在聲傳播途徑中控制噪聲，包括隔聲、吸聲、消聲、隔振等措施，主要對(duì)聲波的傳播途徑上進(jìn)行一些阻斷、改變聲波的傳播方向或減弱聲波的傳播的強(qiáng)度。

（4）受體保護(hù)原則，對(duì)處于噪聲污染區(qū)域的敏感建筑進(jìn)行環(huán)保拆遷以及對(duì)相關(guān)接受者采取保護(hù)措施。

3、噪聲控制措施

3.1 規(guī)劃控制

《中華人民共和國(guó)環(huán)境噪聲污染防治法》第二條明確環(huán)境噪聲污染是指所產(chǎn)生的環(huán)境噪聲超過(guò)國(guó)家規(guī)定的環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)，并干擾他人正常生活、工作和學(xué)習(xí)的現(xiàn)象;第五條要求地方各級(jí)人民政府在制定城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)合理安排功能區(qū)和建設(shè)布局，防止或減輕環(huán)境噪聲污染。為加強(qiáng)噪聲污染防治工作，改善城市和鄉(xiāng)村的聲環(huán)境質(zhì)量，環(huán)保部制定了《關(guān)于加強(qiáng)環(huán)境噪聲污染防治工作改善城鄉(xiāng)聲環(huán)境質(zhì)量的指導(dǎo)意見(jiàn)》（環(huán)發(fā)[2010]144號(hào)）。其中第三條明確要強(qiáng)化噪聲排放源監(jiān)督管理，并指出要嚴(yán)格聲環(huán)境準(zhǔn)入，各地在編制城鄉(xiāng)建設(shè)、區(qū)域開(kāi)發(fā)、交通發(fā)展和其他專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃時(shí)，在規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)文件之中納入聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)章節(jié)。一般認(rèn)為，規(guī)劃環(huán)評(píng)的噪聲污染防治對(duì)策和建議可在“鬧靜分隔”和“以人為本”的原則指導(dǎo)下，從區(qū)域土地使用功能調(diào)整、交通運(yùn)輸線路布局調(diào)整、設(shè)置合理的噪聲防護(hù)距離、建設(shè)隔聲屏障、聲環(huán)境敏感建筑物的隔聲要求等方面提出相應(yīng)的對(duì)策和建議。

《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境》（HJ2.4-2009）10.3.1條明確工業(yè)噪聲防治措施要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性論證;在符合《城鄉(xiāng)規(guī)劃法》中規(guī)定的可對(duì)城鄉(xiāng)規(guī)劃進(jìn)行修改的前提下，提出廠界與敏感建筑物之間的規(guī)劃調(diào)整建議。

《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB12348-2008）4.1.4條明確：工業(yè)企業(yè)若位于未劃分聲環(huán)境功能區(qū)的區(qū)域，當(dāng)廠界外有噪聲敏感建筑物時(shí)，由當(dāng)?shù)乜h級(jí)以上人民政府參照《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096-2008）和《城市區(qū)域環(huán)境噪聲適用區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》（GB/T 15190-94）（現(xiàn)已更新為《聲環(huán)境功能區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》（GB/T 15190-2014））的規(guī)定確定廠界外區(qū)域的聲環(huán)境質(zhì)量要求，并執(zhí)行相應(yīng)的廠界環(huán)境噪聲排放限值。

根據(jù)以上法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃控制也是噪聲污染防治的重要措施之一。在變電站和換流站內(nèi)廠界噪聲達(dá)標(biāo)、周邊敏感目標(biāo)聲環(huán)境達(dá)標(biāo)要求的情況下，設(shè)置合理范圍的噪聲控制區(qū)且在控制區(qū)內(nèi)不再新建噪聲敏感建筑，可以很好地滿(mǎn)足當(dāng)前及未來(lái)該區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，符合噪聲控制的根本目的和環(huán)評(píng)技術(shù)導(dǎo)則要求。

3.2 源強(qiáng)控制

在源強(qiáng)控制方面，主要是通過(guò)對(duì)特高壓設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造工藝上進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于特高壓變壓器，降低鐵心磁密，采用磁致伸縮率小的高導(dǎo)磁材料;鐵心采用多級(jí)接縫，減少硅鋼片在加工、生產(chǎn)過(guò)程中的機(jī)械撞擊，保證所用硅鋼片中晶粒的最優(yōu)取向;合理調(diào)整窗口尺寸，避開(kāi)鐵心的自振頻帶;在鐵心端面涂張力約束涂料，鐵心級(jí)間增加橡膠墊;合理分布繞組的安匝，將漏磁面積減到最小;鐵心拉板采用低磁鋼板，以降低拉板內(nèi)部的漏磁通量;油箱內(nèi)盡量不使用磁屏蔽，盡量選用低噪聲的潛油泵和低轉(zhuǎn)速風(fēng)扇的冷卻器。

對(duì)于電抗器，目前適宜采取的措施主要有合理控制鐵心的工作磁密;選擇合理的鐵心結(jié)構(gòu)，避免固有頻率接近鐵心的自振頻率;使用彈性壓緊裝置，保證鐵心餅有足夠的壓緊力，增加整體的剛性;提高各部件的剛度和強(qiáng)度;在鐵心和油箱中增設(shè)隔振、減振裝置。

對(duì)于濾波器組中的的電容器，增加串聯(lián)電容器元件的數(shù)目可減小電容器罐里的電介質(zhì)應(yīng)力和振動(dòng)力;改進(jìn)機(jī)械阻尼，壓緊堆棧式電容器元件，可以此來(lái)提高電容器單元外殼的剛度;此外，還可以增加電容器殼體的隔聲量，并在安裝電容器的支架上增加減震膠墊，采用雙塔結(jié)構(gòu)以降低聲源高度。

對(duì)于帶電構(gòu)架，應(yīng)優(yōu)化站內(nèi)導(dǎo)線及金具，控制電暈噪聲。根據(jù)已取得的成果和經(jīng)驗(yàn)，變電導(dǎo)線金具的電暈噪聲已不再是變電站噪聲控制的限制因素。

3.3 傳播過(guò)程控制

選址階段應(yīng)盡量避開(kāi)村莊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、學(xué)校、居民點(diǎn)等噪聲敏感點(diǎn)。同時(shí)充分利用地形因素降低噪聲影響，如地坡、山丘、堤岸等，充分利用以替代部分聲屏障。此外，低洼地勢(shì)會(huì)存在聲影區(qū)，噪聲級(jí)較低。

總平面優(yōu)化布置也是噪聲控制的主要手段。利用站內(nèi)自身設(shè)施和建筑物進(jìn)行合理的布置，可以很好地降低噪聲的傳播。如復(fù)龍換流站高、低端閥廳采用了面對(duì)面布置，按此布置換流站東側(cè)居民點(diǎn)較多方向的噪聲可下降1～3dB，從總平面布置角度為噪聲控制創(chuàng)造了良好的條件。交流濾波器采用“田”字型布置，降噪效果較好，在換流站圍墻及圍墻外20m范圍的測(cè)點(diǎn)上可降低2～7dB，但對(duì)于80m以遠(yuǎn)處的降噪效果與以往相差不大，約0.2～2dB。

在設(shè)備周?chē)约罢緟^(qū)部分圍墻上裝設(shè)聲屏障或者利用閥廳墻體、防火墻等作為隔聲屏障，可有效阻擋噪聲傳播。晉東南變電站對(duì)高抗裝設(shè)自承重結(jié)構(gòu)形式隔聲罩之后，平均降噪量為21.8dB。向家壩―上海工程換流站的平波電抗器采用高效一體化降噪裝置，利用柵式聲障、局部迷宮以及盤(pán)式消聲原理，能夠?qū)⑻囟l率的噪聲降低約16dB，使其達(dá)到并優(yōu)于技術(shù)規(guī)范要求。

采用全封閉型隔聲裝置（BOX-IN）可以取得更明顯的降噪效果。復(fù)龍換流站換流變壓器采用BOX-IN措施，與采取隔聲屏障方案比較，近場(chǎng)降低了8dB，中場(chǎng)降低了約20dB左右，遠(yuǎn)場(chǎng)降低了15dB左右，降噪效果極為顯著。并且采用了新型設(shè)計(jì)，一部分為固定設(shè)施，安裝在防火墻上;另一部分安裝在換流變壓器本體上，隨換流變壓器同進(jìn)出，既滿(mǎn)足了換流變壓器隔聲降噪的要求，又滿(mǎn)足了運(yùn)行檢修及快速更換的需要。

3.4 受體保護(hù)

對(duì)于變電站、換流站站外敏感建筑，環(huán)保拆遷或加裝隔聲設(shè)施也是噪聲控制的措施之一。為降低對(duì)控制樓內(nèi)運(yùn)行人員的干擾，可對(duì)站內(nèi)建筑物的降噪設(shè)計(jì)以有效控制噪聲。由于站內(nèi)戶(hù)外的噪聲依然很大，對(duì)于戶(hù)外巡檢人員，可通過(guò)佩戴降噪耳塞來(lái)降低進(jìn)入人耳內(nèi)的噪聲而實(shí)現(xiàn)受體保護(hù)。

4、結(jié)語(yǔ)

特高壓變電站、換流站的噪聲控制應(yīng)考慮規(guī)劃控制、源強(qiáng)控制、傳播過(guò)程控制、受體保護(hù)等措施。由于目前的水平限制，從設(shè)備設(shè)計(jì)、制造和安裝上降低噪聲已經(jīng)極其困難，除了傳統(tǒng)措施與方法外，應(yīng)在充分重視規(guī)劃控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)境敏感情況確定經(jīng)濟(jì)、合理、可行的綜合噪聲控制方案，實(shí)現(xiàn)良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：秦金鋒，男，漢族，安徽亳州，1990 年12月27日，本科，助理工程師，研究方向：高壓直流輸電。

嚴(yán)偉，男，漢族，湖南益陽(yáng)1988年04月04日，本科，助理工程師，研究方向：高壓直流輸電。

（作者單位：1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局）