适用于特高压变电站噪声治理的复合吸声结构研究

1 引言

当前，国内特高压变电站变压器、电抗器的防火墙往往采用现浇混凝土结构或框架砖粉结构，具有一定的隔声效果，但因变压器、电抗器噪声频率低，声波波长较长，其噪声的绕射和透射能力非常强，因此隔声降噪效果往往欠佳。另外，当前特高压变电站声屏障和隔声罩也没有针对变电站低频噪声特性进行专门设计，降噪效果不够理想[1,2,3]，若能针对特高压变电站以中低频段噪声为主的特点，采用兼具消声和吸声作用的复合吸声结构，希望能够有效地降低中低频噪声，还兼阻燃、绝缘等性能，这对于改善变电站声环境质量具有重要意义。

2 特高压变电站主设备噪声测量分析

特高压变电站运行过程中，主要噪声源包括高压变压器、并联电抗器、变电构架等，其中变压器噪声包括本体噪声及冷却装置噪声，并联电抗器噪声为电磁噪声，变电构架噪声为电晕噪声。电晕噪声一般是中高频，传播过程中衰减快，影响范围小[4]，变压器和并联电抗器因内部结构而产生的低频噪声，衰减慢，影响范围大，因此，变压器和并联电抗器的噪声控制是变电站噪声治理的重点。

2.1 主变压器噪声测量分析

以1000kV晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程荆门变电站主变压器噪声测试为例，采用B&K公司噪声分析仪、Pulse多通道分析仪及声强探头等。测量仪器和测量方法满足《声环境质量标准》（GB 3096-2008）、《工业企业厂界环境噪声排放标准》（GB 12348-2008）及《电力变压器 第10部分：声级测定》（GB/T 1094.10-2003）等标准要求。

如图1所示，采用声强法测量变压器声功率级[5,6]。以单相变压器为测量对象，取规定轮廓线与基准发射面的间距为2m，且设定2条规定轮廓线，分别位于2m和4m的水平面上。所有测点位于规定轮廓线上，相邻测点的水平间距为1m，采用声强探头逐点进行测量。

图1 变压器周围测量布点示意图

图2 变压器1/3倍频带A计权声功率级图

2.2 高压电抗器噪声测量分析

电抗器声功率级的测量方法与变压器相同，如图1所示，以特高压荆门变电站内并联电抗器B相为测量对象，取规定轮廓线与基准发射面的间距为1m，分别设定1.5m和3m高度的两条规定轮廓线，相邻测点的水平间距为1m。

图3为B相高抗1/3倍频带A计权各频率的声功率级，由图3分析可知，整个1/3倍频带中，低频分量所占比例较多，其中100Hz频率的声功率最大，达96.4dB(A)，比200Hz的声功率级高出11.5dB(A)，100Hz所在1/3倍频带声功率占单相高抗声功率的91.2%。因此，可以确定电抗器声场分布中出现的干涉现象是由于100Hz的声波造成的。

图3 B相高抗1/3倍频带A计权声功率级

3 多孔材料及微穿孔板实验

在噪声控制工程设计中，采用单一材料进行吸隔声处理，往往难以达到预期降噪的效果，因此常用吸声材料组合结构来降噪，尤其在体积较大，混响时间较长的室内空间，应用相当普遍。研究适用于特高压变电站噪声治理的吸声结构，首先须要考虑材料的绝缘和阻燃特性，其次要结合具体的措施才能确定吸声结构。

现阶段特高压变电站中boxin隔声罩内有采用穿孔板和吸声材料组合进行降噪的措施，但在低频段效果不佳，这就需要结合特高压变电站主设备声源特性，在确定了具体的降噪措施后，如何选择多孔性吸声材料，以及如何确定吸声结构成为变电站噪声治理的关键。以下分别选择微穿孔板、三聚氰胺泡沫、发泡水泥三种样品相互组合来开展实验。

3.1 双层微穿孔板组合

图4为微穿孔板实验样品，其中微穿孔板样品1的穿孔率为1.5%，板厚度为1mm，孔径为0.7mm，微穿孔板样品2的穿孔率为1.1%，板厚度为1mm，孔径为0.7mm，微穿孔板样品3，穿孔率为0.7%，板厚度为1mm，孔径为0.7mm。

(1) 微穿孔板样品1

(2) 微穿孔板样品2

(3) 微穿孔板样品3

图4 微穿孔板实验样品

实验方案如图5所示，采用双层微穿孔板组合的吸声结构[8,9]。

图5 双层微穿孔板组合吸声结构示意图

双层微穿孔板组合共开展了两组实验，实验1为微穿孔板样品2与微穿孔板样1组合，实验2为微穿孔板样品1与微穿孔板样3组合。实验1和实验2的具体测试参数如表1（略）所示。

(a)实验1测试数据

(b)实验2测试数据

图6 双层微穿孔板组合吸声结构测试数据

双层微穿孔板组合结构的两组实验，如图6所示，由图中分析可知，100Hz处的吸声系数均在0.7左右，两组实验均在500Hz至600Hz处出现吸声系数最大值。在600Hz以上频段，吸声系数逐渐下降。

3.2 发泡水泥与微穿孔板组合

首先采用发泡水泥与单层微穿孔板组合的吸声结构，如图7所示。

图7 发泡水泥和单层微穿孔板组合吸声结构示意图

图7 发泡水泥和单层微穿孔板组合吸声结构示意图

发泡水泥与单层微穿孔板组合开展两个不同参数的实验，两个实验中发泡水泥均放置在微穿孔板之前，具体方案如表2（略）所示。

(a)实验3测试结果

(b)实验4测试结果

图8 发泡水泥和单层微穿孔板组合实验结果

实验3数据和实验4数据几乎没有太大的变化，可见微小改变发泡水泥厚度和发泡水泥与微穿孔板距离，组合结构的吸声性能基本没有变化。在100Hz时，吸声系数在0.4左右，在250Hz时，吸声系数达到最大，在900Hz左右，再次达到吸声系数极大值。

将发泡水泥与双层微穿孔板组合的吸声结构，如图9所示。

图9 发泡水泥和双层微穿孔板组合吸声结构示意图

图9 发泡水泥和双层微穿孔板组合吸声结构示意图

发泡水泥与双层微穿孔板组合开展七个不同参数的实验，七个实验中发泡水泥均放置在微穿孔板之前，具体方案如表3（略）所示。

(a)实验5测试结果

(b)实验6测试结果

(c)实验7测试结果

(d)实验8测试结果

e)实验9测试结果

(f)实验10测试结果

(g)实验11测试结果

图10 发泡水泥与双层微穿孔板组合试验结果

实验5与实验6的各项参数基本一致，仅在发泡水泥厚度和发泡水泥与第一层微穿孔板距离略有差异，实验结果趋势也基本一致，可见，发泡水泥厚度和发泡水泥与第一层微穿孔板距离并不是决定这种组合结构的决定因素。实验7和实验8测试所得的吸声系数变化趋势基本一致，但100Hz处的吸声系数仅为0.45，但在200Hz至300Hz之间，吸声系数迅速增大至0.95，在200Hz至1400Hz之间，吸声系数均在0.7以上。实验10和实验11的实验参数基本一致，仅在发泡水泥厚度和发泡水泥与第一层微穿孔板距离两方面略有不同，其变化趋势也基本一致，实验9中，100Hz处吸声系数达0.85，在100Hz至200Hz之间，吸声系数出现极大值，在整个测量频段范围内，吸声系数均在0.6以上，出现多个极大值。

3.3三聚氰胺泡沫和微穿孔板组合

首先采用三聚氰胺泡沫与单层微穿孔板组合的吸声结构，如图11所示。

图11 三聚氰胺泡沫加单层微穿孔板组合吸声结构示意图

三聚氰胺泡沫与单层微穿孔板组合共开展了两组实验，两组实验中三聚氰胺泡沫均在微穿孔板之前，具体测试方案如表4（略）所示。

(a)实验12测试结果

(b)实验13测试结果

图12 三聚氰胺泡沫加单层微穿孔板组合实验结果

图12中，两组实验100Hz处的吸声系数均在0.7左右，在100Hz至500Hz之间，吸声系数均在0.7以上。在500Hz左右，吸声系数有所下降，但随着频率的增加，吸声系数又逐渐增大。这种组合方式不论在低频段还是高频段，均有较为理想的吸声效果。

采用三聚氰胺泡沫与双层微穿孔板组合的吸声结构，如图13所示。

图13 三聚氰胺泡沫加双层微穿孔板组合吸声结构示意图

三聚氰胺泡沫与双层微穿孔板组合共开展了七组实验，七组实验中三聚氰胺泡沫均在双层微穿孔板之前，具体方案如表5（略）所示。

(a)实验14测试结果

(b)实验15测试结果

(c)实验16测试结果

(d)实验17测试结果

(e)实验18测试结果

(e)实验18测试结果

(g)实验20测试结果

图14 三聚氰胺泡沫加双层微穿孔板组合实验结果

实验14、实验15和实验16区别仅在三聚氰胺泡沫厚度和与微穿孔板之间空气层厚度不同，从图14中分析，三组实验结果变化趋势基本一致，在100Hz处吸声系数均为0.7，随着频率的增大，吸声系数出现三个极大值，所测频率范围内吸声系数均在0.6以上。实验17和实验18改变了三聚氰胺泡沫厚度和与微穿孔板之间空气层厚度，并且缩短了两层微穿孔板间的距离，与前三组实验结果类似，吸声系数有极大值出现，100Hz处吸声系数在0.6至0.7之间，高频段吸声优于低频段。实验19和实验20进一步缩短了两层微穿孔板间距，适当调整了三聚氰胺泡沫厚度和与微穿孔板之间的空气层厚度，测试结果与实验14、实验15和实验16类似。

4 实验结果分析

根据特高压变电站主设备噪声源在低频段噪声突出的特点，选择微穿孔板组合结构、发泡水泥加微穿孔板组合结构、三聚氰胺泡沫加微穿孔板组合结构，开展了20组实验。测试结果表明，采取这三种组合方案均可以在低频段获得一定的吸声效果，但如何应用在工程实际中，还须结合具体的降噪措施。

（1）微穿孔板组合结构

双层微穿孔板可以拓宽单层微穿孔板的吸声频带，依据阻抗匹配的原理[10]，组合设计的原则是前面一层微穿孔板的穿孔率大于后面一层板的穿孔率。组合设计的微穿孔板在整个组合结构厚度为20cm的情况下可以在150-800Hz频率范围内达到0.7以上的吸声系数；整个组合结构厚度为30cm情况下，可在100-800Hz频率范围内达到0.7以上的吸声系数。

（2）发泡水泥加微穿孔板组合结构

在微穿孔板前加入发泡水泥可以拓宽微穿孔板的吸声频带，同时发泡水泥可以起到防火的作用。

发泡水泥加单层微穿孔板在整个组合结构厚度为20cm的情况下可以在150-1000Hz频率范围内达到0.7以上的吸声系数。发泡水泥加双层微穿孔板在整个组合结构厚度为20cm的情况下可以在150-1400Hz频率范围内达到0.7以上的吸声系数，整个组合结构厚度为30cm的情况下可以在100-1400Hz频率范围内达到0.7以上的吸声系数。同时发泡水泥的容重越小，孔隙率越大，低频的吸声效果越好。

（3）对于吸声材料加微穿孔板的组合结构，吸声材料可以拓展微穿孔板的吸声频带，增大吸声和微穿孔板之间的距离，中高频的吸声系数增大，吸声峰往低频移动。增大吸声材料的厚度，低频吸声系数略微减小，中高频吸声系数增大。增大微穿孔板后的空腔层的厚度可以增大低频吸声。吸声材料加双层微穿孔板比吸声材料加单层微穿孔板的吸声更好，吸声频带更宽。

由实验数据分析可知，三聚氰胺泡沫加单层微穿孔板在整个组合结构的厚度为20cm的情况下可以在200-1600Hz频率范围内达到0.6以上的吸声系数，在整个组合结构的厚度为30cm的情况下可以在100-1600Hz频率范围内达到0.6以上的吸声系数；三聚氰胺泡沫加双层微穿孔板在整个组合结构的厚度为20cm的情况下可以在200-1600Hz频率范围内达到0.7以上的吸声系数，在整个组合结构的厚度为30cm的情况下可以在100-1600Hz频率范围内达到0.7以上的吸声系数。

结合前述对特高压主变压器和高压并联电抗器噪声频率特性分析，特高压主变压器噪声能量主要集中在100-200Hz，高压电抗器噪声能量主要集中在100Hz，若要选择降噪材料，必定须要结合两个主噪声源的频率。同时，降噪方式也须要结合变电站现场布置，以最优材料和方式组合来进行噪声治理。

5 结语

资助项目：国家电 公司科技指南项目《特高压交流工程降噪关键技术深化研究》GYW17201700090