變電站節(jié)能環(huán)保及噪聲控制技術(shù)研究

周洪偉 宗炫君 方向 王庭華

摘要：建設(shè)節(jié)能環(huán)保型的綠色電網(wǎng)，既是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的客觀要求，也是現(xiàn)代電網(wǎng)本身發(fā)展的必然趨勢。本文圍繞變電站節(jié)能環(huán)保措施和噪聲控制技術(shù)，探討了變電站在建筑節(jié)能、水工節(jié)能、風(fēng)能利用的可行措施，有助于變電站實現(xiàn)“低能耗、低污染、低排放”;分析了變電站主要噪聲來源，提出了相應(yīng)的噪聲控制方法，通過消聲、吸聲、隔音和隔振處理，有效地控制和減少變電站噪音，提高周邊居民的生活質(zhì)量。研究成果可為節(jié)能環(huán)保型變電站的建設(shè)提供思路。

關(guān)鍵詞：節(jié)能環(huán)保;變電站;噪聲控制

1 引言

隨著國家節(jié)能政策的頒布和鼓勵節(jié)能的措施出臺，節(jié)能環(huán)保綠色事業(yè)的落實成為了當(dāng)前我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重點所在[1]。變電站是電力能源在生產(chǎn)、運輸、儲存過程中產(chǎn)生浪費、高消耗的主要環(huán)節(jié)[2-3]。如何提高電能的使用效率，避免在電能運輸，儲存和使用中帶來的能耗浪費，變電站的作用至關(guān)重要。電力企業(yè)在變電站建設(shè)中落實節(jié)能環(huán)保技術(shù)已經(jīng)成為了新時期變電站建設(shè)的重點[4]，變電站設(shè)計的節(jié)能措施也逐漸得到重視。在越來越注重環(huán)境保護的現(xiàn)下，城市變電站噪音污染防治的工作已經(jīng)迫在眉睫，研究噪聲控制技術(shù)勢在必行。

已學(xué)者對全戶內(nèi)變電站建筑平面布置、圍護結(jié)構(gòu)、圍護墻體、門窗、屋面等節(jié)能降耗設(shè)計進行研究[5]。利用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，為變電站的電氣設(shè)備提供電力，不污染環(huán)境，可持續(xù)使用并且無噪聲[6]，能夠有效實現(xiàn)變電站的節(jié)能環(huán)保。變電站通常采用主變壓器本體與散熱器同室的全室內(nèi)布置形式，因此可能會導(dǎo)致室內(nèi)變壓器通風(fēng)散熱困難[7]。夏季的用電高峰期間，變電站的負(fù)荷率都很高，噪聲很大，給供電企業(yè)的社會形象造成一定負(fù)面的影響[8]。改善周圍居民的居住環(huán)境，對城市變電站進行噪聲治理改造已經(jīng)刻不容緩[9]。目前，國內(nèi)外針對變電站噪聲控制措施進行了大量研究，噪聲控制技術(shù)可以分為無源控制技術(shù)和有源控制技術(shù)兩種，主要從噪聲源、傳播途徑、接受者三部分對噪聲進行控制[10]。

本文以國家電網(wǎng)通用設(shè)計110kV全戶內(nèi)變電站方案（110-A2-6）為例，圍繞變電站節(jié)能環(huán)保措施和噪聲控制技術(shù)，探討了變電站在建筑節(jié)能、水工節(jié)能、風(fēng)能利用的可行措施;分析了變電站主要噪聲來源，提出了相應(yīng)的噪聲控制方法，通過消聲、吸聲、隔音和隔振處理，有效地控制和減少變電站噪音。

2變電站節(jié)能環(huán)保措施

2.1 建筑節(jié)能

（1） 體型系數(shù)

嚴(yán)格控制體型系數(shù)，體型系數(shù)與建筑造型、平面布局、采光通風(fēng)等相關(guān)。建筑物的平、立面盡量不出現(xiàn)過多的凹凸，通過控制建筑高度等措施，優(yōu)化設(shè)計，合理規(guī)劃建筑布局以及形體設(shè)計。將散熱器、電容器放置于屋面半鏤空布置，合理利用上層空間，節(jié)約建筑面積和建筑體積。

（2） 通風(fēng)采光

選擇自然通風(fēng)和天然采光，這樣不僅可以提高室內(nèi)的舒適度，而且還可以有效減少相應(yīng)耗能產(chǎn)品的使用，從而達到節(jié)能減排的目的。自然采光通風(fēng)是根據(jù)變電站視覺工作特點和功能要求，對采光通風(fēng)方式給予科學(xué)、合理的選擇，進一步明確窗口布置形式和采光口面積，這樣能夠有效營造良好的室內(nèi)光環(huán)境，從而達到節(jié)能的效果。通常情況下，建筑自然采光通風(fēng)設(shè)計過程中，需要按照建筑特點和采光通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，以此達到預(yù)期的采光通風(fēng)效果。因此，可以在變電站的南立面和西立面采用大面積玻璃幕墻，充分利用自然采光、通風(fēng)，營造良好的室內(nèi)光環(huán)境。

（3） 圍護結(jié)構(gòu)

變電站建筑存在特殊性，其室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量大，產(chǎn)熱遠(yuǎn)大于散熱。本次變電站節(jié)能設(shè)計以散熱為主，不考慮冬季采暖（僅二次設(shè)備考慮冬季空調(diào)制暖）。以空調(diào)最低全年累計冷負(fù)荷為優(yōu)化目標(biāo)，對能耗影響因素進行多變量尋優(yōu)。在滿足工業(yè)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的前提下，提高圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，使室內(nèi)設(shè)備達到最優(yōu)散熱效果，如圖1所示。

（4） 光伏板節(jié)能

在建筑設(shè)計階段，結(jié)合實際情況對可再生能源給予合理利用，最常見的是太陽能，其一般包括被動式太陽能系統(tǒng)和主動式太陽能利用系統(tǒng)。被動式太陽能系統(tǒng)一般是通過建筑物方位與朝向的合理布局、建筑材料的選擇以及建筑物結(jié)構(gòu)和內(nèi)外形貌的設(shè)計來對太陽能進行有效儲存、采集和分配。

主動式太陽能利用系統(tǒng)一般是由太陽能采熱器、散熱器、風(fēng)機泵和儲熱器等集合在一起的采暖系統(tǒng)，其具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且造價較高。通常情況下，傳統(tǒng)太陽能主要是借助純建筑方式，這樣會投入比較大的成本。實際上，主動式太陽能技術(shù)嘗試著將遮陽、太陽能收集、散熱集于一體來構(gòu)成太陽能集熱板，其既能夠達到降低熱反射和降溫的效果，而且大面積使用還能夠避免在城市中發(fā)生熱島效應(yīng)。

光伏組件主要有以下幾種類型：單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件、非晶硅光伏組件、碲化鎘光伏組件、銅銦鎵硒光伏組件等，各種類型的光伏組件綜合對比。本次方案在配電裝置室屋面設(shè)置太陽能光伏板，采用技術(shù)領(lǐng)先的單晶硅光伏組件，對太陽能進行收集并儲存，為變電站提供電能。

2.2 水工節(jié)能

變電站傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)是讓雨水經(jīng)過雨水井流入雨水管道，然后排入雨水集中井間接或直接排放至市政管網(wǎng)或附近河流。自然排水系統(tǒng)是通過自然滲透將部分雨水留住，對地下水進行補充，多余的雨水通過圍墻泄水孔向外自然均為排放，以此來減少雨水井的數(shù)量及排水管道的壓力。此類基礎(chǔ)設(shè)施做法特別適用于場地填土較高且周邊具備設(shè)置自然排水系統(tǒng)的變電站。

大部分綠化設(shè)施會采用上凸綠地，因為從景觀層面較為有空間層次，但是和普通綠地比較，下凹綠地通過凹陷空間可以積蓄部分綠地本身和周圍地面匯集而來的雨水徑流。不足之處是如果雨水中有大量的懸浮物和沙質(zhì)會降低綠地的質(zhì)量和滲透性能。

下凹綠地的凹陷深度是其設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)降雨強度和匯流面的增加導(dǎo)致進入綠地雨水徑流超過土地的下滲能力時，凹陷空間通過積蓄雨水可以部分彌補土壤下滲能力不足的現(xiàn)狀。通常綠地的凹陷深度可以設(shè)為50～100mm，下凹綠地對雨水的攔蓄效果比較明顯。研究資料表明：當(dāng)下凹深度為100mm時，5年一遇的降雨條件下，下凹綠地的攔蓄率可達99.33%;而在百年一遇24小時降雨情況下，其雨水徑流攔蓄率還能達到76%。下凹式綠地做法如圖3所示。

2.3 風(fēng)能利用

（1） 風(fēng)壓通風(fēng)

風(fēng)壓通風(fēng)是指風(fēng)在建筑外部繞行的時候產(chǎn)生風(fēng)壓差。風(fēng)通過建筑物時，迎風(fēng)面產(chǎn)生的壓力為正（向內(nèi)），背風(fēng)面產(chǎn)生的壓力為負(fù)，見圖4。因此，建筑物在整個區(qū)域產(chǎn)生壓力差，從而驅(qū)動交叉通風(fēng)，這就是常說的“穿堂風(fēng)”。但這種方式相對于熱壓通風(fēng)不太穩(wěn)定，容易造成短時間內(nèi)的大量通風(fēng)。風(fēng)壓通風(fēng)不僅受建筑形體的因素影響，而且不同時間、不同環(huán)境對其的影響也大。為了減小這些影響，可以控制空間的進深和高度;在建筑上加入適當(dāng)?shù)臉?gòu)件引導(dǎo)風(fēng)向;選擇合適的開窗位置來增加壓力差;在通風(fēng)空間盡可能少的布置障礙物。

（2） 通風(fēng)方向

不同的開窗位置會形成不同的通風(fēng)方式，總體分為交叉通風(fēng)、單面通風(fēng)和中庭通風(fēng)。當(dāng)入口和出口位于建筑物或空間的相對外墻上，并在兩者之間設(shè)計一條清晰的流動路徑時，就會發(fā)生交叉通風(fēng)。交叉通風(fēng)策略的流動路徑需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計為連續(xù)的空間。路徑上最小的開口決定了換氣速率。交叉通風(fēng)常和中庭的煙囪通風(fēng)結(jié)合使用，如圖5所示，可以增加建筑的進深。

單側(cè)通風(fēng)是風(fēng)通過一個大開口進入和離開，或者通過空間同一側(cè)上間隔開的兩個開口進入和離開的情況。單側(cè)通風(fēng)通常比交叉通風(fēng)通風(fēng)率低，且只能進入到有限的空間距離。通風(fēng)方式在建筑中能否充分發(fā)揮作用則影響到整個建筑的節(jié)能效果。不同的氣候區(qū)都有一定的規(guī)律，可以通過分析外部的風(fēng)環(huán)境條件和建筑本身的外形作為根據(jù)，來設(shè)計建筑內(nèi)部的不同區(qū)域應(yīng)該采用熱壓通風(fēng)或風(fēng)壓通風(fēng)、選擇不同的通風(fēng)方式。

3 噪聲控制技術(shù)

3.1 變電站主要噪聲來源

（1） 變壓器噪聲

變壓器產(chǎn)生的噪音主要來自于變壓器的本體和本體內(nèi)的冷卻系統(tǒng)。變壓器本體產(chǎn)生噪音的主要原因是由于電磁頻率發(fā)生不規(guī)則的非周期性的振動，傳播途徑主要通過空氣和墊腳等媒介傳播，工作運行是磁致伸縮所引起鐵芯的振動而產(chǎn)生的，而且鐵芯隨進而傳遞向附件和箱體。此外，負(fù)載電流在出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象時，也會造成油箱和繞組發(fā)生不規(guī)則振動，產(chǎn)生的噪音以聲波的形式朝四周擴散。

（2） 導(dǎo)線噪聲

導(dǎo)線電暈放電會產(chǎn)生噪聲，由于導(dǎo)線并不是沿全長均電暈放電，而是集中在絕緣子均壓環(huán)附近。在對導(dǎo)線兩端的金具進行工藝處理和采取增加均壓環(huán)等措施后，電暈噪聲可明顯降低，且導(dǎo)線上電暈產(chǎn)生的可聽噪聲強度受天氣等條件影響較大。

3.2 噪聲控制措施

變電站降噪措施可以從減少低噪音設(shè)備制作成本或者控制源頭產(chǎn)生噪音兩個方面作為主要的出發(fā)點進行。控制源頭噪音的方法是最有效、最徹底的處理方法，所以，可以根據(jù)變電站的實際情況，選擇經(jīng)濟、科學(xué)合理的降噪措施，主要通過消聲、吸聲和隔聲三個方面入手，是目前較為適用于噪音污染治理的方法。

（1） 消聲技術(shù)

消聲技術(shù)是指通過在變電站內(nèi)產(chǎn)生噪音的機械設(shè)備處鋪設(shè)多個噪音發(fā)生器，噪音發(fā)生器又可以稱作噪音干擾器，其發(fā)出的聲波具有獨特的特性，能夠和變壓器等發(fā)出的低頻噪音相互抵消，進而消減聲能，減少噪音的一種方法，對噪音具有一定程度的衰減和抑制效果。這種技術(shù)能夠利用變壓器產(chǎn)生的噪音音波在空氣媒介中進行傳播時具有固定的頻率的原理，當(dāng)這些聲波穿過干擾器或者是噪音發(fā)生器所發(fā)出的固定頻率時會發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，進而改變聲速，吸收聲能，降低噪音。

（2） 吸聲處理

聲波遇到墻面、屋面、地面后會被反射回來，反射聲波再遇到設(shè)備屏柜壁面后再次反射，噪聲源產(chǎn)生的直達聲波和一次反射聲波、二次反射聲波、N次反射聲波相互疊加，使室內(nèi)噪聲大大增強。建筑聲學(xué)理論研究表明，室內(nèi)噪聲的大小不僅與聲源聲級有關(guān)，還與室內(nèi)壁面的平均吸聲系數(shù)有關(guān)，要控制噪聲對數(shù)據(jù)中心設(shè)備及室外環(huán)境的影響，對室內(nèi)進行吸聲處理十分必要，常用方法是使用吸聲材料。

吸聲材料應(yīng)該選用低頻吸聲系數(shù)大的材料，通過對常用吸聲材料進行技術(shù)經(jīng)濟分析比較，本方案擬選用FC穿孔吸聲防火板吸聲結(jié)構(gòu)，如圖6所示。FC吸聲防火板防火等級為A級，裝飾性、防水性能好，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.3W/m·K，規(guī)格較多，可以定制。其穿孔率需要根據(jù)室內(nèi)吸聲情況計算得到，板后加50mm防潮離心玻璃棉板及50mm空腔，防潮離心玻璃棉是一種高效保溫、隔熱、吸聲的材料，也是一種很好的節(jié)能材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、不燃燒、長期使用性能不變的優(yōu)點。經(jīng)合理設(shè)置穿孔率后，該結(jié)構(gòu)在頻率250Hz的吸聲系數(shù)可達到0.76，500Hz的吸聲系數(shù)高達到1.12。

（3） 隔音處理

隔音處理是通過隔音材料（墻體、木板以及金屬板等，如圖7所示）來對噪聲的傳播進行隔絕，或是對噪聲在空氣中傳播的聲波進行減弱處理或是隔絕。在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下，為了使降噪處理的效果更好，采用將常見的隔音材料與其他新的聲學(xué)材料（空氣層、阻尼材料以及吸聲效果較好的材料等）結(jié)合在一起來進行使用。在對變電站的變壓器產(chǎn)生的噪聲進行處理時，應(yīng)該對噪聲傳播的主要途徑變電站的門進行更換，使用隔音的門，或是直接將產(chǎn)生噪音的油箱利用隔音材料包裹起來，隔音門采用鋼板或混凝土建成。

（4） 隔振處理

在主變基礎(chǔ)和電抗器基礎(chǔ)底座處安裝金屬橡膠隔振器，以降低因主變壓器和電抗器本身的擾力作用引起支承結(jié)構(gòu)或地基的振動，設(shè)置隔振裝置后能有效降低變壓器和電抗器的振動噪聲，隔振裝置見圖8

為了對節(jié)能環(huán)保型變電站的建設(shè)提供思路，本文探討了變電站節(jié)能環(huán)保措施和噪聲控制技術(shù)，根據(jù)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1） 變電站在建筑節(jié)能、水工節(jié)能和風(fēng)能利用方面存在可以改進措施，利用天然采光、圍護結(jié)構(gòu)、光伏板節(jié)能、下凹式綠地和風(fēng)壓通風(fēng)，有助于變電站實現(xiàn)“低能耗、低污染、低排放”。

（2） 變電站的噪聲主要來源于變壓器和導(dǎo)線。本文提出了相應(yīng)的噪聲控制方法，通過消聲、吸聲、隔音和隔振處理，采用穿孔吸聲防火板、隔音金屬板和控制和隔振裝置，可以有效地減少變電站噪音，提高周邊居民的生活質(zhì)量。

參考文獻

[1]賈鳳安，李海峰，梁巖濤. 絲路重鎮(zhèn)綠色工程 助力隴原綠色轉(zhuǎn)型[N]. 國家電網(wǎng)報，2021-09-14（001）.

[2]李建偉，黃磊，李廣軍，姚金雄.淺談輸變電工程的環(huán)保監(jiān)督管理[J].電力科技與環(huán)保，2019，35（05）：40-42.

基金項目：2021年國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院科技項目

作者簡介：

周洪偉（1979-），男，江蘇人，碩士，高級工程師，從事電力工程設(shè)計及研究工作。

宗炫君（1990-），女，江蘇人，碩士，工程師，從事電力工程研究工作。

方向（1972-），男，湖南人，碩士，高級經(jīng)濟師，從事電力工程技術(shù)經(jīng)濟及研究工作。

王庭華（1967-），男，江蘇人，碩士，高級工程師，從事電力工程設(shè)計及研究工作。