變電站節能環保及噪聲控制技術研究

周洪偉 宗炫君 方向 王庭華

摘要：建設節能環保型的綠色電網，既是建設資源節約型、環境友好型社會的客觀要求，也是現代電網本身發展的必然趨勢。本文圍繞變電站節能環保措施和噪聲控制技術，探討了變電站在建筑節能、水工節能、風能利用的可行措施，有助于變電站實現“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量。研究成果可為節能環保型變電站的建設提供思路。

關鍵詞：節能環保;變電站;噪聲控制

1 引言

隨著國家節能政策的頒布和鼓勵節能的措施出臺，節能環保綠色事業的落實成為了當前我國社會經濟發展的重點所在[1]。變電站是電力能源在生產、運輸、儲存過程中產生浪費、高消耗的主要環節[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，變電站的作用至關重要。電力企業在變電站建設中落實節能環保技術已經成為了新時期變電站建設的重點[4]，變電站設計的節能措施也逐漸得到重視。在越來越注重環境保護的現下，城市變電站噪音污染防治的工作已經迫在眉睫，研究噪聲控制技術勢在必行。

已學者對全戶內變電站建筑平面布置、圍護結構、圍護墻體、門窗、屋面等節能降耗設計進行研究[5]。利用太陽能光伏發電技術，將太陽光輻射能直接轉換為電能，為變電站的電氣設備提供電力，不污染環境，可持續使用并且無噪聲[6]，能夠有效實現變電站的節能環保。變電站通常采用主變壓器本體與散熱器同室的全室內布置形式，因此可能會導致室內變壓器通風散熱困難[7]。夏季的用電高峰期間，變電站的負荷率都很高，噪聲很大，給供電企業的社會形象造成一定負面的影響[8]。改善周圍居民的居住環境，對城市變電站進行噪聲治理改造已經刻不容緩[9]。目前，國內外針對變電站噪聲控制措施進行了大量研究，噪聲控制技術可以分為無源控制技術和有源控制技術兩種，主要從噪聲源、傳播途徑、接受者三部分對噪聲進行控制[10]。

本文以國家電網通用設計110kV全戶內變電站方案（110-A2-6）為例，圍繞變電站節能環保措施和噪聲控制技術，探討了變電站在建筑節能、水工節能、風能利用的可行措施;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變電站節能環保措施

2.1 建筑節能

（1） 體型系數

嚴格控制體型系數，體型系數與建筑造型、平面布局、采光通風等相關。建筑物的平、立面盡量不出現過多的凹凸，通過控制建筑高度等措施，優化設計，合理規劃建筑布局以及形體設計。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，節約建筑面積和建筑體積。

（2） 通風采光

選擇自然通風和天然采光，這樣不僅可以提高室內的舒適度，而且還可以有效減少相應耗能產品的使用，從而達到節能減排的目的。自然采光通風是根據變電站視覺工作特點和功能要求，對采光通風方式給予科學、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光環境，從而達到節能的效果。通常情況下，建筑自然采光通風設計過程中，需要按照建筑特點和采光通風標準進行設計，以此達到預期的采光通風效果。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，營造良好的室內光環境。

（3） 圍護結構

變電站建筑存在特殊性，其室內設備發熱量大，產熱遠大于散熱。本次變電站節能設計以散熱為主，不考慮冬季采暖（僅二次設備考慮冬季空調制暖）。以空調最低全年累計冷負荷為優化目標，對能耗影響因素進行多變量尋優。在滿足工業節能標準的前提下，提高圍護結構的傳熱系數，使室內設備達到最優散熱效果，如圖1所示。

（4） 光伏板節能

在建筑設計階段，結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和主動式太陽能利用系統。被動式太陽能系統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構和內外形貌的設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一般是由太陽能采熱器、散熱器、風機泵和儲熱器等集合在一起的采暖系統，其具有比較復雜的結構，而且造價較高。通常情況下，傳統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，主動式太陽能技術嘗試著將遮陽、太陽能收集、散熱集于一體來構成太陽能集熱板，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生熱島效應。

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置太陽能光伏板，采用技術領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 水工節能

變電站傳統的排水系統是讓雨水經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或附近河流。自然排水系統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量及排水管道的壓力。此類基礎設施做法特別適用于場地填土較高且周邊具備設置自然排水系統的變電站。

大部分綠化設施會采用上凸綠地，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會降低綠地的質量和滲透性能。

下凹綠地的凹陷深度是其設計的關鍵參數。當降雨強度和匯流面的增加導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狀。通常綠地的凹陷深度可以設為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 風能利用

（1） 風壓通風

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

（2） 通風方向

不同的開窗位置會形成不同的通風方式，總體分為交叉通風、單面通風和中庭通風。當入口和出口位于建筑物或空間的相對外墻上，并在兩者之間設計一條清晰的流動路徑時，就會發生交叉通風。交叉通風策略的流動路徑需要適當的設計為連續的空間。路徑上最小的開口決定了換氣速率。交叉通風常和中庭的煙囪通風結合使用，如圖5所示，可以增加建筑的進深。

單側通風是風通過一個大開口進入和離開，或者通過空間同一側上間隔開的兩個開口進入和離開的情況。單側通風通常比交叉通風通風率低，且只能進入到有限的空間距離。通風方式在建筑中能否充分發揮作用則影響到整個建筑的節能效果。不同的氣候區都有一定的規律，可以通過分析外部的風環境條件和建筑本身的外形作為根據，來設計建筑內部的不同區域應該采用熱壓通風或風壓通風、選擇不同的通風方式。

3 噪聲控制技術

3.1 變電站主要噪聲來源

（1） 變壓器噪聲

變壓器產生的噪音主要來自于變壓器的本體和本體內的冷卻系統。變壓器本體產生噪音的主要原因是由于電磁頻率發生不規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生的，而且鐵芯隨進而傳遞向附件和箱體。此外，負載電流在出現漏磁現象時，也會造成油箱和繞組發生不規則振動，產生的噪音以聲波的形式朝四周擴散。

（2） 導線噪聲

導線電暈放電會產生噪聲，由于導線并不是沿全長均電暈放電，而是集中在絕緣子均壓環附近。在對導線兩端的金具進行工藝處理和采取增加均壓環等措施后，電暈噪聲可明顯降低，且導線上電暈產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備制作成本或者控制源頭產生噪音兩個方面作為主要的出發點進行?？刂圃搭^噪音的方法是最有效、最徹底的處理方法，所以，可以根據變電站的實際情況，選擇經濟、科學合理的降噪措施，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

消聲技術是指通過在變電站內產生噪音的機械設備處鋪設多個噪音發生器，噪音發生器又可以稱作噪音干擾器，其發出的聲波具有獨特的特性，能夠和變壓器等發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。這種技術能夠利用變壓器產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，當這些聲波穿過干擾器或者是噪音發生器所發出的固定頻率時會發生能量轉換，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，反射聲波再遇到設備屏柜壁面后再次反射，噪聲源產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，使室內噪聲大大增強。建筑聲學理論研究表明，室內噪聲的大小不僅與聲源聲級有關，還與室內壁面的平均吸聲系數有關，要控制噪聲對數據中心設備及室外環境的影響，對室內進行吸聲處理十分必要，常用方法是使用吸聲材料。

吸聲材料應該選用低頻吸聲系數大的材料，通過對常用吸聲材料進行技術經濟分析比較，本方案擬選用FC穿孔吸聲防火板吸聲結構，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，導熱系數不大于0.3W/m·K，規格較多，可以定制。其穿孔率需要根據室內吸聲情況計算得到，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，也是一種很好的節能材料，具有導熱系數低、密度小、不燃燒、長期使用性能不變的優點。經合理設置穿孔率后，該結構在頻率250Hz的吸聲系數可達到0.76，500Hz的吸聲系數高達到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。在科學技術的發展下，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材料（空氣層、阻尼材料以及吸聲效果較好的材料等）結合在一起來進行使用。在對變電站的變壓器產生的噪聲進行處理時，應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

在主變基礎和電抗器基礎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構或地基的振動，設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

為了對節能環保型變電站的建設提供思路，本文探討了變電站節能環保措施和噪聲控制技術，根據分析結果，得出以下結論：

（1） 變電站在建筑節能、水工節能和風能利用方面存在可以改進措施，利用天然采光、圍護結構、光伏板節能、下凹式綠地和風壓通風，有助于變電站實現“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線。本文提出了相應的噪聲控制方法，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量。

參考文獻

[1]賈鳳安，李海峰，梁巖濤. 絲路重鎮綠色工程 助力隴原綠色轉型[N]. 國家電網報，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保監督管理[J].電力科技與環保，2019，35（05）：40-42.

基金項目：2021年國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院科技項目

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，高級經濟師，從事電力工程技術經濟及研究工作。

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