城市110kV户内变电站声场数值模拟

梅天龙 吴静萍 樊 红 田 偲

（武汉理工大学交通学院1） 能源与动力工程学院2） 武汉 430063）

0 引 言

随着现代社会发展的速度越来越快，城市电力需求量逐渐增大，导致供电负载越来越高，很多变电站开始在人口集中的市内建立．为了降低变电站噪声污染，变压器从户外搬进了户内．但是噪声仍然会从通风散热的进风口、排风口向外辐射，噪声超标，引起周围居民投诉．因此，有必要针对城市户内变电站噪声预报和控制进行研究．

针对变电站噪声产生和传播的复杂性，国内外许多学者以及电力变压器制造公司对变压器噪声问题进行了研究．20世纪70年代以来，国外各主要变压器制造公司，如西屋公司和通用电气公司，均投入了大量人力物力对变压器噪声控制开展广泛和深入的研究，如利用声强法、声压法进行变压器声级测量，以及远场辐射噪声分析［1］．近年来国内一些学者也对室内变电站噪声模拟作了相应的仿真分析，并取得了一定成果，杨敏等［2］通过采用商业软件ANSYS结合声振软件SYSNOISE对封闭的城市户内变电站内外声场进行模拟仿真和预测．

本文应用法国ESI集团推出的VA One仿真计算软件对噪声场进行仿真模拟．VA One软件是一款用于全频段振动噪声分析的商业软件，广泛用于汽车、船舶、航空航天，以及建筑等行业领域．陈伟［3］用该软件实现了对轨道客车内部噪声声压级的预测和控制；王婉秋等［4］采用统计能量分析方法探讨了航天器虚拟噪声实验系统方案的可行性研究；潘凯［5］通过建立飞机舱内噪声预计模型，分析和预报了飞机舱室的噪声性能，验证了模型及方法的有效性；李峰等［6］通过采用统计能量分析方法对散货船艉噪声进行仿真，优化了船舶结构的声学性能；李新［7］针对井下液压提升机及硐室的复杂噪声环境，使用VA One模拟了硐室建筑室内的噪声扩散规律，对矿山井下噪声预测、控制及改善作出了一定贡献．

本文以南昌某户内变电站的主变室作为声学计算模型，使用VA One中的统计能量分析方法，开展了声振激励下变电站主变室内外噪声的预报，通过将仿真结果与实际测量结果的比较，两者符合程度令人满意，从而验证了所建立的仿真模型和采用的仿真方法的合理性和有效性．

1 户内变电站产生噪声原因及传播途径

1．1 变电站的主要噪声源

本文研究的变电站的变压器属于油浸式变压器，其噪声来源于变压器本体和冷却系统2个方面．国内外的研究结果表明，变压器本体振动产生噪声的根源在于：（1）硅钢片在交变的磁场作用下发生微小的磁致伸缩，使得铁心随着励磁频率的变化发生周期性的振动［8］；（2）硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁产生的电磁吸引力而引起铁心的振动；（3）当绕组中有负载电流通过时，负载电流产生的漏磁引起线圈、油箱壁的振动．本体噪声通过铁心垫脚和变压器油传递给箱体和附件而产生；冷却系统的噪声主要由风扇和油泵的振动引起．

1．2 变电站噪声传播途径

室内变电站由于占地面积小，站内主要设备分布紧凑，主变压器、电容器、配电装置等主要集中在零米层［9］．因此在室内变电站产生噪声的声波通过介质传播有2种：（1）变压器正常工作时产生振动，振动噪声会经过空气介质传播到四周，一部分在室内反射，反射声和直达声相互叠加，进而产生声压级更强的混响声；一部分从进、排风口传到室外．（2）室内变压器在工作时振动会沿着基座传递给结构物从而产生固体传声．

通过现场观察，本文研究的变电站变压器基座传递振动噪声成分很小，噪声传播途径主要考虑空气介质传声．

2 统计能量分析方法

麻省理工R．H．Lyon［10］受到室内声学及统计热力学的启发，提出应用统计能量分析方法解决结构声振问题，把研究对象从用随机参数描述的总体中抽象出来，对被研究的具体细节参数不感兴趣，关心的是时域、频域和空间上的统计平均值，同时采用“能量”的观点，统一解决结构声振和声场问题．它不仅能够预计上述系统动力特征，还能进行噪声和振动的优化设计和故障诊断．

图1显示统计能量分析法（statistical energy analysis，SEA）的2个相邻子系统，对该子系统结构建立能量平衡方程．

图1 2个SEA子系统

对于3个以上子系统，其能量守恒方程为下列矩阵形式［14］．

式中：Pi为时间平均上的输入能量；ω为分析频段的中心频率；ηi为阻尼损耗因子；ηij为耦合损耗因子；ni为模态密度；Ei为系统能量，i，j＝1，2，…，k，k为子系统总数．

统计能量分析法运用简单的功率流平衡方程，研究机械系统和声学系统或其他不同系统之间的相互作用，使用的模型简单，计算得出的结果便可达到工程应用要求，弥补了传统方法的不足．传统方法局限于对有限数量的低阶模态进行分析，分析误差随着频率范围的扩展而迅速增大，分析难度随着结构复杂程度而增加，统计能量分析则不然，它适用于高频、密集模态的复杂结构；对结构细节要求不严，统计能量分析法引入损耗因子，并利用经验公式或实测值来计算，在某种程度上掩盖了某些结构或结构连接的细节．

统计能量分析方法中，以频率区间内的模态作为统计母体，必须达到一定数量才能保证平均结果有意义，统计能量分析方法适用于模态密度较大的分析区域，一般在模态数都≥5的条件下能够达到比较理想的状态．

3 户内变电站声场仿真

南昌某户内变电站主变室的主要尺寸为：长9．75m、宽7．55m、高14m，在高的一半处有相连通的控制观察室，尺寸为：长9．75m、宽8m、高7m．混凝土墙厚度取10cm；主变室顶部设有2个排风口，等效尺寸均为：2m×2m，进风口1个，等效尺寸为：长2．75m、高0．6m，中心点高度为0．8m．

进风口安装了消声通道，室内北向、东向、西向墙壁安装穿孔板吸声结构，南向墙安装了一扇由微孔板与吸声材料组合而成的HCM5型拆装式隔音门，门与墙的厚度相同．

利用VA One软件进行仿真的简单步骤如下：（1）在三维建模软件中生成实际模型后，导入VA One；（2）划分结构子系统和声腔子系统（见图2），设置相关参数；（3）建立子系统连接；（4）添加声源激励；（5）求解及查看结果．

子系统划分过程中要根据户内变的结构特征以及研究对象，结合统计能量分析方法的子系统划分原则进行．划分原则包括：耦合系统自然边界条件和动力学边界条件一致、模态相似、模态数最低要求等．

图2 户内变SEA子系统模型示意图

结构子系统内损耗因子可通过查材料手册获得，混凝土墙体内损耗因子为1．5×10－2，隔音门内损耗因子为1．0×10－2；穿孔板平均吸声系数取0．3；进风口消声通道的吸声效果，简单地取声腔子系统平均吸声系数来等效处理；仿真模型的声腔子系统的损耗主要来自空气吸声，声腔子系统的内损耗因子的取值，参考相关文献以及考虑该主变室内声源频谱特征，用于仿真计算的频谱见图3．

图3 声腔子系统内损耗因子

图4 a）给出了主变室隔音门外噪声声压级（sound pressure level，SPL）仿真值和实测值在频率范围31．5Hz～8kHz的单倍频程的SPL频谱．图4a）中同时将声源频谱一起给出，便于参考．从图中可见，仿真SPL频谱随频率的变化趋势与声源的频谱变化趋势是一致的，并且仿真值与实测值相当接近．仿真值与实测值的A计权总声压级的误差见表1．

图4b）给出了HCM5型拆装式通风隔音门内、外空间仿真SPL频谱．从图中可见，2频谱随频率的变化趋势一致，两者的A计权总声压级的差值见表2．

图4 主变室隔音门处仿真噪声声压级频谱

计算图4a）中的仿真SPL频谱值，得到A计权修正后的主变室隔音门外噪声频带声压级数据，得到总声压级，并与对应空间实测的A计权噪声总声压级一起列于表1．表1中还计算了仿真值与实测值之间的相对误差，计算式见式（2）．计算得出相对误差值为2．8%，足够小，表明仿真值与实测值两者相当吻合．

计算图4b）中的仿真SPL频谱值，得到的A计权修正后的隔音门内、外空间噪声频带声压级数据，以及得到的总声压级和两者差值，见表2．在隔音门处，内、外空间噪声A计权总声压级差值达到17．1dB，与厂家提供的该隔音门的降噪隔音量15dB效果相比较，令人满意．

表1 主变室隔音门外模拟值和实测值噪声A计权声压级对比及相对误差数据表

表2 主变室隔音门内、外空间仿真噪声A计权声压级及差值数据表

从表1中数据可见，对于经过噪声处理后的主变室而言，隔音门外SPL仿真值和实测值均满足夜间城市Ⅱ类地区噪声规定的50dB以下的要求．

4 结束语

采用VA One声学分析软件，基于统计能量分析方法，对某110kV变电站主变室内外空间区域的噪声进行模拟分析，并与实际测量值作对比，两者吻合程度较好，在一定程度上证明了本文采用VA One软件、基于统计能量分析方法模拟户内变噪声的可靠性和有效性．

对于经过噪声处理后的主变室而言，室外SPL仿真值和实测值均满足夜间城市Ⅱ类地区噪声规定的50dB以下的要求．

［1］KENDING R P．Sound intensity survey of the comerfod HVDC converter station［J］．Power Engineering Review，IEEE，1989（3）：1876－1881．

［2］杨 敏，仲兆平，严 青，等．220kV城市户内变电站声场模拟与分析［J］．东南大学学报：自然科学版，2010，40（6）：1226－1231．

［3］陈 伟．轨道客车室内声学特性研究［D］．大连：大连交通大学，2009．

［4］王婉秋，刘 闯．航天器虚拟噪声实验系统方案设计［J］．航天器环境工程，2009，26（2）：140－142．

［5］潘 凯．基于VA One的飞机舱内噪声预计方法研究［J］．测控技术，2008，27（3）：22－26．

［6］李 峰，徐芹亮，滕 瑶，等．统计能量法在船舶噪声与振动控制中的应用［J］．噪声与振动控制，2011（6）：152－155．

［7］李 新．基于统计能量法的液压提升机硐室噪声预测与分析［D］．长沙：湖南科技大学，2011．

［8］黄敏均．户内配电变压器低频噪声监测分析与治理［J］．江苏电机工程，2011，30（2）：55－58

［9］马耀宇．浅谈室内变电站噪声控制措施［J］．重庆电力高等专科学校学报，2010，15（5／6）：26－28．

［10］LYON R H．Statistical energy analysis of dynamical systems：theory and applications［M］．Massachusetts：MIT Press，1975．