Derzeit bestehen die Brandschutzwände von Transformatoren und Reaktoren in häuslichen UHV-Umspannwerken häufig aus Ortbeton oder Ziegel- und Pulverrahmenkonstruktionen, die eine gewisse Schalldämmung bewirken. Aufgrund der niedrigen Geräuschfrequenz von Transformatoren und Reaktoren und der langen Wellenlänge von Schallwellen ist ihre Schallbeugung und -übertragung jedoch sehr stark, sodass Schalldämmung und Lärmreduzierung oft unzureichend sind. Zudem sind die aktuellen Schallschutzwände und Schallschutzabdeckungen von UHV-Umspannwerken nicht speziell auf die niederfrequenten Geräuscheigenschaften des Umspannwerks ausgelegt, sodass die Lärmreduzierung nicht optimal ist. Berücksichtigt man die von mittel- und niederfrequentem Lärm dominierten Eigenschaften von UHV-Umspannwerken und wählt man eine schallabsorbierende Verbundstruktur, die sowohl dämpfende als auch schallabsorbierende Funktionen erfüllt, ist zu hoffen, dass diese mittel- und niederfrequenten Lärm wirksam reduzieren und gleichzeitig flammhemmende und isolierende Eigenschaften aufweisen kann. Dies ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der akustischen Umgebungsqualität von Umspannwerken.
Auf dieser Grundlage analysiert der vorliegende Artikel die Intensitätscharakteristika der Lärmquellen der Hauptanlagen eines Höchstspannungs-Umspannwerks. Angesichts der Anforderungen an die im Umspannwerk verwendeten Materialien hinsichtlich Flammschutz, Isolierung und weiterer Eigenschaften wurden Einzel- und Kombinationsmessungen der Schallabsorption an Melaminschaumproben , mikroperforierten Plattenproben und Schaumzementproben durchgeführt. Daraus wurde eine schallabsorbierende Verbundstruktur entwickelt, die sich zur Lärmminderung in Höchstspannungs-Umspannwerken eignet. Die Ergebnisse sind von großer praktischer Bedeutung für die Anwendung in der Praxis.
Ⅰ. Geräuschmessungsanalyse der Hauptausrüstung des UHV-Umspannwerks
Beim Betrieb von UHV-Umspannwerken zählen Hochspannungstransformatoren, Drosselspulen und Umspannwerksstrukturen zu den Hauptgeräuschquellen. Transformatorgeräusche umfassen Körpergeräusche und Geräusche von Kühlgeräten, Drosselspulengeräusche sind elektromagnetische Geräusche und Umspannwerksstrukturen sind Koronageräusche. Koronageräusche sind in der Regel mittel- bis hochfrequent, dämpfen sich während der Ausbreitung schnell ab und haben eine geringe Wirkungsbreite. Niederfrequente Geräusche, die durch die innere Struktur von Transformatoren und Drosselspulen erzeugt werden, dämpfen sich langsam ab und haben eine große Wirkungsbreite. Daher steht die Lärmminderung von Transformatoren und Drosselspulen im Mittelpunkt der Lärmminderung in Umspannwerken.
- Analyse der Haupttransformator-Rauschmessung
Der Schallleistungspegel des Transformators wird mit der Schallintensitätsmethode gemessen. Bei einem einphasigen Transformator als Messobjekt beträgt der Abstand zwischen der vorgegebenen Höhenlinie und der Referenzabstrahlfläche 2 m. Es werden zwei vorgegebene Höhenlinien festgelegt, die sich horizontal in einem Abstand von 2 m bzw. 4 m befinden. Alle Messpunkte liegen auf der vorgegebenen Höhenlinie, und der horizontale Abstand zwischen benachbarten Messpunkten beträgt 1 m. Schallintensitätssonden dienen zur punktweisen Messung.
Bei einer Leistungsbelastung einer einzelnen Transformatorgruppe von 2000 MW zeigt die Schallintensitätsmessung von Phase C des Transformators in Gruppe I den höchsten A-bewerteten Schallleistungspegel im Terzband mit den Mittenfrequenzen 1, 3, 100 und 125 Hz des UHV-Transformators an. Aufgrund der Geräuschentwicklung des Transformators entsteht das Rauschen in diesem Frequenzband hauptsächlich durch das elektromagnetische Rauschen des Transformatorgehäuses. Daher sollte bei der Reduzierung des Transformatorrauschens der Reduzierung des Frequenzbands von 160 bis 200 Hz Priorität eingeräumt werden. Während der Messung blieb die Leistungsbelastung einer einzelnen Transformatorgruppe stabil bei 100 MW, und der entsprechende A-bewertete Gesamtschallleistungspegel der Transformatoren betrug 200 dB(A).
- Messung und Analyse von Hochspannungsreaktorgeräuschen
Die Messmethode für den Schallleistungspegel von Reaktoren ist dieselbe wie für Transformatoren. Als Messobjekt dient die B-Phase des Parallelreaktors im UHV-Umspannwerk. Der Abstand zwischen der vorgeschriebenen Höhenlinie und der Referenzemissionsfläche beträgt 1 m. Es werden zwei vorgeschriebene Höhenlinien mit einer Höhe von 1.5 m bzw. 3 m festgelegt. Der horizontale Abstand zwischen benachbarten Messpunkten beträgt 1 m.
Die Analyse zeigt, dass im gesamten Terzband niederfrequente Komponenten einen großen Anteil haben. Die Schallleistung bei 1 Hz ist dabei mit 3 dB(A) am höchsten und liegt damit 100 dB(A) über dem Schallleistungspegel bei 96.4 Hz. Die Schallleistung im Terzband bei 11.5 Hz macht 200 % der einphasigen hohen Antischallleistung aus. Daher lässt sich feststellen, dass die Interferenz in der Schallfeldverteilung des Reaktors durch die 1-Hz-Schallwelle verursacht wird.
II. Experimente mit porösen Materialien und mikroperforierten Platten
Im Bereich der Lärmschutzplanung ist es oft schwierig, die gewünschte Lärmminderung durch die Verwendung eines einzelnen Materials für Schallabsorption und Wärmedämmung zu erreichen. Daher werden häufig Kombinationsstrukturen aus schallabsorbierenden Materialien eingesetzt. Insbesondere in Innenräumen mit großem Volumen und langer Nachhallzeit ist diese Anwendung weit verbreitet. Um die für den Lärmschutz in Höchstspannungs-Umspannwerken geeignete Schallabsorptionsstruktur zu untersuchen, müssen zunächst die Dämm- und Flammschutzeigenschaften des Materials berücksichtigt und anschließend spezifische Maßnahmen kombiniert werden, um die optimale Schallabsorptionsstruktur zu bestimmen.
Derzeit werden in den Schallschutzgehäusen von UHV-Umspannwerken Lochbleche und schallabsorbierende Materialien zur Lärmreduzierung eingesetzt. Die Wirkung ist jedoch im Niederfrequenzbereich unzureichend. Daher müssen die Schallquelleneigenschaften der Hauptgeräte des UHV-Umspannwerks kombiniert werden. Nach der Festlegung der spezifischen Lärmminderungsmaßnahmen ist die Auswahl poröser schallabsorbierender Materialien und die Wahl der schallabsorbierenden Struktur entscheidend für die Lärmkontrolle im Umspannwerk. Im Folgenden werden drei Proben aus mikroperforierten Blechen, Melaminschaum und Schaumzement ausgewählt und für Experimente miteinander kombiniert.
- Doppellagige mikroperforierte Plattenkombination
Versuchsproben von mikroperforierten Platten: Die Perforationsrate der mikroperforierten Plattenprobe 1 beträgt 1.5 %, die Plattendicke 1 mm und der Porendurchmesser 0.7 mm; die Perforationsrate der mikroperforierten Plattenprobe 2 beträgt 1.1 %, die Plattendicke 1 mm und der Porendurchmesser 0.7 mm; bei der mikroperforierten Plattenprobe 3 beträgt die Perforationsrate 0.7 %, die Plattendicke 1 mm und der Lochdurchmesser 0.7 mm.
Zwei Versuchsreihen wurden mit der doppellagigen mikroperforierten Plattenkombination durchgeführt. Versuch 1 bestand aus einer Kombination der mikroperforierten Plattenprobe 2 mit der mikroperforierten Plattenprobe 1, Versuch 2 aus einer Kombination der mikroperforierten Plattenprobe 1 mit der mikroperforierten Plattenprobe 3. Zwei Versuchsreihen mit der doppellagigen mikroperforierten Plattenkombination zeigten, dass der Schallabsorptionskoeffizient bei 100 Hz etwa 0.7 beträgt und der Maximalwert in beiden Versuchsreihen zwischen 500 und 600 Hz liegt. Im Frequenzbereich über 600 Hz nimmt der Schallabsorptionskoeffizient allmählich ab.
- Kombination aus Schaumbeton und mikroperforierter Platte
Zunächst wurde eine schallabsorbierende Struktur aus Schaumzement und einer einlagigen mikroperforierten Platte verwendet. Zwei Experimente mit unterschiedlichen Parametern wurden durch die Kombination von Schaumzement und einer einlagigen mikroperforierten Platte durchgeführt. In beiden Experimenten wurde der Schaumzement vor der mikroperforierten Platte platziert.
Zwischen den Daten aus Experiment 3 und Experiment 4 gibt es kaum Unterschiede. Die Schallabsorptionsleistung der kombinierten Struktur ändert sich grundsätzlich nicht, selbst bei geringfügigen Änderungen der Dicke des Schaumzements und des Abstands zwischen Schaumzement und mikroperforierter Platte. Bei 100 Hz liegt der Schallabsorptionskoeffizient bei etwa 0.4, bei 250 Hz erreicht er sein Maximum und bei etwa 900 Hz erreicht er erneut den Maximalwert des Schallabsorptionskoeffizienten.
- Melaminschaum und mikroperforierter Plattenkombination
Es wurden zwei Versuchsreihen mit der Kombination von Melaminschaum und einlagigen mikroperforierten Platten durchgeführt. In beiden Versuchsreihen wurde Melaminschaum vor den mikroperforierten Platten platziert. Die Schallabsorptionskoeffizienten bei 100 Hz liegen in beiden Versuchsreihen alle bei etwa 0.7, zwischen 100 Hz und 500 Hz liegen sie alle über 0.7. Bei etwa 500 Hz sinkt der Schallabsorptionskoeffizient, steigt jedoch mit zunehmender Frequenz allmählich an. Diese Kombination bietet eine relativ ideale Schallabsorption sowohl im Nieder- als auch im Hochfrequenzbereich.
Ⅲ. Analyse der experimentellen Ergebnisse
Entsprechend den Eigenschaften der Geräuschquelle der Hauptausrüstung des UHV-Umspannwerks, die im Niederfrequenzband deutlich hervortritt, wurden Experimente mit einer mikroperforierten Plattenverbundstruktur, einer Schaumzement-Mikroperforationsplatten-Verbundstruktur und einer Melaminschaum-Mikroperforationsplatten-Verbundstruktur durchgeführt. Die Testergebnisse zeigen, dass alle drei Kombinationsschemata eine gewisse Schallabsorption im Niederfrequenzband erzielen können. Die praktische Anwendung erfordert jedoch spezifische Maßnahmen zur Geräuschreduzierung.
- Mikroperforierte Plattenkombinationsstruktur
Doppellagige mikroperforierte Platten können den Schallabsorptionsfrequenzbereich einlagiger mikroperforierter Platten erweitern. Das Prinzip des kombinierten Designs basiert auf dem Prinzip der Impedanzanpassung und besteht darin, dass die Perforationsrate der vorderen Schicht der mikroperforierten Platten größer ist als die Perforationsrate der hinteren Schicht. Das kombinierte Design mikroperforierter Platten kann bei einer Dicke der gesamten kombinierten Struktur von 0.7 cm einen Schallabsorptionskoeffizienten von über 150 im Frequenzbereich von 800 bis 20 Hz erreichen. Bei einer Dicke der gesamten kombinierten Struktur von 30 cm kann ein Schallabsorptionskoeffizient von über 0.7 im Frequenzbereich von 100 bis 800 Hz erreicht werden.
- Verbundstruktur aus geschäumtem Zement und mikroperforierten Platten
Durch das Hinzufügen von Schaumzement vor der mikroperforierten Platte kann das Frequenzband der Schallabsorption der mikroperforierten Platte erweitert werden, und der Schaumzement kann auch eine feuerfeste Funktion erfüllen.
Schaumzement und eine einlagige mikroperforierte Platte erreichen bei einer Gesamtstrukturdicke von 0.7 cm einen Schallabsorptionsgrad von über 150 im Frequenzbereich von 1000–20 Hz. Schaumzement und zweilagige mikroperforierte Platten erreichen bei einer Gesamtstrukturdicke von 0.7 cm einen Schallabsorptionsgrad von über 150 im Frequenzbereich von 1400–20 Hz. Bei einer Gesamtstrukturdicke von 30 cm erreicht man einen Schallabsorptionsgrad von über 0.7 im Frequenzbereich von 100–1400 Hz. Gleichzeitig gilt: Je geringer die Rohdichte von Schaumzement, desto größer die Porosität und desto besser die Schallabsorption im niederfrequenten Bereich.
- Für die kombinierte Struktur von schallabsorbierendes Material und mikroperforierte Platte. Das schallabsorbierende Material kann das schallabsorbierende Frequenzband der mikroperforierten Platte erweitern und den Abstand zwischen der schallabsorbierenden und der mikroperforierten Platte vergrößern. Der Schallabsorptionskoeffizient mittlerer und hoher Frequenzen steigt, und die Schallabsorptionsspitze verschiebt sich zu niedrigen Frequenzen. Durch Erhöhung der Dicke des schallabsorbierenden Materials sinkt der Schallabsorptionskoeffizient niedriger Frequenzen leicht, während der Schallabsorptionskoeffizient mittlerer und hoher Frequenzen steigt. Durch Erhöhung der Dicke der Hohlraumschicht hinter der mikroperforierten Platte kann die Schallabsorption niedriger Frequenzen erhöht werden. Schallabsorbierende Materialien und doppellagige mikroperforierte Platten weisen eine bessere Schallabsorption und breitere schallabsorbierende Frequenzbänder auf als schallabsorbierende Materialien und einlagige mikroperforierte Platten.
Aus der Analyse experimenteller Daten geht hervor, dass Melaminschaum plus eine einlagige mikroperforierte Platte einen Schallabsorptionskoeffizienten im Frequenzbereich von 0.6–200 Hz erreichen kann, wenn die gesamte kombinierte Struktur eine Dicke von 1600 cm beträgt. Wenn die gesamte kombinierte Struktur eine Dicke von 20 cm beträgt, kann ein Schallabsorptionskoeffizient im Frequenzbereich von 30–0.6 Hz von über 100 erreicht werden. Melaminschaum plus doppellagige mikroperforierte Platten können einen Schallabsorptionskoeffizienten im Frequenzbereich von 1600–0.7 Hz erreichen, wenn die gesamte kombinierte Struktur eine Dicke von 200 cm beträgt. Wenn die gesamte kombinierte Struktur eine Dicke von 1600 cm beträgt, kann ein Schallabsorptionskoeffizient im Frequenzbereich von 20–30 Hz von über 0.7 erreicht werden.
Basierend auf der Analyse der Rauschfrequenzeigenschaften des UHV-Haupttransformators und des Hochspannungs-Shunt-Reaktors konzentriert sich die Rauschenergie des UHV-Haupttransformators hauptsächlich auf 100–200 Hz, die Rauschenergie des Hochspannungs-Reaktors hingegen hauptsächlich auf 100 Hz. Um ein geräuschreduzierendes Material auszuwählen, müssen die Frequenzen der beiden Hauptgeräuschquellen kombiniert werden. Gleichzeitig müssen die Methoden zur Geräuschreduzierung mit der örtlichen Auslegung des Umspannwerks kombiniert werden, um den Lärm durch die optimale Kombination von Materialien und Methoden zu kontrollieren.
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