СИГРЭ-72 - Подстанции переменного тока - Снижение шума от трансформаторных подстанций

Возрастающая потребность в электроэнергии приводит к сооружению трансформаторных подстанций в непосредственной близости к жилым районам, увеличению единичной мощности и количества агрегатов на одной подстанции. Наибольшими источниками шума являются силовые трансформаторы и воздушные выключатели высокого напряжения.

1. Силовые трансформаторы. Хотя в снижении шума, создаваемого трансформаторами, достигнут некоторый прогресс, население продолжает жаловаться на явно возросший уровень шума и на то, что этот вид шума легко опознается в основном в тех районах, где имеет место слабый шумовой фон.

Поэтому приходится снижать шум, создаваемый подстанцией, до уровня, приемлемого для населения. Это достигается установкой звукоизолирующих устройств, выбор которых зависит от требуемого уровня снижения шума, общей планировки подстанции и ее местоположения.
Чтобы избежать больших дорогостоящих и малоэффективных работ при эксплуатации, необходимо на стадии проектирования проводить акустические исследования установки.
Допустимые пределы для окружающих территорий. Выбор уровня шума, допустимого для окружающей местности, является очень трудной задачей, поскольку реакция людей на шум зависит от ряда субъективных факторов. При оценке вероятности жалоб необходимо учитывать ранее существовавший уровень шума, который существенно различен в жилых и индустриальных районах с учетом интенсивного движения транспорта; имеют значение также длительность шума и спектр его частот. Величины максимумов могут колебаться от 30 до 75 дБ (А) в зависимости от времени суток, района, непрерывности шума и величины частоты. Нужно также учитывать разницу между уровнями шума при работающей и неработающей установках. Если разница превышает 5 дБ (А), очень вероятно, что будут жалобы.
Распространение шума. После выбора предельного уровня шума должен быть рассмотрен действительный уровень, создаваемый подстанцией при размещении ее в предполагаемом месте.
Оцененный уровень шума в каждой точке должен быть изучен для каждого конкретного случая в соответствии с размещением подстанции и количеством устанавливаемых на ней силовых трансформаторов и их характеристиками, с учетом всех особых условий распространения, которые могут создавать отражающие тела или поверхности, для которых в расчете должно быть учтено следующее:
отражающий эффект стен или зданий +3 дБ;
экранирующий эффект (стены, противопожарные перегородки) — 5 дБ.
Должен быть сделан специальный расчет для каждой площадки жилого дома или других особых объектов, прилегающих к подстанции.
В качестве звукоизолирующих устройств могут быть применены как простейшие ограждения, так и более капитальные сооружения. В каждом случае выбор будет зависеть от окружающей местности и, в частности, от направления, в котором должно быть осуществлено уменьшение шума; требуемой величины этого уменьшения; формы и размеров трансформаторов и способа их присоединения (это, правда, влияет незначительно).
В таблице для каждого типа ограждающего трансформатор устройства приведены средние значения величины уменьшения шума, направление, в котором он ограничивается, и некоторые требования к конструкции трансформатора и способу его присоединения.
Некоторые практические рекомендации. Экран выполняется сплошным, помещается между трансформатором и защищаемой зоной (например, жилым районом). В зависимости от требований экран может устанавливаться с одной, двух и даже трех сторон.
При конструировании экрана должны быть приняты в расчет следующие факторы:

источник звука предполагается размещенным на вертикальной оси примерно на 2/3 высоты бака трансформатора, а не в его геометрическом центре;
длина экрана должна быть по крайней мере в 2 раза больше его высоты;
полезная высота экрана должна определяться не от уровня земли, а от уровня прямой линии, соединяющей источник звука с защищаемой точкой.
На рис. 1 приведена номограмма, с помощью которой можно легко определить затухание, вызываемое экраном, вычисленное для приведенных выше условий в точке, находящейся на расстоянии примерно 30 м от экрана.
Расстояние от экрана, взятое на шкале, соединяется прямой линией с точкой, соответствующей высоте экрана на шкале h. При этом величина затухания, дБ, определяется по шкале.
Например, при расстоянии между экраном и источником 4 м и высоте экрана 5 м затухание равно 11,5 дБ.
Расчеты затухания, вызываемого экраном, показывают преимущество размещения последнего по возможности ближе к трансформатору.
Эффективность экрана уменьшается, если с противоположной стороны у трансформатора расположены поверхности, отражающие звук: здания, стены, садовые ограды.
Уровень звука может также усилиться (вплоть до максимума в 3 дБ) за счет отражения от экрана, однако этого можно избежать с помощью акустической обработки экрана со стороны трансформатора. Этот эффект наиболее вероятен при трехстороннем экранировании.

Рис. 1. Определение затухания, вызываемого экраном.
1 — расстояние между экраном и источником, м; 2 — полезная высота экрана, м; 3 —затухание, дБ.
Для получения достаточного затухания не обязательно сооружать экран из тяжелого материала — достаточен минимум массы 1 м2, равный 100 кг, однако эксперименты показали, что с механической точки зрения должны применяться материалы с минимальной массой в 150 кгс/м2. Фундаменты экранов и трансформатора должны быть выполнены независимыми. Также не должно быть механических связей между трансформатором и его вспомогательным оборудованием и экраном. Может быть выбран любой материал, обеспечивающий приведенные выше условия: бетон, кирпич и т. п. Если окажется необходимой акустическая обработка поверхности экрана со стороны трансформатора, во избежание отражения со стороны, противоположной защищаемой, лучше применять пустотелые бетонные блоки с толстой нижней частью, при необходимости упрочненные наружным покрытием. Резонирующая поверхность трансформатора, если это требуется, может быть покрыта стекловолокном, которое должно быть защищено от атмосферных воздействий соответствующим уклоном верхней части экрана. Бетонные блоки с пустотами представляют собой резонаторы, настроенные на частоты 100 и 200 Гц (рис. 2). Настройка выполняется заполнением пустот какими-либо предметами (например, камнями). Это дает значительное затухание (до 25 дБ).
Конструкции заводского изготовления. В этом случае экран выполняется из железобетонных панелей, вставляемых в пазы стоек из бетона или металла. Стыки между панелями и между стойками и панелями должны быть загерметизированы упругими материалами типа неопрена, пергамина и т. п.
Ограждение с открытым верхом выполняется соединением экранов, устанавливаемых с четырех сторон, при этом верх

Рис. 2. Ориентировочные размеры пустотелых бетонных блоков, используемых в качестве резонаторов.
1 — тип А, 100 Гц; 2 — тип В. 200 Гц.
(либо его часть) остается открытым. Такое ограждение пригодно для защиты окружающих подстанцию участков с одноэтажными постройками, если не требуется слишком большое ограничение шума. Оно заглушает шум (как трансформатора, так и воздушных охладителей, смонтированных на его баке. И. наконец, это не требует специальных устройств для осуществления высоковольтных вводов к трансформатору.
Высота и расположение ограждений проектируются так же, как и у экранов. Должен быть оставлен проход для обслуживающего персонала, а также отверстие достаточных размеров у основания панели для обеспечения доступа воздуха для внутренней вентиляции. Это отверстие должно быть расположено с той стороны, где утечка шума наименее нежелательна. Оно в Случае необходимости может быть снабжено глушителем или каким-либо другим звукоизолирующим устройством.
Как и для простых экранов, фундаменты ограждения и трансформатора должны быть выполнены независимыми и не иметь механической связи.
Стены должны быть достаточно массивными, однако нет необходимости применять массу свыше 150 кг/м2, так как даже если стена значительно ослабляет шум, он вое равно проникает через открытый верх. Все внутренние поверхности стен должны подвергаться акустической обработке подобно тому, как это описано для экранов, с тем чтобы устранить явления взаимного отражения от стен. Входные двери могут быть двойными металлическими с уплотнениями.
Учитывая высокую стоимость съемных секций стены и их относительно ограниченную акустическую эффективность, представляется предпочтительным предусматривать со стороны прохода к трансформатору стационарную стену, но сооружаемую только после монтажа трансформатора. Если в будущем потребуется установка другого трансформатора (что бывает относительно редко), стена может быть разобрана и восстановлена вновь после окончания работ. Проектом должна быть предусмотрена достаточная прочность конструкций во время выполнения такой работы.
Ограждение с открытым верхом должно вентилироваться за счет отверстий достаточных размеров. Если позднее устанавливается вентилятор, должны быть приняты специальные меры для снижения шума (установка на гибкую прокладку или применение глушителя). Это отверстие должно автоматически закрываться при пожаре.
Металлический кожух с облицовкой из звукопоглощающего материала. Кожух состоит из отдельных многослойных панелей, число которых может быть различным в зависимости от размеров трансформатора. Размеры боковых панелей могут составлять от одного до нескольких метров и быть значительно меньшими для верхней части трансформатора из-за наличия выводов, различных труб и т. п., особенно устройства для переключения отводов обмоток. Панели могут крепиться непосредственно к баку трансформатора на расстоянии, равном нескольким сантиметрам, с помощью эластичных соединений, которые предотвращают вибрацию. Кожух должен устанавливаться на независимом фундаменте во избежание передачи вибрации. Стыки панелей в местах их соединений между собой и с основанием должны быть уплотнены, например, при помощи каучуковых прокладок.
Ослабление шума, достигаемое с помощью такого устройства, может изменяться в широких пределах в зависимости от вида конструкции. При одном исполнении на трансформатор навешиваются панели, имеющие в сечении от наружной стороны до внутренней пластину из мягкой стали толщиной 3 мм, слой стекловаты толщиной 30 мм, лист свинца толщиной 5 мм, второй слой стекловаты толщиной 70 мм, пластину из мягкой стали толщиной 2 мм. При этом обеспечивается снижение шума от 10 до 15 дБ (А).
Комплект из двух слоев стекловолокна и листа свинца покрывается пленкой из терфана для защиты от увлажнения.
При втором исполнении, состоящем из двух укрытий в виде двух металлических стен каждое, разделенных полимерным материалом, можно получить снижение шума примерно на 35 дБ (А).
При этих исполнениях агрегаты воздушного охлаждения располагаются вне кожуха, и поэтому создаваемый ими шум не снижается. В связи с этим они должны, если это возможно, располагаться с той стороны кожуха, где они будут причинять наименьшие неудобства. Если этого недостаточно, может оказаться необходимым устройство специальной защиты, например экрана.
Каменные укрытия. Если уровень шума трансформатора таков, что необходимо снижение его на 25 дБ или более, единственно приемлемым является сооружение укрытия из блоков. Возможны два решения, зависящие от размеров укрытия.
При больших размерах укрытия трансформатор нормального типа наружной установки размещается там вместе с охладителями, расширителем и т. п. Присоединения со стороны высокого напряжения могут быть из гибких неизолированных проводов, вводимых в укрытие через проходные изоляторы или при помощи кабелей. В этом случае снижается шум как трансформатора, так и его охладителей.
При укрытии значительно меньших размеров туда помещается только трансформатор, так что шум от охладителей не ослабляется. Для ограничения шума охладителей должны быть приняты те же меры, что и при использовании металлического кожуха. Применение такого укрытия оказывает значительное влияние на устройства для присоединения трансформатора.

При присоединениях гибкими проводами трансформаторные вводы первичной обмотки необходимо реконструировать с тем, чтобы иметь возможность пропустить их через верхнюю плиту укрытия. Для этого применяются стальные цилиндры, удлиняющие вводы. Присоединения к обмоткам низших напряжений до 30 кВ выполняют или кабелями, или удлиненными вводами. Когда трансформатор присоединяется кабелями, необходимо вместо обычных фарфоровых вводов применять кабельные вводы. В этом случае размеры укрытия могут быть уменьшены до минимума, необходимого для монтажа и обслуживания.
В обоих случаях при выборе сечения кабелей необходимо учитывать воздействие высокой окружающей температуры.
Для эффективного использования таких укрытий существенно соблюдение необходимых мер для их механической изоляции от стен, фундаментов и вспомогательных устройств трансформатора, а также для герметизации всех отверстий. Обеспечить последнее требование нелегко из-за большого количества вводов и труб, проходящих сквозь стены.
Для снижения шума на 15—25 дБ (А) необходимо применение материала, имеющего массу от 300 до 400 кг/м2. Увеличение массы свыше 400 кг/м2 не дает заметного эффекта. Для стен могут быть использованы бетонные блоки или кирпич, предпочтительно создающие резонатор Гельмгольца, а верхняя плита выполняется из железобетона.
Монтаж или замена трансформатора производятся так же, как было описано для варианта ограждения с открытым верхом. Основная конструкция здания должна быть запроектирована так, чтобы обеспечить в случае необходимости возможность разборки стены со стороны входа. Она должна также предусматривать подвески для съемных плит, что необходимо при демонтаже части укрытия, например для доступа к переключателю ответвлений.
Укрытия заводского изготовления могут выполняться из плит из ячеистого бетона определенных размеров, доставляемых на место и прикрепляемых к раме, конструкция которой должна отвечать требованиям демонтажа, описанным выше. Плиты стен соединяются «насухо» при помощи двух прокладок из пористого пластика. Пояса фермы в местах примыкания плит уплотняются с помощью специальных накладок и прокладок из пластика. Прокладки между плитами кровли менее ответственны и могут изготавливаться из пластичных битумных компаундов.
В обоих случаях расстояние между баком трансформатора и стеной укрытия должно приниматься таким, чтобы не быть кратным длине звуковой волны.
Все проходы в стеновых плитах и плитах кровли должны быть сделаны так, чтобы можно было осуществить полную герметизацию и исключить передачу вибрации. Это можно осуществить с помощью прокладок из рубероида, неопрена или любого другого материала с аналогичными характеристиками. Там, где выводы среднего напряжения независимые, они обычно монтируются на вспомогательной плите, изготовляемой в зависимости от ее размеров из легких сплавов или, предпочтительнее, многослойной из легких сплавов и звукопоглощающих материалов.
Наряду с механической изоляцией от стен трубы к воздушным охладителям должны иметь эластичные уплотнения, располагаемые между трансформатором и стеной укрытия.
Персонал может входить внутрь укрытия через одну или две металлические двери с двойной обшивкой и уплотнениями; зазор между обшивками должен быть заполнен песком или звукопоглощающим материалом большой плотности (около 300 кг/м2).
Систематические замеры показали, что температура внутри невентилируемого укрытия примерно на 20—30 °С ниже температуры трансформаторного масла.
Если система воздушного охлаждения размещена вне укрытия, то для трансформаторов мощностью до 35—40 MB-А устройство вентиляции самого укрытия не требуется.
При агрегатах большой мощности может оказаться необходимым устройство внутренней вентиляции укрытия. Для этого один вентилятор соответствующей производительности ставится в отверстие для притока свежего воздуха или в системе вытяжки горячего воздуха. Такое решение необходимо при размещении воздухоохладителей вне укрытия. Чтобы не снижать эффективности укрытия, вентилятор должен устанавливаться внутри пего или у отверстия для вытяжки горячего воздуха и снабжаться шумоглушителем. Каждое вентиляционное отверстие должно для глушения звука иметь обрамление из стекловаты, удерживаемое в нужном положении с помощью металлической сетки или перфорированного металлического листа. Вытяжка горячего воздуха может осуществляться через шахту Z-образпой формы, возвышающуюся над кровлей укрытия, выполненную из пустотелых бетонных блоков; вентилятор устанавливается на входе вытяжки.
На рис. 3 приведена трансформаторная установка с наружными воздухоохладителями.
Камеры внутри зданий применяются главным образом при установке трансформаторов в центрах городов, иногда в очень больших зданиях, в которых размещаются также распределительные устройства высшего и среднего напряжений. Существуют даже подземные установки такого типа.
Для таких установок желательный уровень снижения шума высок, и решения, получаемые при применении описанных выше укрытий, являются вполне приемлемыми. В этом случае такое укрытие образует комнату внутри здания.
В таких подстанциях, однако, невозможно устанавливать устройства воздушного охлаждения снаружи. В зависимости от конкретных условий приходится делать выбор между следующими двумя решениями:
использованием водяного охлаждения с установкой циркуляционных насосов внутри укрытия;
размещением устройства воздушного охлаждения вне кожуха, по в трубе большого диаметра, спроектированной по тем же правилам, что и укрытие трансформатора, выведенной выше кровли здания и отведенной на возможно большее расстояние от окружающего жилья.
Отверстие для забора воздуха располагается под воздухоохладителями, установленными горизонтально вплотную к низу трубы, так чтобы воздух всегда циркулировал сквозь них. Часть трубы между воздухоохладителями и кровлей может быть выполнена из бетонных блоков, заполненных звукопоглощающим материалом. Нет необходимости устанавливать вспомогательный вентилятор, так как воздух циркулирует под давлением, создаваемым вентиляторами устройства воздушного охлаждения.

Рис. 3. Установка трансформатора внутри укрытия с наружными охладителями. а — разрез; б — план; 1— шумоглушитель на выпуске воздуха; 2— трансформатор; 3 — вытяжной вентилятор; 4 — шумоглушитель на заборе свежего воздуха; 5 — воздухоохладитель; 6 — вход.
Насосы, обеспечивающие циркуляцию масла между воздухоохладителями и трансформатором, устанавливаются внутри укрытия.
Может оказаться более сложным выполнение фундамента трансформатора полностью независимым от фундаментов здания. Передача вибрации может быть значительно уменьшена и даже ликвидирована применением амортизирующих прокладок между трансформатором и его фундаментом.
2.2. Шум выключателей. В отличие от трансформаторного шума длительность шума выключателей не превышает 1 с, что создает трудности при измерении его интенсивности, зависящей главным образом от типа выключателя. Из-за кратковременности этого шума правила, регулирующие снижение уровня индустриального шума, не могут быть применены непосредственно и должны быть установлены иные критерии.
Следует также отметить, что в нормальных условиях срабатывание выключателей происходит редко.
В то время как масляные и элегазовые выключатели производят лишь незначительный шум, шум, производимый воздушными выключателями, может достигать значительной интенсивности, что является особенно неприемлемым при размещении подстанций вблизи жилых районов.
Поскольку не существует нормативных документов касающихся мер, которые следует принимать в этом случае, можно опираться лишь на практический опыт действующих подстанций, подытоженный ниже:
отключение и включение выключателей создает шумы, уровень которых существенно различен;
наибольший шум появляется при отключении воздушного выключателя главным образом из-за выпускаемого воздуха. Механическая вибрация рамы в результате реакции оборудования незаметна;
шум распространяется перпендикулярно осям выключателей;
уровень шума, создаваемого при 3-фазном отключении, примерно на 5 дБ выше, чем шум при отключении одного полюса.
В ряде стран непосредственно на оборудовании устанавливаются глушители. Значительное снижение уровня шума, иногда до 20 дБ. зарегистрировано без заметного снижения величины отключаемой мощности.