作者：张毅
噪声是变电站（换流站）内影响运行人员健康、高效工作的重要物理因素，其主要表现为对听力的影响。研究表明，人在100 dB(A)左右的环境中工作时会感到刺耳、难受，甚至引起暂时性耳聋等，在噪声级85～90 dB(A)的环境中工作几十年，耳聋的可能性高达15%左右。换流站噪声不仅干扰运行人员获取有用的声音信号、信息，还会导致疲劳，影响正常的休息和睡眠，容易出现易激、烦躁等现象，对人体的生理和心理产生非常不利的影响，、
变电站运行人员实行巡检的作业方式，一般执行三值运转方式，工作2天、休息4天，或工作4天、休息8天，单个工作周期内，某些超高压变电站的巡视时间长达480 min（以工作2天为例），每周工作时间中平均巡视时间长达560 min。通常情况下，换流站比超高压变电站占地面积大、巡视时间长，且换流站内某些设备噪声水平更高．如换流变、换流阀等，长时间接触势必给运行人员的身心健康带来极其不利的影响。因此，需要研究噪声控制技术，将换流站运行人员职业接触噪声控制在人耳的可接受水平，以保护运行人员的身心健康。
鉴于此，本研究以换流站的设备噪声产生机理为切入点，以国内不同电压等级（包括超高压、特高压）换流站现场实测噪声数据为分析依据．从声源控制、隔声控制、人员防护3个方面提出噪声控制措施。
1 测量方法
噪声测点沿着换流站运行人员巡视路线进行选择，户外测点包括换流变压器、平波电抗器、交流滤波器等主要噪声源设备，户内测点重点针对换流阀厅内。噪声测量依据DL/T 799.3-2010《电力行业劳动环境监测技术规范第3部分：生产性噪声监测》，传声器在地面以上的高度均为1.5 m。声级计采用丹麦B&K公司的B&K2250精密积分声级计，选用A计权网络，声级单位为dB (A)。测量前后使用声校准器校准仪器，示值偏差不大于2 dB，户外测量时传声器加防风罩。采样时，仪器动态特性为“慢”响应，采样时间间隔30 s，每个测点测量3次，取其平均值。背景噪声等效连续声压级为47.8 dB(A)，近场噪声测量结果依据《工业企业厂界环境噪声排放标准》进行修正。
2换流站职业接触噪声分析
2.1 换流阀阀厅
换流阀作为换流站的核心设备．是运行人员重点巡视部位，一般巡视时间持续45～60 min,其中红外测温时，巡视时间长达90～120 min。换流阀噪声水平直接影响着作业人员的职业接噪水平。
换流站一般包括2个12脉动阀组，分别布置于2个阀厅内．每个脉动阀由多个串联的晶匣管组件和电抗器组件组成。阀厅噪声的成因十分复杂，除了阀体的振动与发热所导致的噪声外，还包括阀电抗器电磁应力振动所引起的噪声。换流阀内可控硅电压快速变化、点火、熄弧等过程引起暂态干扰电压和电流．沿着换流阀及电气设备产生辐射。同时．干扰电流沿着换流变压器和开关场传播至交直流架空电力线路上产生传导噪声，导致附加辐射噪声。
图1为换流阀噪声频谱，测点设置在极I阀厅内部巡视通道上（苏州站为极I高压阀厅）．从图1可以明显看出噪声频谱主要是线谱．整个频带内分布比较均匀．50 Hz的偶数倍频上线谱声压级突出，高于500 Hz线谱密度较大．4个站阀厅内部的等效连续声压级分别为84.0 dB(A)、88.0dB (A)、91.2 dB(A)和87.9 dB(A)。测点最高峰值分别位于400 Hz（胶东站）、700 Hz（灵宝站）、950 Hz（宝鸡站）及600 Hz（苏州站），所对应的最高峰值处的声压级分别是83.6 dB、75.3 dB、78.7dB、86.3 dB。高于5 kHz，噪声能量仍较高，线谱的最高峰值大于60 dB。表明针对换流阀设备，除中低频能量较高、声压级超过75 dB外，高频处仍具有较高的能量。
2.2 换流变压器
换流变压器是换流站巾声压级最高的室外噪声源，也是运行人员每值的重点巡视部位，其噪声大小取决于运行负荷、设备型号等参数。换流变压器噪声一般包括2个部分贡献：构成铁芯硅钢片在交变磁场作用下磁致伸缩．使铁心随励磁频率变化做周期性振动：电流绕组巾产生电磁力。这两者共同作用激发结构件产生振动．向外辐射噪声。换流变压器在交变磁场的作用下，硅钢片的尺寸发生磁致伸缩．而磁致伸缩的变化周期为电源信号的半个周期，因此变压器的本体振动是以供电频率的2倍（即100 Hz）为基频．且有高次谐波的噪声成分。
在所测试的4个站点中，胶东站、苏州站为室内封闭式，仅冷却风扇裸露在外，灵宝站和宝鸡站为半封闭式，顶部裸露，四周有防火墙分隔。图2是4个不同电压等级换流变压器近场测点的噪声频谱图，测点布置在距离换流变压器1 m处．从图2可以明显看出50 Hz偶数倍频处线谱分量突出，4个站的换流变最高峰频率均位于400 Hz,幅值分别为96.5 dB（胶东站）、97.1 dB（灵宝站）、95.2 dB（宝鸡站）、103.6 dB（苏州站），均大于95dB,等效连续声压级分别为92.6 dB (A)、94.5 dB(A)、91.9 dB(A)、98.9 dB(A)，均在90 dB(A)以上。且特高压+800 kV苏州站的等效连续声压级远高于其他3个非特高压换流站．表明电压等级高低是影响换流变设备噪声的重要因素。高频段声级呈平缓下降趋势，频率高于5 kHz后，线谱最高峰值低于50 dB。
2.3平波电抗器
平波电抗器分为十式空芯和油浸式铁芯2种。干式空芯电抗器的线圈由一个或多个经过环氧树脂浸渍和密封线圈层组成的，由于直流电流和谐波电流的相互作用引起线圈振动成为其噪音产生的主要原因。油浸式平波电抗器的绕组和绝缘结构与换流变压器类似，噪声成因相同。油浸式电抗器采用分段式铁芯，分段铁芯之间存在的磁吸引力引起的振动是其产生噪声的重要原因。在所测试的换流站中，胶东站、苏州站使用的是特高压干式空芯平波电抗器，灵宝站、宝鸡站采用油浸式平波电抗器。
图3是4个换流站平波电抗器噪声频谱图．测点设置在距离平波电抗器1 m处。由于换流站是12脉冲桥结构，谐波主要是12次和24次谐波，对于50 Hz交流系统，平波电抗器噪音为600 Hz和1 200 Hz的谐波。从图3可以明显看出600 Hz和1 200 Hz峰值突出，能量较高。4个站平波电抗器的等效连续声压级分别为61.3 dB(A)（胶东站）、80.8 dB(A)（灵宝站）、77.1 dB(A)（宝鸡站）和60.1 dB(A)（苏州站）。油浸式平波电抗器的噪声水平明显高于干式平波电抗器，这与文献报道是一致的。中低频噪声能量较大，主要是由于平波电抗器与变压器的绕组和绝缘结构类似，而变压器噪声集巾在中低频，因此，平波电抗器在噪声控制技术方面可以参考换流变压器。
2.4 交流滤波器
特高压直流换流站中的谐波含量较多．为减轻其影响，在换流站中配置了大量的交流滤波器。交流滤波器组由滤波电容器和滤波电抗器构成，滤波电抗器一般采用干式空芯电抗器，其噪声形成机理与干式空芯平波电抗器类似，线圈受交替变化的电磁场作用激发周期性磁致伸缩振动产生噪声。电容器产生可听噪音本质上是由于单台电容器在多频率电场力作用下的受迫振动与其同有振动频率相近时的“共振”现象引起的。
图4是4个换流站交流滤波器组的噪声频谱图，测点布置在交流滤波器组之间巡视路线上。从图4可明显看出，50 Hz的偶数倍频上有突出的峰值，在600 Hz 出现更加突出、能量更高的尖锐峰值，除宝鸡站最高峰位于100 Hz外（峰值70.7dB)，其余3个站的最高峰均位于600 Hz．且600Hz附近能量更加集中，峰值分别为75.3 dB（胶东站）、61.2 dB（灵宝站）、77.8 dB（苏州站）。滤波器噪音频谱峰值主要由滤除的谐波频率决定．站内12次谐波滤波器噪声明显较大，主峰值相对明显。高于5 kHz时，声压级能量减小，基本低于20 dB。
表1列出了换流站不同噪声源主要噪声频谱特性。换流站各噪声源设备辐射的噪声，在50 Hz偶数倍频上线谱声压级突出，最高峰频率集巾在100～1 000 Hz频率范围内，能量主要集中在中低频。在高频范围表现不同．阀厅噪声能量仍然较高，且整个频谱上能量整体分布较高：换流变压器、平波电抗器、交流滤波器等作业场所的噪声能量随频率升高呈下降趋势，且几乎下降至50dB以下(≥5 kHz)。主要噪声源设备中，换流变压器是噪声影响最大的噪声源，整体超过95 dB,其次为换流阀，大约80 dB,这两处的噪声能量高，对运行人员的听力影响最大，作为巡视过程中的重点巡视场所，有必要采取措施将噪声控制在人耳可接受的水平。
3换流变电站可听噪声控制技术
按照声音的传播机理，可以从噪声源、传播途径和接受体3个方面控制换流站噪声。
3.1 声源控制
(1)换流变压器。铁芯和绕组作为变压器内部最为核心的部件，在降低变压器噪声的过程中，首先需要抑制磁致伸缩和绕组振动。在磁场强度相同的情况下，材质好的硅钢片磁致伸缩小，可使铁芯噪声在同样工作磁密下降低2～4 dB,因此，应尽可能选用优质硅钢片。在铁芯端面上涂环氧胶或聚酯胶，可增加铁芯表面张力约束，减少磁致伸缩量，降低噪声。绕组要适度加固，采用整体套装工艺，使得变压器的整个器身组成一个刚性结构，可有效增强器身的强度，提高抗短路能力，减小绕组振动。此外，设计时要选择合理的导线截面积、合理分布绕组的安匝，将漏磁面积减小到最小程度，使绕组轴向力达到最小，从而减小铁芯夹件受到的冲击力，降低噪声。
(2)换流阀。根据换流阀噪声来源可以通过换流站电气元件的适当组合或增加PLC滤波器来保证必要的衰减。另外，对于特高压换流站，高、低压阀厅分别采取面对面的布置方式，2个低压阀厅背靠背挨在一起．换流变压器一字排列布置在每个阀厅前．这种布置方式对降低可听噪声具有一定的效果。
(3)平波电抗器。对于干式平波电抗器，需要限制线圈的振动，通过调整结构尺寸、选择双层横截面等方法降低电抗器噪声：对于油浸式平波电抗器．由于其除铁芯外的其他结构与换流变压器结构类似．因此除了采取使铁芯柱整体化的方法外，可参考换流变压器的噪声控制技术。
(4)交流滤波器。对于滤波电抗器，其噪声形成机理与干式空芯平波电抗器类似，可以参考干式平波电抗器的降噪方法。对于滤波电容器，可以通过增加串联电容器元件的数目来减少内部的电介质应力和振动力．通过改进机械阻尼来压紧堆栈式电容器元件以提高电容器元件外壳的刚度．增加壳体的隔声量．在电容器支架上增加减震装置等降低交流滤波器的噪声。
从变压器铁芯、绕组等采取措施降低噪声是最主要的技术措施之一，但这些降噪技术往往受到经济成本制约而难以进一步提高。在现有的结构工艺前提下，仅采用性能优良的硅钢片来降低本体噪声，会导致变压器性价比下降。另外，通过改进铁芯、绕组材料、工艺、结构来降低噪声非常困难，相对技术要求较高、投入的费用也会很大，因此，有必要结合噪声的传播途径和特点，选择其他有效控制措施。
3.2传播途径的控制
对于已建成的换流站．还可以通过阻断噪声源的传播途径以降低噪声的影响。一般情况下，通过加装吸声材料或设置声屏障实现从传播途径上控制噪声。
按照吸声原理的不同．吸声材料主要分为多孔阻尼吸声材料和共振吸声材料两类。多孔阻尼吸声材料是依靠声波与孔壁的摩擦和热传导，以及声波与空气的粘滞阻力来损耗声能．一般对高频噪声有较好的吸附能力，如矿物质棉、聚氨酯泡沫、铝粉末烧结板等，尽管其成本较低，但其导热系数低的缺点在一定程度上限制了其大规模应用。共振吸声材料是利用亥姆霍兹共振器原理．依靠声波与材料的共振来损耗声能．如铝纤维吸声板、微穿孔吸声板或将两者复合的微孔纤维复合吸声板等，其在低频段吸声系数较高的优异性能在变电站噪声综合治理中前景广阔。
通常．设置声屏障采取well设计或box-in设计2种方式。Well设计是在换流变压器前部设置吸声、隔声屏，在防火墙、阀厅墙上安装复合式吸声体．利用两侧防火墙和阀厅墙体将换流变压器嵌入“井”内，可有效降低噪声量20 dB左右。box-in隔声结构是近年来根据换流变压器的安装特点发展起来的新型隔声结构。其实质是用带有通风散热消声器的隔音室把换流变压器本体封闭起来，把冷却风扇放在隔音室外面。此外，为了减小隔音室里的混响声．在隔音室两侧防火墙和阀厅侧防火墙上贴吸声体。计算表明，box-ln在远场的平均隔声量达22 dB(A)以上。现场测试表明，远场的实际降噪量能达到15 dB(A)。
从传播途径上采取隔声措施可以起到良好的降噪效果，灵宝换流站主控室与阀厅的对比频谱如图5所示。主控室和阀厅仅一墙之隔，从图5a）中可以看出，主控室的噪声不超过50 dB(A)，基本满足运行人员的工作需求。从图5b）隔声墙的隔声量谱图可以看出，中高频部分(≥500 Hz)的隔声量可以达到50～60 dB,尽管在低频处隔声效果较差，但在100 Hz也能达到30 dB的隔声量。主控室与阀厅之间的声压差超过40 dB(A)，表明阀厅的围墙隔声效果较好。
3.3人员防护
佩戴防护用品是噪声控制的最后一道防线．根据降噪原理的不同．防护用品包括“无源”噪声控制和“有源”噪声控制。
(1)“无源”噪声控制(passive noise control，PNC)。通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能．从而达到降低噪声的目的，属于无源或被动式的控制方法。从个体防护用品选用上，包括耳塞、耳罩等。一般情况下，耳塞选用隔声性能良好的材料，如玻璃纤维、高弹性聚酯材料、慢同弹性的泡沫塑料等，平均隔声量可以达到15～25 dB，使用方便，对中高频噪声具有较好的隔声效果．但佩戴时间过长易引起耳道疼痛。对于高频噪声和A声级高于100 dB的噪声场所，佩戴耳罩降噪效果相对明显，A声级隔声量可达30 dB以上。耳罩大多选用醋酸纤维素或ABS树脂，但其重量较重，易对耳廓产生压力，佩戴时间过长或高温下佩戴会产生不适感．所以耳罩适用于作业时间短的强噪声环境，如在换流变压器、阀厅内巡视时，耳罩是非常合适的选择。
复合材料可以提高隔声性能．近年来被广泛用于防护用品研究。高分子聚合物如树脂，通常具有很长的分子链，当受到声波作用发生周期性形变时，分子链间的摩擦可有效地损耗部分声能，因此高分子聚合物可作为隔声材料的基料，与吸声效果好的硅橡胶、玻璃纤维、金属纤维等复合后可以制备具有良好吸声效果的防护用品．在100～1 600 Hz范围内隔声效果可以达到13～37 dB,但是在使用过程中也会出现“过度保护”等现象。
(2)“有源”噪声控制(active noise control，ANC)。20世纪30年代，德国物理学家P．Lueg提出用有源消声代替被动噪声控制。有源消声法是应用电子技术和电声器件，设计一组理想的次级声源系统，该系统能产生与原噪声振幅相同而相位恰好相反的次级声源．因而能降低或抵消原来的噪声。有源护耳器可以大大改善低频隔声特性．其核心部件是控制器，可分为模拟式和数字式。模拟式从结构上可分为前馈式、反馈式及复合式。如果具有与初级噪声相关的参考信号可采用前馈式，通常情况下无法获得参考信号，反馈式系统就成为必然，但是其关键问题是确定系统的参数，以解决稳定性问题。复合式即结合前馈和反馈控制的特点，采用二阶模拟电路实现有源消声复合控制，解决二者的缺陷。数字控制器具有很高的可靠性，能精确产生复杂的传递函数，适用于多通道系统和复杂声环境的控制，但是控制器本身的声时延会对宽带噪声控制带来不利影响、
针对换流变电站内不同作业场所的职业接触噪声．从噪声源上，降低设备本体噪声技术难度大，费用高，且降噪水平有限：从传播途径上，隔声、消声、吸声技术对外部环境的降噪效果相对理想：然而对于站内运行人员，由于工作的特殊性需要近距离接触高噪声源设备．每个巡视周期仍需接触一定时间、一定剂量的高噪声辐射，佩戴防护用品成为噪声防护的必然选择．防护用品成本低，防护效果明显，巡视时佩戴，不会出现由于佩戴时间过长而产生不适感。针对本项目中测试的换流变电站，胶东站、苏州站为室内封闭式，噪声控制效果良好：灵宝站和宝鸡站为半封闭式，若将其改造为室内封闭式，需要对原有的建筑结构进行较大改造，造价较高。因此，综合考虑以上各因素．建议从接受体上进行噪声防护，将作业人员职业接触噪声控制在人耳可接受的水平，以保障作业人员的身心健康。
4结语
本文通过对不同电压等级换流变电站内换流变、阀厅等作业场所职业接触噪声的现场测试，确定了换流变电站噪声频谱特性．可为换流变噪声治理研究提供参考。
综合考虑噪声源、传播途径、接受体3个方面的噪声控制技术措施，在声源控制、传播途径改造造价较高的情况下，建议为作业人员佩戴防护用品，以将职业接触噪声控制在人耳可接受的水平。
5摘要：换流变电站可听噪声对作业人员职业健康具有一定的影响。为了将作业人员职业接触噪声控制在可接受的水平，对国内不同电压等级换流变电站内换流变压器、换流阀厅、平波电抗器、交流滤波器等作业人员职业接触噪声进行了现场测量与频谱分析。结果表明，换流变电站噪声能量主要集中在中低频．50 Hz偶数倍频上线谱声压级突出，频率集中在100～1 000 Hz频率范围内，除阀厅在高频部位能量仍然较高外．其他作业场所噪声在频率高于5 kHz后，声压级几乎下降至50 dB以下。基于此特点，从声源控制、隔声控制与人员防护3个方面提出了噪声控制措施。
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