新型降噪材料 助力建设“宁静变电站”

噪声污染防治与人民群众生活息息相关，是生态文明建设的重要内容。近年来，国家相继出台了新版《中华人民共和国噪声污染防治法》《“十四五”噪声污染防治行动计划》等法律和政策，对改善声环境质量要求逐步提高。

在电力行业领域，伴随着居民、企业用电需求增长，不少变电站建在了城市中心。做好站内变压器、电抗器等设备运行产生的低频噪声防治工作至关重要。国家电网有限公司始终践行保护环境基本国策，不断加大噪声污染治理力度。国网智能电网研究院有限公司在噪声振动控制材料、降噪装置、降噪设计等方面开展技术攻关，取得了一系列具有自主知识产权的科技成果，在此基础上，承接了全国近140项降噪工程，取得了良好的环境和社会效益。近期，国网智研院又研发了声学超构材料及相关降噪装置，突破了传统降噪材料的声学极限。

突破传统材料声学性能极限

变电站中变压器、电抗器等设备产生的电磁噪声属于典型的线谱噪声。此类噪声以低频率（800赫兹以下）为主，其中100赫兹、200赫兹、300赫兹、400赫兹频率噪声占设备整体噪声的50%以上，噪声波长大、衰减慢、绕射能力强。此类噪声与站内风机、金具等产生的高频率噪声叠加后具备宽频特性，进一步增加了治理难度。

变电站降噪装置的应用场景复杂。以邻近厂界的电抗器为例，设备被厂界围墙和两侧防火墙包围，降噪装置的安装空间有限，进而提高了对降噪装置材料性能的要求。目前，变电站降噪常用的矿棉类、共振类吸声材料的声学性能已达极限，利用加重、加厚材料及改进相关材料声学结构等传统技术提升降噪水平的效果有限。特别是对于100赫兹频率噪声，现有材料无法实现针对性控制。因此，亟须研发应用新的吸声材料来阻断变电站噪声的传播。

声学超构材料是一种具有天然材料所不具备性能的人工复合材料，其超常的性能不是来自天然材料的基本属性，而是来自人工设计的亚波长结构。研究人员设计材料功能基元，并进行空间序构，从而制备具有超常物理性能的人工材料。例如，在声波的作用下，材料物理单元的加速度方向与声波作用力相反，这种材料属于负等效质量密度超构材料。在力的作用下，材料的形变方向与作用力方向相反，即材料受拉时体积收缩，材料受压时体积膨胀，这种材料属于负弹性模量超构材料。通过调整声学参数，声学超构材料可在特定频率上具备超常物理特性，进而突破传统降噪材料的声学极限，大幅提升降噪效果。

降噪能力明显优于常规材料

为提升变电站低频噪声治理效果，自2020年起，国网智研院联合南京大学和比亚迪汽车工业有限公司等单位成立研发团队，开展变电站用多功能一体化声学超构材料研究。

声学基元、空间序构是决定声学超构材料各项物理特性的关键参量和基本要素。声学基元是构成声学超构材料的基本物理单元，具有独立的声学功能，也可与其他基元联合作用。空间序构是在三维空间上将这一物理单元按照一定规律和方式进行周期性重复排布组合。研发团队基于长短程耦合、等效介质等理论，通过仿真建模和声阻抗测试等，开发了阶梯式共鸣腔声学基元。研究发现，共鸣腔声学基元在特定频率上具备突出的声学性能优势，而这种特定的频率可通过改变共鸣腔尺寸来调整。针对100赫兹、200赫兹、300赫兹、400赫兹噪声分别设计特定尺寸的共鸣腔，再进行空间序构，理论上可大幅提升降噪效果。研发团队采用这一思路，通过统计分析和机器学习方式对多个声学基元的叠加方式、分布特性、耦合关系和亚波长特性等进行迭代优化，结合3D打印加工工艺，研制了低频降噪性能突出的声学超构材料。该材料针对100赫兹、200赫兹、300赫兹、400赫兹频率噪声的吸声系数均超过0.9，针对1100～1600赫兹频率噪声的吸声系数不低于0.7，突破了传统吸声材料的技术瓶颈。同时，该材料的基体材料采用了防火、防腐、耐候等多功能设计，可支撑该材料长期安全服役。

研发团队基于这种声学超构材料已研发出声屏障、隔声罩、消声器、吸声壁面等系列降噪装置。这些装置均通过了DL/T2085—2020《变电站降噪材料和降噪装置技术要求》规定的全套试验。与同规格常规装置相比，声学超构材料降噪装置重量下降约50%，整体降噪效果提升了5～7分贝。

在变电站降噪工程中应用效果良好

目前，基于声学超构材料研发的声屏障、隔声罩降噪装置已在部分变电站降噪工程中示范应用，噪声控制效果良好。

2023年，河北承德110千伏双塔山变电站降噪工程采用了基于声学超构材料研发的声屏障，厂界噪声敏感区全部被纳入声屏障的声影区范围；承德10千伏富华新天地配电站降噪工程采用了基于声学超构材料研发的隔声罩后，配电变压器的噪声传播通道被全面阻断。经测试，2座变电站厂界噪声均降低了9分贝，比国家标准规定的1类声环境功能区噪声限值分别低了2分贝和4分贝。基于声学超构材料的降噪装置运行安全稳定，实现了常规变电站降噪装置难以达到的中低频高效、宽频覆盖的吸声效果。

该技术成果的研究应用攻克了变电站低频线谱噪声高效治理的难题，大幅提升了变电站噪声治理效果，为推动电网绿色发展提供技术支撑。