CC BY
40
Zubarev Alexey Vladimirovich, candidate of military sciences, teacher, vkaamil.ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of A.F. Mozhajsky,
Kretuk Denis Aleksandrovich, candidate of technical sciences, teacher, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military-space academy of A.F. Mozhajsky
УДК 621.311.4-742; 504.06
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АКУСТИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПОНИЗИТЕЛЬНЫХ ПОДСТАНЦИЙ
Е.Н. Соснина, О.В. Маслеева, Р.Ш. Бедретдинов
При строительстве высоковольтных подстанций возможно отрицательное воздействие на окружающую среду. К физическим факторам воздействий подстанций на окружающую среду относятся электрическое и магнитное поле, электростатическое поле, электромагнитные помехи, шум. Основным источником шума на подстанциях являются силовые трансформаторы. Целью исследований является экологическая оценка акустического загрязнения окружающей среды высоковольтных подстанций напряжением 110...330 кВ при мощности трансформаторов от 10 до 1000 МВА, определение размеров санитарной зоны и при необходимости выбор способов уменьшения.
Ключевые слова: шум, трансформатор, шумозащитная полоса зеленых насаждений, экран, санитарно-защитная зона.
При строительстве электросетевых объектов возможно отрицательное воздействие на окружающую среду, которое может привести к изменению состояния животного и растительного мира, атмосферного воздуха, гидросферы, почвенного покрова и грунтов и, как следствие, повлиять на здоровье человека [1]. Поэтому для всех электросетевых объектов необходимо соблюдение действующих нормативов по охране окружающей среды и рациональному природопользованию, поскольку главным принципом охраны окружающей среды является презумпция экологической опасности.
Все подстанции (ПС) и воздушные линии (ВЛ) должны соответствовать современным техническим требованиям:
по охране атмосферного воздуха, водных объектов, почв, грунтов, естественных ландшафтов, растительного покрова, объектов животного мира;
соблюдения санитарных норм по качеству атмосферного воздуха, воды, отходам, электрическим и магнитным полям, шуму.
К физическим факторам воздействий на окружающую среду относятся электрическое и магнитное поле, электростатическое поле, электромагнитные помехи, шум. Вопросы оценки воздействия электромагнитного поля высоковольтных ПС и ВЛ изучены достаточно подробно. Однако учету акустического воздействия уделено мало внимания.
478
Основными источниками шума на ПС являются трансформаторы, вентиляционное оборудование, коронирование ошиновки и элементов оборудования. Основными источниками шума от ВЛ является коронирование проводов, изоляторов и арматуры, которое зависит как от напряженности электрического поля на поверхности проводов, так и от состояния поверхности проводов, плотности воздуха и погодных условий.
На всех электросетевых объектах должны предусматриваться мероприятия по обеспечению допустимых уровней звукового давления и уровней звука для населения и эксплуатационного персонала.
Уменьшение шума от электросетевых объектов должно проводиться по трем основным направлениям: снижение шума в источнике; снижение шума на путях его распространения; архитектурно-строительные и планировочные решения.
Цель исследований. Актуальным является оценка акустического загрязнения окружающей среды высоковольтной ПС напряжением 110...330 кВ при мощности трансформаторов от 10 до 1000 МВА, определение размеров санитарной зоны и выбор при необходимости способов защиты.
Были рассмотрены следующие варианты:
без применения способов уменьшения шума;
уменьшение шума с помощью экрана, роль которого играет внешнее ограждение высотой 3 и 4 м;
уменьшение шума с учетом влияния полосы зеленых насаждений шириной 30 м.
Источники шума трансформаторов. Основным источником шума на ПС являются силовые трансформаторы.
Шум трансформаторов [2, 3] вызывается вибрацией активной части, а также вентиляторами и насосами системы охлаждения. Вибрация активной части трансформатора обусловлена магнитострикционными и электромагнитными силами.
При перемагничивании магнитной системы трансформаторов индукция в ней достигает максимума дважды за один период частоты переменного тока, что соответствует двукратному изменению длины листов стали магнитной системы. Это ведет к периодическим колебаниям магнитной системы на удвоенной частоте переменного электрического тока (100 Гц). Магнитострикция содержит кроме первой и высшие гармоники.
Магнитная система испытывает воздействие сил магнитного притяжения. Звуки содержат гармоники 200, 300, 400, 500 Гц. Проводники обмотки вибрируют под действием сил взаимного притяжения при протекании в них переменного тока в режиме нагрузки. Частотный спектр содержит гармонику 100 Гц.
Для трансформаторов, имеющих систему охлаждения с принудительной циркуляцией воздуха (Д, ДЦ), шум, создаваемый вентиляторами, обычно является преобладающим. Звуковая мощность вентилятора зависит от его производительности, частоты вращения, конструкции. Шум вентиляторов преимущественно аэродинамического происхождения. Основной
479
шум вентиляторов находится в области 1000 Гц. Используемые в системах охлаждения маслонасосы имеют уровень звуковой мощности на несколько порядков ниже.
Уровни звуковой мощности трансформаторов пропорциональны их массогабаритным параметрам. Характерным для магнитных систем трансформаторов является густой спектр собственных частот в диапазоне 1... 3 кГц.
Нормирование шума. У человека постоянно находящегося под воздействием шума, что относится к населению, проживающего в районах с повышенным уровнем шума, могут появиться головные боли, повышенная раздражительность, быстрая утомляемость, снижение внимания, нарушения ритма сна [4], что в дальнейшем может вызвать функциональные изменения вегетативно-сосудистой и эндокринной систем. Для предотвращения вредного воздействия на организм человека устанавливают допустимые нормы.
Допустимые нормы на шум на рабочих местах установлены согласно СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах» [5] и составляют по уровню звука 80 дБА.
СП 51.13330.2011 «Защита от шума» [6] устанавливает предельно допустимые уровни звука на территории, непосредственно прилегающие к жилым зданиям: с 7.00 - 23.00 ч. 55 дБА; с 23.00 - 7.00 ч. 45 дБА.
Допустимые расстояния от открытых подстанций (без проведения мероприятий по борьбе с шумом) до жилых зданий и городских территорий приведены в табл. 1 согласно СТО 56947007-29.240.037-2010 «Экологическая безопасность электросетевых объектов. Требования при проектировании. Стандарт организации ОАО ФСК ЕЭС» [1].
Таблица 1
Допустимые расстояния от открытых подстанций до зданий _и территорий в городах_
Мощность трансформаторов до, МВА Расстояния, м, не менее, до
жилых зданий площадок отдыха в микрорайонах
40 300 150
60 700 350
125 1000 600
Для обеспечения безопасности населения по СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов» [7] вокруг объектов и производств, являющихся источниками воздействия на среду обитания и здоровье человека, устанавливается санитарно-защитная зона (СЗЗ), размер которой обеспечивает уменьшение воздействия загрязнения до значений, установленных гигиеническими нормативами. Санитарно-защитная зона является защитным барьером, обеспечивающим уровень безопасности населения при эксплуатации объекта в штатном режиме.
480
Критерием для определения размера санитарно-защитной зоны является не превышение на ее внешней границе и за ее пределами предельно допустимых уровней (ПДУ) физического воздействия на атмосферный воздух [7, 8].
Методика акустического расчета. Целью акустического расчета является определение ожидаемого уровня звука. Акустический расчет должен производиться в следующей последовательности:
выявление источников шума и определение их шумовых характеристик;
выбор точек, для которых необходимо провести расчет; определение путей распространения шума от источника до расчетных точек и потерь звуковой энергии по каждому из путей (снижение за счет расстояния, экранирования, зеленых насаждений и др.);
определение ожидаемых уровней шума в расчетных точках. Расчет шума производится по СНиП 23-03-2003 «Защита от шума» и СП 51.13330.2011 «Защита от шума. Актуализированная редакция СНиП 23-03-2003» [6, 9-11].
При точечном источнике шума уровни звука следует определять по формуле:
где Ь-щ - уровень звуковой мощности, дБ; Ф - фактор направленности источника шума (для источников с равномерным излучением Ф = 1); г - расстояние от акустического центра источника шума (от излучаемой поверхности источника шума) до расчетной точки, м; Ьа - затухание звука в атмосфере, Ьа = 0,01 дБ/км [12]; О - пространственный угол излучения источника, О = 2п рад для источника на земле.
При посадке деревьев с плотным примыканием крон и сплошным заполнением подкронового пространства кустарником, т.е. при устройстве так называемой шумозащитной полосы зеленых насаждений, обеспечиваемое ею снижение шума можно рассчитать по формуле:
где а зел - постоянная затухания звука в зеленых насаждениях, принимают а зел = 0,08 дБ/м; х - ширина шумозащитной полосы зеленых насаждений, м.
Эта формула справедлива при ширине полосы не более 100 м. Оптимальная ширина шумозащитной полосы в городских условиях находится в пределах 10...30 м [13, 14]. Дальнейшее увеличение ширины полосы не дает существенного снижения шума.
Одним из способов уменьшения шума до допустимой величины на территории жилой застройки является экранирование. Акустический расчет снижения шума при использовании экрана [2, 13, 14] проводится в следующем порядке:
(1)
(2)
1) определение расстояния по рис. 1: а - между источником шума и вершиной экрана; в - между расчётной точкой и вершиной экрана; с -между источником шума и расчётной точкой;
2) определение разности длин путей прохождения звукового луча 8 по формуле:
8 = (а + Ь) - с; (3)
3) определение уровня снижения шума экраном Л£экр:
Мэкр = 2,6991 • 1п(8) +18,557. (4)
Геометрический центр источника шума силового трансформатора находится на высоте 2 м от поверхности земли [2].
Расчетные точки на площадках отдыха микрорайонов и групп жилых домов, на площадках детских дошкольных учреждений, на участках школ и больниц следует выбирать на ближайшей к источнику шума границе площадок на высоте 1,5 м от поверхности земли [2, 13, 14].
Рис. 1. Расчетная схема акустического расчета
Для проведения акустических исследований были выбраны высоковольтные подстанции напряжением 110...330 кВ и силовые трансформаторы мощностью 10.1000 МВА как наиболее часто встречающиеся в эксплуатации.
В качестве нормируемой величины шумовой характеристики принят корректированный уровень звуковой мощности трансформатора по ГОСТ 23941-2002 «Шум машин. Методы определения шумовых характеристик. Общие требования» [15].
Корректированные уровни звуковой мощности трансформаторов в зависимости от типовой мощности, класса напряжения и вида системы охлаждения по ГОСТ 12.2.024-87 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). «Шум. Трансформаторы силовые масляные. Нормы и методы контроля» [16] приведены в табл. 2.
Исходные данные для расчета (корректированные уровни звуковой мощности трансформаторов и их размеры) указаны в табл. 1.
Расстояния от силового трансформатора до внешнего ограждения были выбраны с учетом ПУЭ [17] и размеров из реальных проектов ПС: 10 м при напряжении 110 кВ и мощности 10.40 МВА; 20 м при напряжении 110 кВ и мощности 63.125 МВА; 40 м при напряжении 220 кВ; 50 м при напряжении 330 кВ.
Результаты акустического расчета. Для определения необходимости разработки специальных мероприятий по снижению шума был рассчитан шум у внешнего ограждения. Результаты представлены в табл.2.
Таблица 2
Исходные данные
Мощность, МВА Корректированные уровни звуковой мощности трансформаторов, дБА, при напряжении, кВ
110 220 330
Д ДЦ, НДЦ Ц, НЦ, МЦ, НМЦ ДЦ, НДЦ Ц, НЦ, МЦ, НМЦ
10 87 - - - -
16 88 - - - -
25 89 - - - -
32 90 - - - -
40 91 - - - -
63 95 105 - 105 -
80 98 107 - 107 -
125 102 108 - 108 -
200 - - 107 - 108
250 - - 109 - 110
400 - - 111 - 112
630 - - 112 - 114
1000 - - 114 - 115
3 50,0 8 40,0
£ зо,о
в
Д 20,0 >1
10,0 0,0
■110 кВ ■220 кВ ■330 кВ •ПДУ
10 16 25 32 40 63 80 125 200 250 400 630 1000 Мощность трансфоматора, МВА
Рис. 2. Уровень шума у внешнего ограждения
Расчет показывает, что у внешнего ограждения шум значительно превышает нормы для ПС всех мощностей и напряжений. Поэтому непосредственно за забором нельзя располагать жилые районы, и необходимо рассчитать размер СЗЗ для варианта без проведения мероприятий по борьбе с шумом и вариантов при применении экранирования и шумозащитной полосы.
Рассчитаем на каком расстоянии от силовых трансформаторов шум уменьшается до допустимой величины и определим размер СЗЗ. Размер СЗЗ рассчитывается от внешнего ограждения. Считаем, что внешнее ограждение выполнено из сетки и не снижает шум.
Результаты расчета показаны на рис. 3. Также на графике показано допустимое расстояние от открыто установленных трансформаторов (без проведения мероприятий по борьбе с шумом) до городских территорий из табл. 2.
700
600
500 400
о
3
§
В! О И о о
£ 200
300
100
■ПОкВ •220 кВ »330 кВ •норма
10 16 25 32 40 63 80 125 200 250 400 630 1000 Мощность, МВА
Рис. 3. Размер СЗЗ без проведения мероприятий по борьбе с шумом
Расчеты показывают, что без проведения мероприятий по уменьшению шума санитарно-защитная зона имеет значительные размеры до 500600 м, особенно при больших мощностях. Для больших мощностей размеры СЗЗ не указаны, поскольку на распространение шума при таких расстояниях будет влиять ландшафт местности и находящиеся там постройки.
Для уменьшения размера СЗЗ необходимо выбрать оптимальный способ снижения шума.
Для этого необходимо провести расчет для определения размера СЗЗ при применении различных вариантов снижения шума:
шумозащитная полоса зеленых насаждений размером 30 м; использование внешнего ограждения высотой 3 и 4 м в качестве
экрана.
Результаты расчета показаны на рис. 4 для ПС 110 кВ, рис. 5 -ПС 220 кВ, рис. 6.330 кВ.
•источник ■30 м лес ■забор 3 м ■забор 4 м
25 32 40 63 Мощность трансформатора, МВА
Рис. 4. Размер СЗЗ для ПС напряжением 110 кВ при применении различных вариантов снижения шума
484
■источник •30 м лес ■забор 3 м ■забор 4 м
1000
Мощность трансформатора, МВА
Рис. 5. Размер СЗЗ для ПС напряжением 220 кВ при применении различных вариантов снижения шума
700
■источник »30 м лес ■забор 3 м ■забор 4 м
1000
Мощность трансформатора, МВА
Рис. 6. Размер СЗЗ для ПС напряжением 330 кВ при применении различных вариантов снижения шума
Выводы. При строительстве высоковольтных ПС напряжением 110...330 кВ в пределах жилой застройки обязательно необходим акустический расчет для определения минимального размера СЗЗ, поскольку размеры самой ПС не обеспечивают снижение шума до ПДУ.
Для ПС 110 кВ оптимальным вариантом снижения шума для уменьшения размера СЗЗ является использование внешнего ограждения высотой 3 м в роли экрана.
Для ПС 220 и 330 кВ оптимальным вариантом является использование внешнего ограждения высотой 3 м в роли экрана при мощностях до 200 МВА и высотой 4 м при мощностях от 250 МВА.
Шумозащитная полоса зеленых насаждений размером 30 м снижает размеры СЗЗ незначительно, а уход за деревьями будет требовать постоянного внимания.
Список литературы
1. СТО 56947007-29.240.037-2010. Экологическая безопасность электросетевых объектов. Требования при проектировании. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС». М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2010. 37 с.
2. Лизунов С.Д., Лоханин А.К. Силовые трансформаторы: справочная книга / под ред. С. Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004. 616 с.
3. Тупов В.Б. Снижение шумового воздействия от оборудования в энергетике. М.: МЭИ, 2004. 165 с.
4. Артамонова В.Г., Мухина Н.А. Профессиональные болезни: учебник. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Медицина, 2004. 480 с.
5. СанПиН 2.2.4.3359-16. Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах. Новосибирск: Норматика, 2018. 68 с.
6. СП 51.13330.2011. Защита от шума. М.: Проспект, 2017. 64 с.
7. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2001. 51 с.
8. Постановление Правительства РФ от 24 февраля 2009 г. № 160 «О порядке установления охранных зон объектов электросетевого хозяйства и особых условий использования земельных участков, расположенных в границах таких зон» [Электронный ресурс]. URL: https:// base. gar-ant.ru/12165555 (дата обращения 05.08.2020).
9. СНиП 23-03-2003. Защита от шума. СПб.: ДЕАН, 2004. 80 с.
10. Борьба с шумом на производстве: справочник / Е.Я. Юдин, Л.А. Борисов, И.В. Горенштейн [и др.]; под общ. ред. Е.Я. Юдина. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.
11. Алексеев С.П., Казаков А.М., Колотилов Н.Н. Борьба с шумом и вибрацией в машиностроении. М.: Машиностроение, 1970. 208 с.
12. ГОСТ 31295.1-2005 (ИСО 9613-1:1993). Шум. Затухание звука при распространении на местности. Часть 1. Расчет поглощения звука атмосферой. М.: Стандартинформ, 2006. 40 с.
13. ОДМ 218.2.013-2011. Методические рекомендации по защите от транспортного шума территорий, прилегающих к автомобильным дорогам. М.: ФГУП «Информавтодор», 2011. 127 с.
14. ОДМ. Методические рекомендации по оценке необходимого снижения звука у населенных пунктов и определению требуемой акустической эффективности экранов с учетом звукопоглощения. Утв. Распоряжением Минтранса России № ОС362-р от 21.04.2003. М.: РОСАВТОДОР, 2003. 90 с.
15. ГОСТ 23941-2002. Шум машин. Методы определения шумовых характеристик. Общие требования. М.: Технорматив, 2010. 11 с.
16. ГОСТ 12.2.024-87. Трансформаторы силовые масляные. Нормы и методы контроля. М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. 16 с.
17. Правила устройства электроустановок. М.: КНОРУС, 2016.
488 с.
Соснина Елена Николаевна, д-р техн. наук, профессор, sosnina@nntu. ru, Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
Маслеева Ольга Владимировна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
Бедретдинов Рустам Шамилевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF HIGH-VOLTAGE STEP-DOWN SUBSTA TIONS
ACOUSTIC CONTAMINATION
E.N. Sosnina, O.V. Masleeva, R.Sh. Bedretdinov
A negative impact on the environment during of high-voltage substations construction is possible. The impact physical factors of substations on the environment include electric and magnetic fields, electrostatic fields, electromagnetic interference, noise. The main source of noise in substations is power transformers. The goal of research is acoustic pollution ecological assessment of the environment of 110-330 kV high-voltage substations with a transformer power from 10 to 1000 MVA, determining the sanitary zone size, choosing ways to reduce it.
Key words: noise, transformer, noise protection strip of green spaces, shield, sanitary protection zone.
Sosnina Elena Nikolaevna, doctor of technical sciences, professor, sosnina@,nntu. ru, Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Ale-kseev,
Masleeva Olga Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,
Bedretdinov Rustam Shamilevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev
