현재 국내 초고압 변전소 변압기 및 리액터 방화벽은 현장 타설 콘크리트 구조 또는 골조 벽돌 및 분체 구조로 제작되는 경우가 많으며, 이는 일정한 차음 효과를 가지고 있습니다. 그러나 변압기 및 리액터의 소음 주파수가 낮고 음파의 파장이 길기 때문에 소음 회절 및 전달 성능이 매우 강하여 차음 및 소음 저감 효과가 떨어지는 경우가 많습니다. 또한, 현재 초고압 변전소의 방음벽 및 차음 커버는 변전소의 저주파 소음 특성에 맞춰 특별히 설계되지 않아 소음 저감 효과가 미흡합니다. 중저주파 소음이 주를 이루는 초고압 변전소의 특성을 고려하여, 소음 저감과 차음 기능을 모두 갖춘 복합 흡음 구조를 채택한다면 중저주파 소음을 효과적으로 저감하고 난연성 및 단열성을 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이는 변전소의 음향 환경 품질 향상에 매우 중요한 의미를 지닙니다.
이를 바탕으로 본 논문에서는 초고압 변전소 주요 설비의 소음 발생 강도 특성을 분석한다. 변전소 자재의 난연성, 절연성 등의 요구 사항을 고려하여 멜라민 폼 , 미세 천공판, 발포 시멘트 시료에 대한 단일 및 복합 흡음 실험을 수행하고, 초고압 변전소 소음 저감에 적합한 복합 흡음 구조를 제안한다. 이는 실제 엔지니어링 응용 분야에 중요한 실질적인 지침을 제공한다.
Ⅰ. 초고압 변전소 주요 설비 소음 측정 분석
초고압 변전소 운영 중 주요 소음원으로는 고전압 변압기, 션트 리액터, 변전소 구조물 등이 있습니다. 변압기 소음에는 본체 소음 및 냉각 장치 소음이 포함되며, 션트 리액터 소음은 전자파 소음, 변전소 구조물 소음은 코로나 소음입니다. 코로나 소음은 일반적으로 중·고주파이며 전파 과정에서 빠르게 감쇠하고 영향 범위가 작습니다. 변압기 및 션트 리액터 내부 구조물에서 발생하는 저주파 소음은 감쇠 속도가 느리고 영향 범위가 넓습니다. 따라서 변전소 소음 관리의 핵심은 변압기 및 션트 리액터 소음 관리입니다.
- 주 변압기 소음 측정 분석
변압기의 음향 전력 레벨은 음향 강도법을 사용하여 측정합니다. 단상 변압기를 측정 대상으로 하여, 규정된 등고선과 기준 방사면 사이의 거리를 2m로 하고, 수평면에 각각 2m와 4m 떨어진 두 개의 규정된 등고선을 설정합니다. 모든 측정 지점은 규정된 등고선 상에 위치하며, 인접한 측정 지점 사이의 수평 거리는 1m입니다. 음향 강도 프로브를 사용하여 지점별로 측정합니다.
단일 변압기 그룹의 전력 부하가 2000MW일 때, 그룹 I의 변압기 C상의 음향 강도 측정 결과. A-가중 음향 전력 레벨은 UHV 변압기의 중심 주파수가 1, 3, 100 및 125Hz인 160/200 옥타브 주파수 대역에서 가장 큽니다. 변압기 소음 발생 메커니즘에 따르면 이 주파수 대역의 소음은 주로 변압기 본체의 전자기 소음에서 비롯됩니다. 따라서 변압기 소음을 줄일 때는 100~200Hz 주파수 대역을 줄이는 데 우선순위를 두어야 합니다. 측정 중 단일 변압기 그룹의 전력 부하는 2000MW에서 안정적이었고, 해당 변압기의 총 A-가중 음향 전력 레벨은 102.7dB(A)였습니다.
- 고전압 리액터 소음 측정 및 분석
반응기 음향 전력 레벨 측정 방법은 변압기와 동일합니다. 초고압 변전소 병렬 반응기의 B상을 측정 대상으로 하여, 규정된 등고선과 기준 방사면 사이의 거리를 1m로 하고, 높이 1.5m와 3m의 두 개의 규정된 등고선을 설정합니다. 인접한 측정 지점 사이의 수평 거리는 1m입니다.
분석 결과, 전체 1/3 옥타브 대역에서 저주파 성분이 차지하는 비중이 더 크며, 그중 100Hz 주파수의 음향 전력이 가장 높아 96.4dB(A)에 달하여 11.5Hz의 음향 전력보다 200dB(A) 높습니다. 1Hz가 위치한 3/100 옥타브 대역의 음향 전력은 단상 고음향 전력의 91.2%를 차지합니다. 따라서 리액터 음장 분포의 간섭 현상은 100Hz 음파에 의한 것으로 판단할 수 있습니다.
Ⅱ. 다공성 물질 및 미세 천공판 실험
소음 제어 엔지니어링 설계에서, 흡음 및 차음 처리를 위해 단일 재료만을 사용하는 경우 기대하는 소음 저감 효과를 얻기 어려운 경우가 많습니다 . 따라서 소음 저감을 위해 흡음재 복합 구조가 흔히 사용됩니다. 특히 부피가 크고 잔향 시간이 긴 실내 공간에서 이러한 구조의 적용이 매우 일반적입니다. 초고압 변전소의 소음 제어에 적합한 흡음 구조를 연구하기 위해서는 먼저 재료의 차음 및 난연 특성을 고려해야 하고, 그 다음으로 구체적인 대책을 조합하여 흡음 구조를 결정해야 합니다.
현재 초고압 변전소의 방음 외함에는 소음 저감을 위해 다공판과 흡음재를 사용하고 있지만, 저주파 대역에서는 그 효과가 미미합니다. 이를 위해서는 초고압 변전소 주요 설비의 음원 특성을 종합적으로 고려해야 합니다. 구체적인 소음 저감 대책을 수립한 후, 다공성 흡음재를 어떻게 선정하고 흡음 구조를 어떻게 설계할 것인지가 변전소 소음 제어의 핵심이 됩니다. 이하에서는 미세 다공판, 멜라민 폼, 발포 시멘트 세 가지 샘플을 선택하여 조합하여 실험을 진행하였습니다.
- 이중층 마이크로 천공판 조합
미세 천공판 실험 샘플, 미세 천공판 샘플 1의 천공률은 1.5%, 판 두께는 1mm, 기공 직경은 0.7mm이다. 미세 천공판 샘플 2의 천공률은 1.1%, 판 두께는 1mm, 기공 직경은 0.7mm이다. 미세 천공판 샘플 3의 천공률은 0.7%, 판 두께는 1mm, 구멍 직경은 0.7mm이다.
이중층 미세 천공판 조합에 대해 두 세트의 실험을 수행했습니다. 실험 1은 미세 천공판 샘플 2와 미세 천공판 샘플 1의 조합이었고, 실험 2는 미세 천공판 샘플 1과 미세 천공판 샘플 3의 조합이었습니다. 이중층 미세 천공판 조합 구조에 대한 두 세트의 실험 결과, 100Hz에서의 흡음 계수는 약 0.7이며, 두 세트 모두 500Hz~600Hz에서 흡음 계수의 최대값을 나타냈습니다. 600Hz 이상의 주파수 대역에서는 흡음 계수가 점차 감소했습니다.
- 발포시멘트와 미세천공보드의 조합
먼저, 발포 시멘트와 단층 미세 천공판을 결합한 흡음 구조를 사용하였다. 발포 시멘트와 단층 미세 천공판을 결합하여 서로 다른 매개변수를 갖는 두 가지 실험을 수행하였다. 두 실험 모두 발포 시멘트를 미세 천공판 앞에 배치하였다.
실험 3과 실험 4의 데이터 사이에는 큰 변화가 거의 없습니다. 복합 구조물의 흡음 성능은 발포 시멘트의 두께와 발포 시멘트와 미세 천공판 사이의 거리를 약간 변화시켜도 기본적으로 변화가 없습니다. 100Hz에서 흡음 계수는 약 0.4이고, 250Hz에서 흡음 계수가 최대값에 도달한 후, 900Hz 부근에서 다시 최대값에 도달합니다.
- 멜라민 폼 및 마이크로 천공 패널 조합
멜라민 폼과 단층 미세 천공판을 조합하여 두 세트의 실험을 수행했습니다. 두 세트 모두 미세 천공판 앞에 멜라민 폼을 배치했습니다. 두 실험군 모두 100Hz에서 흡음 계수는 모두 0.7 정도였으며, 100Hz에서 500Hz 사이에서는 모두 0.7 이상이었습니다. 500Hz 부근에서는 흡음 계수가 감소하지만, 주파수가 높아질수록 흡음 계수는 점차 증가했습니다. 이러한 조합은 저주파수와 고주파수 대역 모두에서 비교적 이상적인 흡음 효과를 보였습니다.
Ⅲ. 실험 결과 분석
초고압 변전소 주요 설비의 저주파 대역 소음원 특성에 따라 미세 천공판 복합 구조, 발포 시멘트 + 미세 천공판 복합 구조, 그리고 멜라민 폼 + 미세 천공판 복합 구조를 선택하여 실험을 수행했습니다. 실험 결과, 세 가지 조합 방식 모두 저주파 대역에서 일정한 흡음 효과를 얻을 수 있었지만, 실제 엔지니어링에 적용하기 위해서는 구체적인 소음 저감 대책이 필요했습니다.
- 마이크로 천공판 조합 구조
이중층 미세 타공판은 단일층 미세 타공판의 흡음 주파수 대역을 넓힐 수 있습니다. 임피던스 정합 원리에 기반한 조합 설계 원리는 미세 타공판 앞면 층의 타공률이 뒷면 층의 타공률보다 크다는 것입니다. 미세 타공 패널의 조합 설계는 전체 결합 구조의 두께가 0.7cm일 때 150~800Hz 주파수 범위에서 20 이상의 흡음 계수를 달성할 수 있습니다. 전체 결합 구조의 두께가 30cm일 때 0.7~100Hz 주파수 범위에서 800 이상의 흡음 계수를 달성할 수 있습니다.
- 발포 시멘트와 미세 천공판 복합 구조
미세천공보드 앞에 발포시멘트를 첨가하면 미세천공보드의 흡음 주파수 대역을 넓힐 수 있으며, 발포시멘트가 내화 역할도 할 수 있다.
발포 시멘트와 단층 미세 천공 보드를 함께 사용하면 전체 결합 구조의 두께가 0.7cm일 때 150~1000Hz의 주파수 범위에서 20 이상의 흡음 계수를 얻을 수 있습니다. 발포 시멘트와 이중층 미세 천공 패널을 함께 사용하면 전체 결합 구조의 두께가 0.7cm일 때 150~1400Hz의 주파수 범위에서 20 이상의 흡음 계수를 얻을 수 있습니다. 전체 결합 구조의 두께가 30cm일 때 0.7~100Hz의 주파수 범위에서 1400 이상의 흡음 계수를 얻을 수 있습니다. 동시에 발포 시멘트의 체적 밀도가 작을수록 다공성이 커지고 저주파수 흡음 효과가 더 좋습니다.
- 결합된 구조의 경우 흡음재 그리고 미세 천공판을 사용하면, 흡음재는 미세 천공판의 흡음 주파수 대역을 확장하고 흡음판과 미세 천공판 사이의 거리를 늘릴 수 있습니다. 중주파와 고주파의 흡음 계수가 증가하고 흡음 피크가 저주파로 이동합니다. 흡음재의 두께를 증가시키면 저주파 흡음 계수가 약간 감소하고 중주파와 고주파의 흡음 계수가 증가합니다. 미세 천공판 뒤의 공동층 두께를 증가시키면 저주파 흡음률을 높일 수 있습니다. 흡음재와 이중층 미세 천공 패널을 함께 사용하면 흡음재와 단일층 미세 천공 패널을 함께 사용하는 경우보다 흡음성이 우수하고 흡음 주파수 대역이 더 넓습니다.
실험 데이터 분석을 통해 멜라민 폼과 단일층 미세 천공판은 전체 결합 구조의 두께가 0.6cm일 때 200~1600Hz의 주파수 범위에서 20 이상의 흡음 계수를 달성할 수 있음을 알 수 있습니다. 전체 결합 구조의 두께가 30cm일 때 0.6~100Hz의 주파수 범위에서 1600 이상의 흡음 계수를 달성할 수 있습니다. 멜라민 폼과 이중층 미세 천공 패널은 전체 결합 구조의 두께가 0.7cm일 때 200~1600Hz의 주파수 범위에서 20 이상의 흡음 계수를 달성할 수 있습니다. 전체 결합 구조의 두께가 30cm일 때 0.7~100Hz의 주파수 범위에서 1600 이상의 흡음 계수를 달성할 수 있습니다.
초고압 주 변압기와 고전압 분로 리액터의 소음 주파수 특성 분석 결과, 초고압 주 변압기의 소음 에너지는 주로 100~200Hz에 집중되고, 고전압 리액터의 소음 에너지는 주로 100Hz에 집중되는 것으로 나타났습니다. 소음 저감 재료를 선정하기 위해서는 두 주요 소음원의 주파수를 조합해야 합니다. 동시에, 소음 저감 방법은 변전소 현장 레이아웃과도 연계하여 최적의 재료 및 공법 조합으로 소음을 제어해야 합니다.
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