崔相宇，謝連科，李樂豐，耿萍，侯肖邦

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；3.國家知識產(chǎn)權(quán)局，北京 100088）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)和大電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，變電站與民眾生活區(qū)越來越近，甚至成為民眾“近鄰”［1］。與此同時(shí)，隨著民眾環(huán)保意識增強(qiáng)，變電站噪聲污染問題成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。500 kV 變電站噪聲源主要是以低頻噪聲為主的主變壓器和電抗器噪聲，及以高頻噪聲為主的散熱風(fēng)機(jī)噪聲等［2-4］。因此，在工程建設(shè)前期規(guī)劃、運(yùn)行期噪聲治理等環(huán)節(jié)，噪聲預(yù)測是電網(wǎng)環(huán)保不可或缺的一部分。

近年來，眾多學(xué)者利用SoundPLAN 軟件對變電站進(jìn)行噪聲預(yù)測。張新寧應(yīng)用SoundPLAN 軟件對特高壓交流變電站主變壓器、電抗器等聲源設(shè)備進(jìn)行噪聲預(yù)測，并對變電站建模提出優(yōu)化建議［5］。劉輝基于SoundPLAN 對110 kV 戶外變電站噪聲治理方案進(jìn)行仿真模擬，并優(yōu)化治理方案［6］。劉君利用SoundPLAN 建立220 kV 變電站噪聲預(yù)測模型，并基于模型預(yù)測結(jié)果提出噪聲防控方案［7］。在該領(lǐng)域研究中，500 kV 變電站聲源特性及噪聲防控的研究案例較多，但基于SoundPLAN 對500 kV 變電站預(yù)測案例較少，缺少聲源頻譜及其他參數(shù)的參考。

變電站噪聲預(yù)測一般采用常見的SoundPLAN和Cadna/A 兩種聲學(xué)預(yù)測軟件。SoundPLAN 采用扇面計(jì)算方法，可將聲源周圍的聲線全部覆蓋，具有精度高、計(jì)算準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)［8-9］。參照GB/T1094.10—2003《電力變壓器 第10 部分：聲級測定》的方法對山東某500 kV 變電站主變壓器進(jìn)行檢測，基于SoundPLAN 反向計(jì)算主變壓器聲功率，利用反推聲源和DL/T1518—2016《變電站噪聲控制技術(shù)導(dǎo)則》的推薦聲源對變電站噪聲建模預(yù)測。

1 500 kV變電站噪聲聲源分析

變電站共規(guī)劃4 臺主變壓器，目前有3 臺主變壓器（2 號、3 號、4 號主變壓器）投入運(yùn)行，風(fēng)機(jī)安裝于主變壓器北側(cè)，主變壓器型號如表1 所示。該變電站主變壓器和配電裝置戶外布置，4 臺主變壓器位于站中央一字布置，3 號、4 號主變壓器偏東側(cè)，并與1 號（規(guī)劃）、2 號主變壓器相隔于繼電器室。220 kV 配電裝置布置于站址北側(cè)，500 kV 配電裝置布置于站址南側(cè)，電容器位于220 kV 配電裝置與主變壓器之間，該變電站平面布置如圖1所示。

圖1 變電站平面布置

表1 主變壓器信息表

3號、4號主變壓器距離較近，近聲場相互影響相對較大。因此，選擇遠(yuǎn)離3 號、4 號主變壓器的2 號主變壓器作為聲源研究對象。分別在2 號主變壓器北側(cè)5 m 處、電容電抗器區(qū)、220 kV 配電裝置區(qū)進(jìn)行布點(diǎn)，3 處點(diǎn)位頻譜對照如圖2所示；2號主變壓器南側(cè)5 m處點(diǎn)位、500 kV配電區(qū)、南側(cè)廠界點(diǎn)位頻譜對照如圖3所示。

圖2 2號主變壓器北側(cè)點(diǎn)位頻譜

圖3 2號主變壓器南側(cè)各點(diǎn)位頻譜

由圖2 和圖3 可知，2 號主變壓器北側(cè)的電容電抗器區(qū)和220 kV 配電裝置區(qū)點(diǎn)位與2 號主變壓器北側(cè)點(diǎn)位具有相似的噪聲頻譜特征，其中最大聲壓級主要分布在100 Hz 和315 Hz 處，在315 Hz 后聲壓級逐漸降低。500 kV 配電區(qū)和南側(cè)廠界點(diǎn)位噪聲頻譜特性與2 號主變壓器南側(cè)相似，因此，主變壓器噪聲是變電站噪聲的主導(dǎo)聲源。以主變壓器作為主要研究對象，低壓電抗器（偶發(fā)聲源）、配電裝置和電容等聲源不再考慮。

主變壓器噪聲布點(diǎn)及現(xiàn)狀檢測情況如圖4 和圖5所示。由圖4噪聲檢測結(jié)果可知，2 號、3 號、4 號主變壓器風(fēng)機(jī)側(cè)（北側(cè)）噪聲值最大，南側(cè)噪聲值最小，東側(cè)和西側(cè)噪聲值相差不超過2 dB（A）。主變壓器風(fēng)機(jī)側(cè)噪聲值大，且相對其他三側(cè)中高頻段噪聲凸出。因此，本文在建模過程中，將主變壓器視為體聲源，并根據(jù)主變壓器聲源特性，將側(cè)面的4 個(gè)測量面分別計(jì)算聲功率。

圖4 主變壓器噪聲現(xiàn)狀檢點(diǎn)位

圖5 主變壓器噪聲檢測結(jié)果

2 噪聲預(yù)測模型建立

采用SoundPLAN 噪聲預(yù)測軟件對變電站進(jìn)行建模、預(yù)測和實(shí)測值對比驗(yàn)證。SoundPLAN 可以對聲源、障礙物進(jìn)行自由組合，并集成地面吸聲計(jì)算、建筑物透聲計(jì)算、聲傳播計(jì)算以及聲場合成計(jì)算等綜合模擬運(yùn)算程序［10-11］，可覆蓋近聲場的所有聲線，廣泛用于發(fā)電廠、變電站、化工廠等工業(yè)場所的噪聲預(yù)測。

2.1 主變壓器聲源

根據(jù)GB/T 1094.10—2003《電力變壓器 第10 部分：聲級測定》中主變壓器噪聲檢測方法，在2 號主變壓器各側(cè)布設(shè)測試位置。采用四方位投影的方式計(jì)算聲源測量面面積，并根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算主變壓器每個(gè)測量面的聲功率級，最后，根據(jù)測量面面積得到該側(cè)的單位面積聲功率級。

式中：LWA為A 計(jì)權(quán)聲功率級為平均A 計(jì)權(quán)聲壓級；S為測量面面積，S0=1 m2。

將每側(cè)頻譜和對應(yīng)的聲功率級輸入SoundPLAN中進(jìn)行計(jì)算和校正。主變壓器聲源計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 主變壓器聲源計(jì)算結(jié)果

根據(jù)DL/T 1518—2016《變電站噪聲控制技術(shù)導(dǎo)則》推薦的強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器聲壓級、聲功率級和頻譜，建立基于導(dǎo)則給定值的主變壓器聲源模型。推薦值如表3 所示。形成包括實(shí)測值反推的主變壓器聲源模型和導(dǎo)則給定值的主變壓器聲源模型在內(nèi)的2 種聲源，分別建立預(yù)測模型。

表3 DL/T 1518—2016推薦值

2.2 站內(nèi)建筑物及設(shè)備

噪聲傳播距離和衰減情況受聲源本身的聲功率密度和聲場屏障的影響［12］，在聲源一定的條件下，建立完整的聲屏障對噪聲預(yù)測值準(zhǔn)確度有重要影響。變電站聲場中，通常只考慮主控樓、繼電器室、消防棚、水泵房等建筑對主變壓器噪聲的衰減作用。電容器、配電裝置以及電抗器等實(shí)體設(shè)備分區(qū)設(shè)置，單體設(shè)備體積小，其對噪聲的遮蔽作用通常被忽略。

受主變壓器噪聲影響，該變電站電容器、配電裝置以及電抗器等設(shè)備本體噪聲可忽略。這些設(shè)備一般分布于主變壓器周圍，設(shè)備密度較大（部分設(shè)備如圖6 所示），且距離主變壓器較近，作為對站內(nèi)聲場影響相對較低的實(shí)體，其對主變壓器噪聲具有很強(qiáng)的衰減作用。以該站220 kV 配電裝置為例，在1.5～2 m高度范圍的平面內(nèi)，其有效遮蔽體積達(dá)到860 m3，約為繼電器室體積的65%。

圖6 變電站配電設(shè)備現(xiàn)場

利用SoundPLAN 對站內(nèi)所有建筑物按照1∶1 比例進(jìn)行建模，同時(shí)，對密集型設(shè)備按照正投影及地面投影的有效面積計(jì)算其有效遮蔽體積，并等效為建筑物對其進(jìn)行建模。

2.3 其他參數(shù)

按照現(xiàn)場檢測時(shí)的氣象條件，將濕度、溫度及風(fēng)速等參數(shù)輸入系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室混凝土墻面對500 Hz頻段的噪聲吸聲系數(shù)測量，變電站外墻吸聲系數(shù)取值0.03；主變壓器之間防火墻吸聲系數(shù)取值0.02。主變壓器與防火墻距離約為4.5 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)聲線反射次數(shù)取值3 次。變電站多為水泥的硬質(zhì)地面，模型地面因素取值0.6。

3 噪聲預(yù)測結(jié)果及分析

模型中在電容電抗器區(qū)、220 kV 配電裝置區(qū)和500 kV 配電裝置區(qū)布設(shè)3 個(gè)接收點(diǎn)，廠界四周布設(shè)7個(gè)接收點(diǎn)，并與現(xiàn)場檢測點(diǎn)位對應(yīng)。兩種聲源預(yù)測結(jié)果如圖7和圖8所示，接收點(diǎn)反推聲源預(yù)測值和推薦聲源預(yù)測值如圖9 所示，預(yù)測值與實(shí)測值對比結(jié)果如表4所示。

圖7 反推聲源預(yù)測結(jié)果

圖8 推薦聲源預(yù)測結(jié)果

圖9 預(yù)測結(jié)果比對

表4 預(yù)測值與實(shí)測值比對 單位：dB（A）

由圖8 可知，反推主變壓器聲源的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較接近，誤差基本在2 dB（A）以內(nèi)。導(dǎo)則給定聲源的廠界預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值的誤差較大，誤差都在2 dB（A）以上，部分點(diǎn)位預(yù)測值與實(shí)測值偏差可達(dá)5.5 dB（A）；但變電站內(nèi)的接收點(diǎn)預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值誤差相對較小。根據(jù)數(shù)據(jù)分析及推測，出現(xiàn)以上結(jié)果的原因是推薦聲源的聲功率級較小，且未給定1/3倍頻程其他頻段數(shù)值，由此建立的聲源在近聲場預(yù)測結(jié)果誤差較小，在經(jīng)過障礙物衰減后的遠(yuǎn)聲場預(yù)測值誤差較大。

由表4 可知，導(dǎo)則給定聲源的預(yù)測結(jié)果普遍偏小。反推主變壓器聲源的廠界噪聲預(yù)測結(jié)果均大于實(shí)測結(jié)果，噪聲預(yù)測值相對較保守，原因?yàn)椋?）利用2號主變壓器測點(diǎn)反推主變壓器聲功率時(shí)，測點(diǎn)噪聲值受到3號和4號主變壓器一定程度的影響，導(dǎo)致反推聲源聲功率偏高，預(yù)測值隨之偏大；2）站內(nèi)配電設(shè)備和電容器組等站內(nèi)設(shè)備，所在布置區(qū)設(shè)備密度大或單體體積大，成為類似于建筑物的聲屏障，雖考慮到設(shè)備遮蔽影響，但對其體積等效時(shí)取值保守，導(dǎo)致噪聲衰減相對減少，預(yù)測值偏高。

4 結(jié)語

利用測點(diǎn)噪聲值反向計(jì)算聲源的聲功率級，并考慮密集設(shè)備對噪聲的屏蔽作用，基于SoundPLAN噪聲預(yù)測軟件對變電站噪聲建模預(yù)測。通過反推聲源預(yù)測值、推薦聲源預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)在有聲屏障的復(fù)雜聲場中，反推聲源預(yù)測值與實(shí)測值接近，可較為準(zhǔn)確的預(yù)測變電站噪聲。反推聲源建模方法對今后變電站環(huán)境影響評價(jià)、噪聲治理等噪聲預(yù)測工作具有重要意義。