戶外變電站噪聲預(yù)測及優(yōu)化控制設(shè)計(jì)

徐祿文

（重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院，重慶 401123）

盡管變電站對城市的發(fā)展和人們生活水平的提高起到了極大的促進(jìn)作用，但是變電站噪聲可能對環(huán)境造成的影響問題不能忽視，特別是隨著城市變電站的逐漸增多，變電站噪聲問題也越發(fā)突出，噪聲投訴和糾紛時(shí)有發(fā)生[1―3]。電力企業(yè)非常重視變電站噪聲的環(huán)境問題，國家電網(wǎng)公司已提出了“十二五”期間噪聲超標(biāo)擾民治理目標(biāo)。然而，目前不論是在新建變電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)還是在運(yùn)行變電站的噪聲治理方案設(shè)計(jì)中都缺乏一套科學(xué)、系統(tǒng)和行之有效的方法，進(jìn)行噪聲控制設(shè)計(jì)時(shí)帶有一定的隨機(jī)性和盲目性[4]。因此本文通過對戶外變電站噪聲控制優(yōu)化方法仿真分析研究，為變電站噪聲工程控制設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和借鑒，促進(jìn)變電站更加綠色環(huán)保，促進(jìn)社會更加和諧穩(wěn)定。

1 基礎(chǔ)理論

噪聲控制技術(shù)包括聲源控制、傳播途徑控制以及被保護(hù)者的控制[5]，這三方面控制技術(shù)都是建立在噪聲傳播理論基礎(chǔ)之上的。通過隔聲、吸聲等多種技術(shù)手段使噪聲衰減，降低對環(huán)境的影響[6]。引起噪聲傳播過程中聲衰減的主要物理效應(yīng)包括：幾何發(fā)散、大氣吸收、地面效應(yīng)以及障礙物引起的屏蔽等[7]，如圖1所示。變電站噪聲主要來自于變壓器、電抗器和風(fēng)機(jī)等[8―11]。本文主要以變壓器為例進(jìn)行分析。根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中噪聲戶外傳播聲級衰減計(jì)算的基本方法[12―14]，預(yù)測點(diǎn)的倍頻帶聲壓級按公式（1）計(jì)算

圖1 聲衰減的主要物理效應(yīng)示意圖Fig.1 Main physical effect sketch map of acoustical attenuation

其中

Loct（r）——預(yù)測點(diǎn)等效連續(xù)倍頻帶聲壓級；

Loctref（s）——由聲源產(chǎn)生的倍頻帶聲功率級；

Aoctdiv——幾何發(fā)散引起的衰減；

Aoctbar——屏障引起的衰減；

Aoctatm——大氣吸收引起的衰減；

Aoctgr——地面效應(yīng)引起的衰減；

Aoctexc——其它多方面效應(yīng)引起的衰減。

公式（2）（3）（4）（5）中

r——聲源與預(yù)測點(diǎn)的距離，單位為m；

hm——聲源與預(yù)測點(diǎn)平均離地高度，單位為m；α——大氣衰減系數(shù)，可從國標(biāo)查得；

N i——菲涅耳數(shù)，N i=2×δi/波長；

δ i——聲程差，單位為m，

對于如圖2（a）所示的單屏障

對于如圖2（b）所示的雙屏障

其中a是SR連線在圖2（b）投影方向上的投影長度（m）。

圖2 聲音繞過聲屏障示意圖Fig.2 Sound diffract barriers sketch map

2 軟件開發(fā)與校驗(yàn)

通過對變電站聲環(huán)境狀況的調(diào)研和數(shù)學(xué)模型的建立，開發(fā)了“變電站環(huán)境噪聲分析及優(yōu)化控制仿真系統(tǒng)”軟件，能廣泛應(yīng)用于變電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)與噪聲治理。本軟件具有如下特點(diǎn)：(1)以點(diǎn)、線、面及空間等形式對變電站及周邊復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行全方位的噪聲分析；(2)在場景建模和三維場景漫游等方面以圖形、圖像、聲音等多媒體形式展示與輸出；(3)采用全中文界面，建模快速、計(jì)算準(zhǔn)確、操作簡潔；(4)與國外軟件相比在可視化和優(yōu)化計(jì)算方面進(jìn)行了較大的提升，包括更加直觀的建模場景，專業(yè)性更強(qiáng)，更加全面的三維漫游設(shè)計(jì)，增加了國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)等級劃分功能，屏障高度優(yōu)化計(jì)算功能、多方案比選功能、噪聲衰減曲線、空間平面和等值面輸出功能。

為了驗(yàn)證該軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將其與目前國家環(huán)保局推薦的噪聲預(yù)測軟件CadnaA進(jìn)行對照，如表1所示，可以看到，本軟件與CadnaA計(jì)算的結(jié)果基本接近。同時(shí)，也將本軟件的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行了對照，如表2所示，可以看到實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算值基本吻合，證明了該軟件計(jì)算結(jié)果的可信度高。

表1 本軟件與CadnaA計(jì)算的結(jié)果對照Tab.1 Contrast between the software and CadnaA calculation

表2 計(jì)算值與實(shí)測值對比Tab.2 Contrast between calculation and actual measurement

3 戶外變電站噪聲控制優(yōu)化

戶外變電站噪聲控制優(yōu)化就是將變電站內(nèi)的所有聲源、建筑物、敏感點(diǎn)、聲屏障及所處的聲環(huán)境區(qū)域等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)新建站的合理布局，運(yùn)行站的治理方案優(yōu)化比選等。

3.1 新建變電站的噪聲控制優(yōu)化

變電站噪聲控制應(yīng)從規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)就加以考慮，避免出現(xiàn)“先污染后治理”或“邊污染邊治理”的問題。合理地設(shè)計(jì)聲源與建筑物的相對位置可降低聲源對變電站周圍聲環(huán)境的影響，減小變電站后期噪聲治理的難度和資金投入。如圖3所示為某110 kV變電站平面布局圖，變電站周邊共有四戶居民，設(shè)為四個(gè)敏感點(diǎn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可知該區(qū)域?qū)?類聲環(huán)境功能區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)限值為：晝間60 dB(A)、夜間50 dB(A)[15，16]。變電站內(nèi)主要噪聲源為兩臺40 000 kVA主變，冷卻方式均為自然油循環(huán)風(fēng)冷（ONAF），基座安裝了減震墊。將主變設(shè)置為點(diǎn)聲源，離主變1 m處的噪聲在74～76 dB(A)范圍內(nèi)，變電站內(nèi)建筑物1、2高度都為10 m，門崗房高4 m。表2給出了各敏感點(diǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果表明敏感點(diǎn)1（53.3 dB(A)）和敏感點(diǎn) 2（53.7 dB(A)）夜間超標(biāo)，敏感點(diǎn) 3（49.2 dB(A)）接近夜間超標(biāo)值。通過分析發(fā)現(xiàn)變電站布局不合理，沒有與周邊敏感點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，于是進(jìn)行了重新布局，給出了四種方案：第1種方案是將變電站內(nèi)兩棟房子作為聲屏障，挪動其位置，即利用房1擋住敏感點(diǎn)1、2，房2擋住敏感點(diǎn)3，如圖4所示；第2種方案是將主變位置下移，房1擋住敏感點(diǎn)4，房2擋住敏感點(diǎn)3，敏感點(diǎn)1、2利用空間距離衰減加以降低；如圖5所示；第3、4種方案都是在第一種方案的基礎(chǔ)上調(diào)整；方案3是將大門的位置改變，利用門崗室擋住敏感點(diǎn)4；方案4是利用種植高大、枝葉密實(shí)的樹木帶擋住敏感點(diǎn)4，實(shí)現(xiàn)降噪目的。然后對4種方案進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如表3所示，幾種方法都較原布局好，方法3和4都更為合理可行。

圖3 某110 kV變電站原布局平面圖Fig.3 Primary plane layout of a 110 kV substation

3.2 運(yùn)行變電站的噪聲優(yōu)化治理

在運(yùn)行變電站的噪聲治理中，最常用的方法是采用聲屏障進(jìn)行噪聲屏蔽。運(yùn)用“變電站環(huán)境噪聲控制優(yōu)化仿真分析系統(tǒng)”軟件進(jìn)行噪聲治理方案優(yōu)化分析，通過“聲屏障高度優(yōu)化”和“多方案比選”功能，輔助相關(guān)設(shè)計(jì)人員選擇最優(yōu)的噪聲治理方案。

（1）聲屏障高度及位置優(yōu)化

圖4 第1種布局調(diào)整方案Fig.4 The 1st readjustment plan of the layout

圖5 第2種布局調(diào)整方案Fig.5 The 2nd readjustment plan of the layout

表3 不同布局4個(gè)敏感點(diǎn)噪聲大小值Tab.3 Noise level of 4 sensitive points in different layouts

如圖6為某110 kV變電站平面布置圖，變電站內(nèi)有兩臺主變，其噪聲分別為74.2 dB、71.6 dB，三個(gè)敏感點(diǎn)高均為5 m，加聲屏障前3個(gè)敏感點(diǎn)的噪聲值如表4所示。該變電站所處環(huán)境區(qū)域?yàn)?類，夜間噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值為45 dB(A)[15]。在主變2旁邊加一聲屏障，如圖6所示，并對聲屏障進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到優(yōu)化曲線，如圖7所示。圖中三根曲線分別代表敏感點(diǎn)1—3的噪聲大小與聲屏障高度的變化關(guān)系。從圖7中可以看到聲屏障在低于2.5 m時(shí)對三個(gè)敏感點(diǎn)沒有任何影響；當(dāng)聲屏障高度在2.5～7 m范圍內(nèi)，對敏感點(diǎn)1、2的屏蔽效果十分明顯；當(dāng)聲屏障高度超過7 m后，屏蔽效果逐漸減弱。

對敏感點(diǎn)3，聲屏障高度從2.5～4 m階段的降噪效果十分顯著，超過4 m后，增加聲屏障高度后降噪效果不明顯，且難于達(dá)到45 dB的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。要降低敏感點(diǎn)3的噪聲，必須得將聲屏障下移，經(jīng)分析只要將聲屏障在水平方向下移動3 m，重新進(jìn)行計(jì)算，就可以做出如圖8所示的聲屏障優(yōu)化曲線。通過該圖可以看到當(dāng)聲屏障高度增加到4 m時(shí)，三個(gè)敏感點(diǎn)都能低于45 dB(A)。為了較好地滿足了環(huán)保要求，工程實(shí)際中高度可考慮為5 m；

表4 加聲屏障前3個(gè)敏感點(diǎn)的噪聲值Tab.4 Noise level of 3 sensitive points before adding acoustical barrier

圖6 某110 kV變電站平面布置圖Fig.6 The plane layout of a 110 kV substation

（2）多方案優(yōu)化比選

在噪聲治理過程前，往往會根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況（聲源點(diǎn)的位置，房屋建筑以及敏感點(diǎn)的位置等）進(jìn)行方案初設(shè)，要在短時(shí)間內(nèi)選出既能滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)又能降低工程費(fèi)用的方案，就需要通過多方案優(yōu)化比選來實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)以某110 kV變電站為例進(jìn)行仿真分析說明。變電站外右側(cè)共有三戶居民，設(shè)為三個(gè)敏感點(diǎn)，該變電站所處環(huán)境區(qū)域?yàn)?類，噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值為：夜間45 dB(A)，晝間55 dB(A)[15]。治理前初步確定了三種降噪方案，都采用聲屏障進(jìn)行降噪處理，聲屏障形狀分別為：“一”字形和“L”字形，其對應(yīng)位置如圖9—11所示。通過該噪聲軟件計(jì)算出三種方案下各敏感點(diǎn)降噪效果和成本大小，由此比選出降噪效果好和成本相對較低的方案，（聲屏障價(jià)格可根據(jù)市場價(jià)格自行設(shè)定，此處按2 500元/m2計(jì)算）。三種方案的降噪效果及成本如表5所示。通過對三種方案的比較選擇方案1較為合適。

圖7 聲屏障高度優(yōu)化曲線Fig.7 Optimal curves of the acoustical barrier height

圖8 聲屏障向下移動3 m后高度優(yōu)化曲線Fig.8 Optimal curves of height after acoustical barrier moving 3 m downward

圖9 變電站第1種方案布局圖Fig.9 The 1st layout scheme of substation

圖10 變電站第2種方案布局圖Fig.10 The 2 nd layout scheme of substation

圖11 變電站第3種方案布局圖Fig.11 The 3 rd layout scheme of substation

表5 多方案降噪效果與成本對比Tab.5 More scheme of noise reduction effect and cost plan contrast

4 結(jié)語

綜上所述，利用仿真分析及控制優(yōu)化對解決變電站噪聲環(huán)境影響具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，具有可操作性和推廣應(yīng)用價(jià)值，能夠確保變電站在設(shè)計(jì)之初就能夠?qū)⒃肼暱刂频揭粋€(gè)對環(huán)境影響最小的程度；同時(shí)能夠在變電站噪聲治理中獲取最優(yōu)的聲屏障設(shè)計(jì)方案，提高噪聲控制效果，降低工程造價(jià)，避免噪聲控制過程中的隨意性和盲目性，有利于促進(jìn)社會的和諧與穩(wěn)定。

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