高壓輸變電設(shè)施低頻噪聲特性研究與限值的確定

閆維明,李振海,張志強(qiáng),陳崇明

（河北省電力公司 電力科學(xué)研究院，石家莊 050021）

高壓輸變電設(shè)施的噪聲存在較大的低頻分量，主要是由于工頻交變電壓和電流及其諧波，在正負(fù)波峰處容易產(chǎn)生較為顯著的電暈放電和鐵芯震動(dòng)，而形成100 Hz及其倍數(shù)頻率類似“嗡嗡聲”的純音[1]。研究表明，在好天氣下，由交流輸電線路電暈產(chǎn)生的可聽噪聲并不大；在雨天，導(dǎo)線下方的水珠使電暈放電強(qiáng)度增加，可聽噪聲會(huì)增大，雨天時(shí)的可聽噪聲比晴天時(shí)的約大15～20 dB。但由于輸電線路可聽噪聲的頻率較低，與同一聲壓的一般環(huán)境噪聲相比，通常更加令人厭煩。

世界衛(wèi)生組織的“公共噪聲導(dǎo)則”根據(jù)噪聲科學(xué)研究提出噪聲標(biāo)準(zhǔn)，是以800 Hz作為基準(zhǔn)噪聲頻率，其它頻率噪聲分量通過(guò)乘以計(jì)權(quán)系數(shù)疊加在基準(zhǔn)頻率分量上的計(jì)權(quán)法，要求在白天不使人煩躁的情況下不超過(guò)50 dBA，夜間睡眠則不應(yīng)超過(guò)45 dBA[2]。目前我國(guó)執(zhí)行的GB3096-1993《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》中也對(duì)各典型居住區(qū)域的噪聲限值作出了規(guī)定，但近年來(lái)低頻噪聲對(duì)人體的特別煩惱影響已引起廣泛重視，相關(guān)國(guó)際機(jī)構(gòu)和中國(guó)環(huán)保部門已開始醞釀和起草專門針對(duì)800 Hz以下低頻噪聲的限值。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)輸電線路噪聲的研究始于20世紀(jì)60年代，和對(duì)特高壓輸電的研究幾乎同步進(jìn)行，研究涉及輸電線路噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、聲學(xué)特征、測(cè)試方法和降噪措施等。有的提出了預(yù)測(cè)特高壓輸電線路對(duì)稱分裂導(dǎo)線可聽噪聲的公式，對(duì)非對(duì)稱分裂導(dǎo)線的可聽噪聲也進(jìn)行了實(shí)測(cè)，但未得到有效的預(yù)測(cè)公式。各國(guó)對(duì)輸電線路噪聲的研究也逐步從試驗(yàn)研究轉(zhuǎn)向構(gòu)筑理論分析的數(shù)學(xué)模型，各國(guó)對(duì)交直流特高壓輸電線路的可聽噪聲也制定了相應(yīng)的限值，但是還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，國(guó)網(wǎng)電科院等科研機(jī)構(gòu)對(duì)很多線路進(jìn)行了可聽噪聲的預(yù)估計(jì)算和實(shí)測(cè)。我國(guó)對(duì)輸電線路的可聽噪聲未制定有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2 技術(shù)方案

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

河北南部最高電壓等級(jí)為500 kV，擁有500 KV等級(jí)變電站約12座，無(wú)直流輸電。承擔(dān)石家莊、保定、邯鄲、邢臺(tái)、衡水、滄州等6個(gè)地區(qū)供電任務(wù)。其中110 kV變電站涵蓋戶外和和半室內(nèi)兩種布置結(jié)構(gòu)，半室內(nèi)布置變電站地處市區(qū)，戶外布置變電站地處郊區(qū)；220 kV變電站涵蓋戶外布置和室內(nèi)布置兩種典型布置結(jié)構(gòu)，全室內(nèi)布置變電站地處市區(qū)，戶外布置變電站地處郊區(qū)；500 kV變電站均處于郊區(qū)，戶外布置。根據(jù)河北南網(wǎng)實(shí)際情況，選擇不同電壓等級(jí)具有代表性的變電站進(jìn)行測(cè)試。

選擇110 kV、220 kV和500 kV三個(gè)電壓等級(jí)的交流輸電線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。根據(jù)河北南網(wǎng)實(shí)際情況，110 kV輸電線路涵蓋同塔雙回和單回兩種結(jié)構(gòu)形式，220 kV輸電線路涵蓋同塔雙回和單回兩種結(jié)構(gòu)形式，500 kV輸電線路涵蓋同塔雙回、單回路緊湊型、單回三種結(jié)構(gòu)形式。為減小背景噪聲的影響，所選輸電線路均位于郊區(qū)。

2.2 人體感受主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)及處理

采用社會(huì)調(diào)查的方法，在調(diào)查并分析居民區(qū)低頻噪聲源的基礎(chǔ)上，選擇了具有不同特征代表的人員進(jìn)行低頻噪聲煩惱度的調(diào)查。即選擇具有不同水平低頻噪聲的輸變電設(shè)施，以年齡、性別及其他身體特征選擇大樣本的感受試驗(yàn)參與者，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)感受和錄音感受試驗(yàn)，調(diào)查不同特征人群對(duì)低頻噪聲生理承受水平[3]。在此基礎(chǔ)上，提出輸變電設(shè)施低頻噪聲限值水平。

人體感受試驗(yàn)在一個(gè)密閉的實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)進(jìn)行，并對(duì)選取的噪聲樣本制定了實(shí)際感受調(diào)查統(tǒng)計(jì)表，分別采用等級(jí)評(píng)分法和語(yǔ)義細(xì)分法對(duì)選取的聲音樣本進(jìn)行評(píng)價(jià)。表1、表2分別為試驗(yàn)時(shí)采用的調(diào)查表。

語(yǔ)義細(xì)分發(fā)數(shù)據(jù)處理，首先應(yīng)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，這是一切試驗(yàn)性研究必不可少的重要步驟。為此，從試驗(yàn)設(shè)計(jì)的樣本比較次數(shù)出發(fā)，提出針對(duì)語(yǔ)義細(xì)分法評(píng)價(jià)結(jié)果的兩類誤判分析方法與無(wú)效數(shù)據(jù)的剔除原則。依據(jù)正態(tài)分布假設(shè)，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)的結(jié)果表明:處理后的評(píng)價(jià)結(jié)果，能夠較好地符合正態(tài)分布規(guī)律，即無(wú)效數(shù)據(jù)剔除依據(jù)以及可允許一致性誤判的確定辦法是合理且有效的。理論上，由于該方法的提出是基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)本身的，因此不會(huì)受到各種特異性因素如，選用不同的評(píng)價(jià)尺度及評(píng)價(jià)指標(biāo)等的影響，具備普遍適用性。

等級(jí)評(píng)分法是將聲品質(zhì)的某一屬性劃分為若干個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)中又包含不同的分值，試驗(yàn)中評(píng)價(jià)者根據(jù)各自的主觀感知程度給出對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)分值，對(duì)某聲音樣本的全部評(píng)分取算術(shù)均值，作為該噪聲的聲品質(zhì)等級(jí)。這種方法簡(jiǎn)單快捷，評(píng)價(jià)工作量相對(duì)較小，而且所得結(jié)果為等級(jí)評(píng)分?jǐn)?shù)值，便于進(jìn)行后續(xù)的分析處理。顯然，該方法的關(guān)鍵在于確定適宜的評(píng)分等級(jí)刻度。課題主要采用國(guó)際上慣用的人體心里感受水平等級(jí)劃分，確定了5個(gè)等級(jí)。

2.3 測(cè)試儀器及要求

測(cè)量使用日本理音公司生產(chǎn)的NA－27型和丹麥2250精密噪聲分析儀，儀器符合GB/T3222-1994《聲學(xué)環(huán)境噪聲測(cè)量方法》的要求，為I級(jí)積分式聲級(jí)計(jì)，均具備1/3倍頻程的噪聲頻譜分析功能，頻譜范圍為0～20 kHz，其性能符合GB3785《聲級(jí)計(jì)電聲性能及測(cè)量方法》的規(guī)定，具有數(shù)據(jù)連續(xù)采集功能。

表1 語(yǔ)義細(xì)分法統(tǒng)計(jì)調(diào)查表Tab.1 Statistical investigation forms with method of semantic segmentation

表2 等級(jí)評(píng)分法統(tǒng)計(jì)調(diào)查表Tab.2 Statistical investigation forms with method of ranking and scoring

噪聲計(jì)距地面高度為1.5 m，傳聲器對(duì)準(zhǔn)噪聲源方向以測(cè)得最大值為原則[4]。讀數(shù)時(shí)測(cè)試人員應(yīng)距儀表0.5 m以遠(yuǎn)，測(cè)試人員手持儀器將手臂伸直，傳聲器對(duì)準(zhǔn)噪聲源方向，使儀表讀數(shù)為最大，不將儀器靠近身體，以免影響測(cè)試的準(zhǔn)確度。

統(tǒng)一使用10 s的等效連續(xù)A聲級(jí)測(cè)試模式，單位為dB（A）。儀器動(dòng)態(tài)特性為“慢”響應(yīng)，采樣時(shí)間間隔為5 s。每個(gè)測(cè)點(diǎn)都須測(cè)試等效連續(xù)A聲級(jí)，測(cè)試次數(shù)每點(diǎn)不小于3次。每次測(cè)試時(shí)間間隔大于5 min。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及噪聲頻譜分析

3.1 變電站設(shè)備噪聲水平測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析

在變電站區(qū)內(nèi)，噪聲源主要設(shè)備有變壓器、高壓電抗器以及架構(gòu)等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析看出，設(shè)備噪聲電壓等級(jí)的高低而發(fā)生較大的變化，究其原因是由于變壓器內(nèi)部鐵芯振動(dòng)有較大的變化，同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷的變化也影響設(shè)備噪聲水平。

測(cè)試結(jié)果顯示，變電站設(shè)備(運(yùn)行狀態(tài)下)噪聲水平基本在60～90 dB(A)等效聲級(jí)之間，變壓器及電抗器聲級(jí)水平的高低主要與電壓等級(jí)、運(yùn)行年限、運(yùn)行負(fù)荷以及生產(chǎn)廠家等有關(guān)聯(lián)。從表3可以看出，不同電壓等級(jí)的主變壓器噪聲整體水平不同，隨電壓等級(jí)的升高而增加，110 kV變壓器的噪聲水平在68 dB(A)左右，220 kV變壓器噪聲水平在70 dB(A)左右，而500 kV變壓器噪聲水平則達(dá)到了75 dB(A)；而站區(qū)內(nèi)線路架構(gòu)的噪聲水平受負(fù)荷、氣候的影響較大，單就架構(gòu)的噪聲水平基本維持在49～55 dB(A)之間；500 kV高抗設(shè)備的噪聲水平為71 dB(A)左右。由此可以看出，變電站對(duì)外界噪聲影響較大的主要噪聲源即為變壓器，其次對(duì)于500 kV變電站電抗器也是主要的噪聲產(chǎn)生源。

從根本原因上分析，電抗器和變壓器的本體噪聲主要是由硅鋼片的磁致伸縮和器體上的電磁力所引起的。所謂磁致伸縮就是硅鋼片在勵(lì)磁時(shí)，沿著磁力線方向的硅鋼片尺寸要增加，而垂直于磁力線方向的尺寸要縮小，磁致伸縮使得鐵心隨著勵(lì)磁的變化而周期地振動(dòng)。這種噪聲因頻率低，衰減慢，傳播遠(yuǎn)，實(shí)際應(yīng)用中非常難以抑制。

3.2 變電站設(shè)備噪聲頻譜分析

在對(duì)噪聲的研究中，噪聲的頻譜特性是最主要的測(cè)量項(xiàng)目，它能清晰地表示出一定頻帶范圍內(nèi)聲壓的分布情況，從而使我們能了解噪聲的成分和性質(zhì)，這就是頻譜分析。頻譜分析有助于了解聲源的性質(zhì)和識(shí)別主要噪聲源，頻譜中各峰值對(duì)應(yīng)的頻率(頻帶)就是由某種聲源產(chǎn)生的，找到了主要峰值對(duì)應(yīng)的聲源(主噪聲源)，就為噪聲控制提供了依據(jù)，這就是頻譜分析的意義所在。

圖1―圖4選取了不同電壓等級(jí)變壓器及500 kV電抗器的頻譜分析圖進(jìn)行了對(duì)比。

由頻譜分析圖不難看出，變電站設(shè)備的噪聲均屬于中、低頻噪聲，頻段在100 Hz～500 Hz為噪聲水平貢獻(xiàn)值最大。而高壓電抗器則頻率更低，在頻率為100 Hz左右時(shí)可以達(dá)到最高值?？梢源_定變壓器噪聲主要以中低頻噪聲為主，高壓電抗器和帶電構(gòu)架主頻段在低頻區(qū)，因此高壓變壓器和電抗器的噪聲由本體振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲影響較大。

圖1 110 kV變壓器噪聲頻譜圖Fig.1 Spectrum diagram of noise for 110 kV transformer

圖2 220 kV變壓器噪聲頻譜圖Fig.2 Spectrum diagram of noise for 220 kV transformer

圖3 500 kV變壓器噪聲頻譜圖Fig.3 Spectrum diagram of noise for 500 kV transformer

圖4 500 kV高壓電抗器噪聲頻譜圖Fig.4 Spectrum diagram of noise for High-pressure reactor

3.3 高壓輸電線路噪聲測(cè)試分析

河北南網(wǎng)輸電線路主要以交流輸電為主，選取了三個(gè)電壓等級(jí)交流輸電線路作為測(cè)試對(duì)象。將不同電壓等級(jí)輸電線路的噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)匯總，分別計(jì)算出處于表3所列5個(gè)噪聲水平區(qū)間的數(shù)據(jù)占全部數(shù)據(jù)量的百分比：

測(cè)試試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL 501-1992《架空送電線路可聽噪聲測(cè)試方法》要求，在選擇的測(cè)量檔距內(nèi)，以最邊相導(dǎo)線對(duì)地投影為起點(diǎn)，在導(dǎo)線對(duì)地最低點(diǎn)線路走向的橫截面上，向輸電線路外測(cè)確定測(cè)量點(diǎn)。表3數(shù)據(jù)均采用了距邊相導(dǎo)線對(duì)地投影15 m處的數(shù)據(jù),距離地面高度為1.5 m。所有測(cè)試均在晴天，風(fēng)速小于5 m/s的天氣情況下測(cè)試，下午14點(diǎn)之后線路基本處于滿負(fù)荷運(yùn)行。

3.4 高壓輸電線路可聽噪聲影響因素分析

高壓輸電線下可聽噪聲是由導(dǎo)線的電暈放電產(chǎn)生的，而輸電線路導(dǎo)線的各種參數(shù)對(duì)電暈現(xiàn)象有非常直接的影響；因此，線路導(dǎo)線的各種參數(shù)對(duì)輸電線下可聽噪聲的產(chǎn)生有非常重要的意義。從表3也可以看出，交流輸電線路噪聲等級(jí)與其運(yùn)行電壓等級(jí)有關(guān)系，但由于電壓等級(jí)越高，線路安裝高度越高，從距地面同一高度所測(cè)值，低壓線路反而影響更大。

3.5 輸變電設(shè)施低頻噪聲人體感受試驗(yàn)調(diào)查分析

（1）語(yǔ)義細(xì)分法等級(jí)評(píng)分法統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

采用語(yǔ)義細(xì)分法進(jìn)行噪聲評(píng)價(jià)時(shí)，盡管在試驗(yàn)前進(jìn)行了培訓(xùn)，但評(píng)價(jià)者的個(gè)人評(píng)價(jià)尺度在整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程中，仍處于不斷調(diào)整變化的狀態(tài)。通過(guò)調(diào)查評(píng)價(jià)者對(duì)整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程的感受發(fā)現(xiàn)，雖然評(píng)價(jià)者普遍存在不輕易使用極限評(píng)價(jià)值的心理特點(diǎn)，但大多數(shù)評(píng)價(jià)者也反映能夠充分利用調(diào)查表提供的評(píng)價(jià)尺度，在較短的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行低頻噪聲的相關(guān)語(yǔ)義評(píng)價(jià)；因此，本次試驗(yàn)完成評(píng)價(jià)任務(wù)的適宜度較好[5]。

參與本次評(píng)價(jià)人員共計(jì)23人，在試驗(yàn)前，對(duì)參與評(píng)價(jià)的人員進(jìn)行了一定的聲音感受培訓(xùn)，以盡量排除心理暗示，使得試驗(yàn)結(jié)果（見表4）更加合理真實(shí)。

由表4可以看出，本次調(diào)查結(jié)果合理，人體感受意愿隨著聲音級(jí)別的變化呈一定規(guī)律變化，因此其最終數(shù)據(jù)滿足調(diào)查要求。在40 dB(A)、45 dB(A)、50 dB(A)以“有點(diǎn)感覺，無(wú)所謂”為主要的人體感受，分別占到被調(diào)查人數(shù)的78.3%、56.5%和56.5%，但是上述三個(gè)噪音級(jí)別下選擇感受“勉強(qiáng)可以接受”的人數(shù)從3人增加到8人，而到了55 dB(A)級(jí)別時(shí)選擇感受“勉強(qiáng)可以接受”的人數(shù)達(dá)到11人，占調(diào)查人數(shù)近一半。若以“勉強(qiáng)可以接受”的人體感受作為限值制訂依據(jù)的話，從上表可以看出，該限值應(yīng)在45～55 dB(A)之間進(jìn)行選擇。

表3 輸電線路噪聲等級(jí)分布統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Investigation forms of the noise level for transmission line

表4 語(yǔ)義細(xì)分法試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表：Tab.4 Investigation forms of results with method of semantic segmentation

另外，需要特別注明的是，由于不可抗拒因素，根據(jù)前面所述的無(wú)效數(shù)據(jù)剔除原則，對(duì)表4中帶“(*)”的數(shù)據(jù)予以了剔除；

（2）等級(jí)評(píng)分法統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

在進(jìn)行語(yǔ)義細(xì)分法調(diào)查的同時(shí)，參與調(diào)查者按照表5的內(nèi)容對(duì)不同噪音級(jí)別進(jìn)行了等級(jí)評(píng)分，對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均值計(jì)算處理結(jié)果如下表5。

對(duì)照表5五個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)評(píng)分規(guī)律，由上表可以看出，40～50 dB(A)所得分值均處于第二個(gè)等級(jí)“有一點(diǎn)煩躁”，而從55 dB(A)開始，所得分值所處級(jí)別為“令人煩躁”級(jí)別以上。因此，由等級(jí)評(píng)分法進(jìn)行的人體感受調(diào)查可以得出，很明顯限值應(yīng)在40～50 dB(A)之間進(jìn)行選擇。

表5 等級(jí)評(píng)分法感受結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Investigation forms of results with method of ranking and scoring

同樣，為保證試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)程度，我們對(duì)于等級(jí)評(píng)分法調(diào)查實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定評(píng)價(jià)者得出的調(diào)查結(jié)果予以剔除[6]。其余數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均值計(jì)算，以獲得每個(gè)樣本的最終結(jié)果。表5中所采用的噪聲樣品代表了具有低頻特征的輸變電設(shè)施低頻噪聲，具有典型性。

3.6 推薦限值分析

根據(jù)人體感受主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值，推薦高壓輸變電設(shè)備低頻噪聲最高限值為40～55 dB(A)，參考GB 3096-2008標(biāo)準(zhǔn)中不同功能區(qū)的特點(diǎn)，在以上區(qū)間內(nèi)進(jìn)行選擇。該限值區(qū)間從參考了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及項(xiàng)目中參與人體感受試驗(yàn)的結(jié)論出發(fā)，從噪聲級(jí)水平和頻譜分析兩大方面進(jìn)行了研究確立。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓輸變電設(shè)施低頻噪聲特性與限值的研究工作，一方面為我國(guó)輸變電工程的建設(shè)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持；一方面也減少了輸變電工程在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的環(huán)保糾紛問(wèn)題，同時(shí)也為處理糾紛提供了一定的技術(shù)支持；除此之外，項(xiàng)目的成果也將為輸變電工程環(huán)保工作管理提供了依據(jù)。

項(xiàng)目中提出的高壓輸變電設(shè)施低頻噪聲的合理限值水平，制定規(guī)范的高壓輸變電設(shè)施低頻噪聲測(cè)量方法，為未來(lái)參與制定科學(xué)的低頻噪聲環(huán)保限值標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)，具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義，有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

文中僅對(duì)指定的人員進(jìn)行了單功能區(qū)施行了調(diào)查，而沒(méi)有考慮到不同功能區(qū)之間的因素。因此，在對(duì)高壓輸變電設(shè)施低頻噪聲限值制定時(shí)，必須考慮國(guó)家現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

[1]余尤好，陳寶志.大型電力變壓器的噪聲分析與控制[J].變壓器，2007，44(6)：22-26.

[2]唐國(guó)漢，黎世林.大型設(shè)備及其作業(yè)場(chǎng)所低頻噪聲強(qiáng)度及頻譜分析[J].2000，27(5)：27-28.

[3]毛東興，高亞麗，俞悟周，等.聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的分組成對(duì)比較法研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2005，30(6)：515-520.

[4]葉建斌，陳 雁.變電站環(huán)境噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析討論[J].廣東電力，2005，18(10)：53-56.

[5]閆 靚，陳克安.低頻噪聲聲品質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2006，25(6)：540-546.

[6]陳美麗，何蘭波.低頻噪聲對(duì)人體健康的影響[J].新醫(yī)學(xué)導(dǎo)刊，2008，7（10）：55-56.