220kV變電站變壓器噪聲衰減預(yù)測(cè)研究

米靜潔， 岳元東， 謝毅霏

（山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001）

引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和城市化進(jìn)程的加快，居民與變電站及輸電線路的接觸日益增多，有關(guān)噪聲的投訴和糾紛也日益增多。

從山西省已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的220kV變電站的廠界噪聲看，有些變電站存在廠界噪聲偏高問題，采用簡(jiǎn)單的點(diǎn)聲源或體聲源進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)時(shí)，結(jié)果都不理想，投運(yùn)后的廠界噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果與環(huán)境評(píng)價(jià)時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果也存在較大差距。因此，對(duì)220kV變電站的廠界噪聲的特性和傳播規(guī)律的研究是非常必要的。

為了找到更接近實(shí)際的預(yù)測(cè)方法，本文對(duì)山西省一些已經(jīng)運(yùn)行的220kV變電站的變壓器進(jìn)行了噪聲實(shí)測(cè)，通過線性擬合（回歸相關(guān)分析）得出合理的噪聲衰減預(yù)測(cè)公式。

1 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)原則及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

1.1 監(jiān)測(cè)射線分類及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

在變電站實(shí)際噪聲衰減中，因?yàn)樗幍奈恢貌煌?，可能?huì)產(chǎn)生不同的聲學(xué)衰減特性。因此，將處在不同空間位置的射線根據(jù)其相似性分為4類：第1類為變壓器邊角出線；第2類為變壓器正面出線；第3類為2臺(tái)變中間射線，射線監(jiān)測(cè)原則布點(diǎn)圖見圖1；第4類為單臺(tái)變射線，射線監(jiān)測(cè)原則布點(diǎn)圖見圖2。測(cè)點(diǎn)垂直高度為1.5m，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為A聲級(jí)。

圖1 變壓器邊角射線、2臺(tái)變中間射線、變壓器正側(cè)射線示意圖

圖2 單臺(tái)變射線

本文對(duì)張禮、東鳴等5個(gè)變電站進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果歸類見第64頁(yè)表1。

1.2 聲功率級(jí)的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)原則及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

監(jiān)測(cè)輪廓線設(shè)在設(shè)備輪廓線的外圍1m處，按220kV變壓器的常規(guī)高度（4m～5m）設(shè)2條輪廓線，分別位于油箱高度1／3處和2／3處的水平面上。測(cè)點(diǎn)布置在輪廓線上，等距離布點(diǎn)，間隔為1m。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為A聲級(jí)。聲功率級(jí)監(jiān)測(cè)原則布點(diǎn)圖見第64頁(yè)圖3。

表1 實(shí)測(cè)射線分類情況

圖3 包絡(luò)面監(jiān)測(cè)原則布點(diǎn)圖

2 各射線實(shí)測(cè)值與距離的線性擬合

2.1 線性擬合方案的確立

變壓器不是一個(gè)點(diǎn)聲源，而是由多個(gè)小體聲源合成的一個(gè)不均勻的大體聲源，如，變壓器本體電磁噪聲、冷卻風(fēng)機(jī)噪聲及設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲等［1－2］。對(duì)于變壓器噪聲對(duì)環(huán)境影響的預(yù)測(cè)，理應(yīng)采用多聲源疊加模式進(jìn)行預(yù)測(cè)，但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，變壓器的各聲源是分不開的，無法用多聲源疊加方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此，我們采用線性擬合（回歸相關(guān)分析）的方法來找到變壓器不同射線的噪聲衰減公式。

進(jìn)行對(duì)數(shù)線性擬合是基于以下幾方面因素考慮的：

1）本次監(jiān)測(cè)的射線布置基本在自由場(chǎng)中，射線上方及兩側(cè)沒有遮擋體，周圍環(huán)境中也沒有其他固定的噪聲源，噪聲衰減符合對(duì)數(shù)衰減規(guī)律；

2）對(duì)射線進(jìn)行了分類，可以排除聲源的差別對(duì)衰減公式系數(shù)的影響；

3）本次監(jiān)測(cè)的數(shù)值一般都在50dB以上，環(huán)境的背景值一般在30dB～35dB，從聲壓級(jí)疊加角度考慮，可以不考慮環(huán)境背景噪聲的影響；

4）由于采用包絡(luò)面法對(duì)變壓器的聲功率級(jí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，擬合的曲線可以用聲功率級(jí)預(yù)測(cè)公式進(jìn)行對(duì)比修正。

2.2 線性擬合結(jié)果分析

為了便于直觀了解衰減規(guī)律，我們選了有代表性的變電站的射線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在平面坐標(biāo)系中繪制了2種聲壓級(jí)折線圖，見圖4～圖7。一種折線圖的橫坐標(biāo)取射線的實(shí)際距離值，另一種折線圖橫坐標(biāo)取射線距離的對(duì)數(shù)值。

從圖4、圖6可以看出，取射線實(shí)際距離，分布呈曲線形態(tài)；從圖5和第65頁(yè)圖7可以看出，當(dāng)距離取對(duì)數(shù)后，分布趨向于直線形態(tài)。說明采用對(duì)數(shù)擬合方法是比較合適的。

圖4 東鳴射線等距衰減圖

圖5 東鳴射線對(duì)數(shù)衰減圖

圖6 馬莊射線等距衰減圖

3 分類射線擬合預(yù)測(cè)公式

3.1 預(yù)測(cè)公式的擬合

對(duì)同類射線利用下述擬合公式計(jì)算聲壓級(jí)。計(jì)算聲壓級(jí)時(shí)用的2個(gè)公式基本形式為：

利用聲功率級(jí)計(jì)算聲壓級(jí)，見第65頁(yè)式（1）。

圖7 馬莊射線對(duì)數(shù)衰減圖

Lw取變壓器包絡(luò)面計(jì)算的聲功率級(jí)，見式（2）。

利用實(shí)測(cè)值計(jì)算聲壓級(jí)，見公式（3）。

式中：r0為幾何中心、虛擬聲源中心到參考點(diǎn)的距離，Lr0取射線r0（m）處實(shí)測(cè)的聲壓級(jí)。

設(shè)備虛擬聲源中心點(diǎn)的確定方法［3］：

變壓器包絡(luò)面上實(shí)測(cè)點(diǎn)與虛擬聲源中心點(diǎn)的位置如圖8所示。

圖8 變壓器包絡(luò)面上實(shí)測(cè)點(diǎn)與虛擬聲源中心點(diǎn)的位置

如圖8，我們?cè)O(shè)定變壓器包絡(luò)面上2點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)為L(zhǎng)A（ra）、LA（rb），它們距虛擬聲源中心點(diǎn)的距離分別為ra、rb，且ra＋rb＝R。

將LA（ra）、LA（rb）分 別 代 入 公 式LA（ra）＝LWA－20lgr－8中，進(jìn)行公式轉(zhuǎn)換后得式（4）。

將rb＝R－ra代入式（4），得式（5）。

式中：LA（ra）、LA（rb）、R都為已知數(shù)據(jù)，從而可以推出ra、rb。

3.2 射線的總體擬合結(jié)果

1類射線取監(jiān)測(cè)的10條中8條相關(guān)性好的射線（剔除東鳴1號(hào)、大堡頭1號(hào)射線）；2類射線取監(jiān)測(cè)的9條中7條相關(guān)性好的射線（剔除大堡頭2、4號(hào)射線）；3類射線共監(jiān)測(cè)了3條；4類射線取監(jiān)測(cè)的6條中5條相關(guān)性好的射線（剔除楊家堡1號(hào)射線）；將其距離衰減系數(shù)的平均值作為b值。擬合的計(jì)算公式見表2。

表2 b值取距離衰減系數(shù)的平均值的擬合計(jì)算公式

設(shè)LA（r1）是以幾何中心為起點(diǎn)，用聲功率級(jí)計(jì)算的聲壓級(jí)；LA（r2）是以幾何中心為起點(diǎn)，用r0m處實(shí)測(cè)聲壓級(jí)計(jì)算的聲壓級(jí)；LA（r3）是以虛擬聲源中心為起點(diǎn)，用聲功率級(jí)計(jì)算的聲壓級(jí)；LA（r4）是以虛擬聲源中心為起點(diǎn)，用r0m處實(shí)測(cè)聲壓級(jí)計(jì)算的聲壓級(jí)。

對(duì)應(yīng)幾何中心、虛擬聲源中心為起始點(diǎn)，對(duì)4類射線用擬合的預(yù)測(cè)公式所計(jì)算的聲壓級(jí)與實(shí)測(cè)聲壓級(jí)進(jìn)行相關(guān)分析。令實(shí)測(cè)聲壓級(jí)為X，計(jì)算的聲壓級(jí)為Y，得到線性相關(guān)公式：Y＝a′＋b′X，4類射線實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相關(guān)分析結(jié)果的平均值見表3。從表3數(shù)據(jù)可以看出，射線的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性較好，其 中 1 類射 線 的LA（r3）和LA（r4）、2 類 射 線 的LA（r3）和LA（r4）、4類射線的LA（r1）和LA（r2）與實(shí)測(cè)值比較接近，即近似等于1。

表3 射線實(shí)測(cè)噪聲聲壓級(jí)與計(jì)算噪聲聲壓級(jí)回歸結(jié)果

3.3 射線再次相關(guān)分析的結(jié)果

對(duì)4類射線的10組數(shù)據(jù)的距離衰減系數(shù)b值進(jìn)行調(diào)整，使得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性較好，即近似等于1。調(diào)整后的1、2、3、4類射線的b值分別取24、20、20、20。4類射線相關(guān)分析結(jié)果的平均值見表4。

表4 實(shí)測(cè)噪聲聲壓級(jí)與計(jì)算噪聲聲壓級(jí)回歸結(jié)果均值

4 推薦公式及參數(shù)選取

推薦的預(yù)測(cè)公式與常規(guī)預(yù)測(cè)公式型式相同，只是參數(shù)有所變化，推薦的預(yù)測(cè)公式如式（6）。

1）用聲功率級(jí)預(yù)測(cè)的公式，見式（6）。

式中：Lr為距主要聲源r（m）處的聲壓級(jí)［dB（A）］；Lw為聲源設(shè)備的聲功率級(jí)；b為距離衰減系數(shù)；r為預(yù)測(cè)點(diǎn)距聲源中心（或聲源幾何中心）的距離，m；8為以半球面（地面源）輻射的聲源特征常數(shù)，以球面體（較高的空間源）輻射的聲源特征常數(shù)取11。

此公式用于聲源點(diǎn)到預(yù)測(cè)點(diǎn)沒有明顯遮擋體的情況，考慮到變電站總體面積（邊長(zhǎng)）不大，沒有考慮空氣吸聲作用。若考慮空氣吸聲作用后，廠界噪聲預(yù)測(cè)值還可降低約0.5dB～1.0dB。

2）用參考點(diǎn)聲壓級(jí)預(yù)測(cè)的公式，見式（7）。

式中：Lr為距主要聲源r（m）處的聲壓級(jí)［dB（A）］；Lr0為參考點(diǎn)r0處的聲壓級(jí)dB（A）；r，r0分別為預(yù)測(cè)點(diǎn)、參考點(diǎn)距聲源中心（或聲源幾何中心）的距離（m），當(dāng)給定設(shè)備邊緣1m處的聲壓級(jí)時(shí)，r0應(yīng)取1＋設(shè)備聲源中心（或幾何中心）距設(shè)備邊緣距離；b為距離衰減系數(shù)。

3）預(yù)測(cè)公式的參數(shù)的選擇

對(duì)于220kV變壓器，式（6）、（7）參數(shù)選擇建議值見表5。

表5 預(yù)測(cè)計(jì)算的參數(shù)選擇建議值

5 結(jié)論及建議

本次研究利用了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在不違反噪聲隨距離呈對(duì)數(shù)衰減的基本規(guī)律前提下，進(jìn)行了實(shí)測(cè)值與距離的相關(guān)分析，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)分析。通過相關(guān)分析，推薦的預(yù)測(cè)公式的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)接近0.98以上，截距接近0，斜率接近1?？梢?，推薦公式可用于變電站噪聲的預(yù)測(cè)，在變電站設(shè)備訂貨和總平面布置中，可進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)來確定變壓器設(shè)備訂貨時(shí)的噪聲技術(shù)要求，或通過優(yōu)化總平面布置來滿足廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。

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