一種戶外變電站用聲屏障模塊化降噪方法

陳勇，田一，王云輝，樊超，何強(qiáng)，聶京凱，朱全軍，肖偉民

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，昆明 650011；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102211；3.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054）

引言

為解決我國能源分布不均的問題，實(shí)現(xiàn)高電壓、長(zhǎng)距離、大容量輸送電目標(biāo)，特高壓輸變電技術(shù)近年來迅速發(fā)展，國民逐年增加的用電需求得到滿足。同時(shí)，高壓輸電線路逐漸深入城區(qū)，使許多高電壓、大容量的變壓器的位置鄰近居民生活區(qū)，設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重影響居民的正常生活，噪聲投訴的風(fēng)險(xiǎn)增大。尤其對(duì)于戶外變電站，由于缺少主變室等建筑物的遮擋，噪聲排放通路多，衰減緩慢，影響范圍大。

各變壓器廠商及科研機(jī)構(gòu)等高度重視噪聲問題，從工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面提出了多項(xiàng)措施，如通過變壓器身壓緊裝置的改良[1]、油箱振動(dòng)的抑制[2]等。理論而言，這些措施可較好的控制鐵心振動(dòng)的產(chǎn)生[3、4]，但由于缺乏工程實(shí)踐檢驗(yàn)，技術(shù)成熟度尚有待提高。目前，聲屏障、隔聲罩等輔助降噪技術(shù)仍是應(yīng)用最多的降噪方案。歐陽玲等[5]仿真分析了某半戶內(nèi)變電站中聲屏障的降噪效果，宋健等研究了特高壓變電站中隔聲罩的應(yīng)用方法。

進(jìn)行輔助降噪設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的影響因素較多，包括材料選擇、安裝位置、結(jié)構(gòu)形式和設(shè)備散熱等，設(shè)計(jì)過程較為復(fù)雜。為提高戶外變電站降噪設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化降噪效果，本文針對(duì)聲屏障降噪設(shè)施，基于聲傳播理論和聲場(chǎng)仿真分析技術(shù)，提出了一種模塊化降噪設(shè)計(jì)方法。

1 聲屏障模塊化設(shè)計(jì)過程研究

1.1 確定優(yōu)化目標(biāo)

通過戶外變電站站界噪聲測(cè)量，獲得聲源設(shè)備近場(chǎng)噪聲和站界噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和1/3倍頻程頻譜。參照《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12348—2008）的相關(guān)要求，確定站界噪聲的降噪量要求。

對(duì)于在役變電站，通過站界噪聲測(cè)量獲得噪聲聲壓級(jí)，降噪量指標(biāo)=站界噪聲聲壓級(jí)-國標(biāo)規(guī)定站界噪聲聲壓級(jí)限值。

對(duì)于新建變電站，降噪量指標(biāo)可計(jì)算獲得。若存在多個(gè)聲源設(shè)備，則總體聲壓級(jí)為：

式中：

Lw—聲源設(shè)備總聲壓級(jí)；

Li—第i個(gè)聲源的聲壓級(jí)；

n—聲源設(shè)備個(gè)數(shù)。

變壓器位于地面，屬于半自由場(chǎng)，根據(jù)噪聲傳播衰減公式，當(dāng)站界距離主變距離較遠(yuǎn)時(shí)，站界噪聲聲壓級(jí)為：

式中：

Lp—站界聲壓級(jí)；

r—聲源設(shè)備與站界的距離 。

當(dāng)站界距離主變較近時(shí)（5倍尺寸以內(nèi)），站界噪聲聲壓級(jí)為：

式中：

r0—距離主變較近的某點(diǎn)與變壓器距離；

LA—距離主變r(jià)0位置處的噪聲聲壓級(jí)。

查詢GB 12348—2008規(guī)定的廠界噪聲限值，與計(jì)算出的站界聲壓級(jí)之差，即為降噪量大小。

1.2 隔聲模塊的設(shè)計(jì)

壁板是聲屏障的主體結(jié)構(gòu)部件，也是發(fā)揮隔聲功能的關(guān)鍵部分。根據(jù)“隔聲質(zhì)量定律”，壁板的隔聲量與其表面密度的對(duì)數(shù)成正比。罩壁常采用的材料有鋼板、混凝土板和玻璃鋼等。為提升降噪效果，部分聲屏障選用雙層隔聲結(jié)構(gòu)，其隔聲能力取決于雙層構(gòu)件的面密度、空氣層厚度、結(jié)構(gòu)剛度、固有頻率、空氣層中聲橋的作用大小等。

由于市面上隔聲材料種類眾多，性能特點(diǎn)各不相同，為獲得最優(yōu)化的隔聲效果，在隔聲模塊材料選用時(shí)，本設(shè)計(jì)采用了“降噪材料、降噪構(gòu)件、降噪裝置性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”，對(duì)各項(xiàng)材料的聲學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析。該系統(tǒng)針對(duì)變電站降噪需求設(shè)計(jì)，共收錄了60余種不同類型降噪材料的聲學(xué)、耐候性能數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫的隔聲模塊，可根據(jù)測(cè)量的變電站噪聲頻譜特征和聲壓級(jí)水平，對(duì)多種材料的隔聲性能快速查詢，查詢數(shù)據(jù)包括80～5000Hz內(nèi)1/3倍頻程上的隔聲量、計(jì)權(quán)隔聲量和沙塵/雨淋耐候試驗(yàn)后的隔聲量。

1.3 聲屏障的高度和位置設(shè)計(jì)

為了掌握主變降噪用聲屏障高度和位置對(duì)隔聲降噪效果的影響，本文首先以主變?cè)O(shè)備外2m安全距離位置作為原點(diǎn)，分別布設(shè)高度為5m、10m、15m，距離為0m、5m和10m的聲屏障，采用SoundPLAN軟件仿真分析主變附近的聲場(chǎng)狀況，評(píng)估降噪效果。

1.3.1 聲屏障高度的影響研究

對(duì)布設(shè)在主變周邊原點(diǎn)位置，高度分別為5m、10m和15m的聲屏障隔聲效果進(jìn)行分析（見圖1），可知主變聲源噪聲由于聲屏障的作用，聲波行程發(fā)生顯著變化，在聲屏障高度以下、距原點(diǎn)水平距離5m外的聲影區(qū)范圍內(nèi)基本可以達(dá)到45dB（A）以下，滿足《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12348—2008）的Ⅰ類限值要求。但在聲屏障高度以上區(qū)域，由于聲繞射現(xiàn)象，噪聲水平仍然較高，且隨距離增加而衰減。當(dāng)聲屏障高度為5m時(shí)，敏感點(diǎn)與原點(diǎn)位置的水平距離超過30m時(shí)，所有高度的噪聲水平下降到45dB（A）以下；當(dāng)聲屏障高度增加到10m、15m時(shí)，這一衰減距離分別縮減為15m、5m。由此可知，隨著聲屏障高度的增加，噪聲的有效防護(hù)范圍逐漸增大，聲屏障高度以上區(qū)域的噪聲水平逐漸下降。

圖1 聲屏障布設(shè)在原點(diǎn)、高度不同時(shí)的主變聲源附

1.3.2 聲屏障位置對(duì)隔聲降噪效果的影響研究

圖2顯示了高度為5m、不同安裝距離下聲屏障周邊的環(huán)境聲場(chǎng)分布圖。盡管在聲屏障高度以下的聲影區(qū)范圍內(nèi)噪聲基本下降到45～50dB（A）以下，但在聲屏障高度以上的區(qū)域，噪聲水平仍然較高，隨著聲屏障與主變距離的增加，聲繞射效應(yīng)更加嚴(yán)重，噪聲水平逐漸提升，所有高度上噪聲水平下降至45dB（A）以下的最低噪聲衰減距離逐漸增大?？傮w來說，聲屏障距離主變聲源越近，噪聲防護(hù)范圍越大，越有利于不同高度區(qū)域內(nèi)的噪聲控制。然而，由于變壓器檢修、巡視需要，聲屏障往往遠(yuǎn)離變壓器噪聲源，多數(shù)情況下被安裝在變電站站界位置。

圖2 布設(shè)距離不同、高度5m的聲屏障周邊環(huán)境聲場(chǎng)分布圖

1.3.3 聲屏障高度、位置參數(shù)的確定

在上述研究的基礎(chǔ)上，為保證聲屏障聲影區(qū)有效覆蓋周邊所有噪聲敏感點(diǎn)，同時(shí)合理控制工程成本，結(jié)合仿真分析和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)聲屏障高度/位置參數(shù)查詢系統(tǒng)。該系統(tǒng)收錄了多種聲屏障設(shè)計(jì)方案，僅需輸入聲屏障的高度、布設(shè)距離和周邊敏感點(diǎn)的坐標(biāo)信息，即可獲得敏感點(diǎn)處的聲壓級(jí)水平，再根據(jù)查詢結(jié)果對(duì)聲屏障參數(shù)進(jìn)行反饋調(diào)整，即可確定聲屏障最優(yōu)化參數(shù)。

1.4 聲屏障模塊化設(shè)計(jì)流程

在綜合掌握聲屏障隔聲材料、高度和安裝位置對(duì)降噪效果影響的基礎(chǔ)上，本文提出了聲屏障模塊化設(shè)計(jì)方法，其總體設(shè)計(jì)流程如見圖3。

圖3 變壓器用聲屏障模塊化設(shè)計(jì)流程

2 500kV戶外變電站聲屏障降噪方案設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

某500kV變電站屬于南方變電站典型設(shè)計(jì)中的戶外變電站，該變電站共有3臺(tái)主變壓器，均為戶外布置，容量750MVA，主變壓器之間設(shè)置了一堵防火墻。該變電站位于郊區(qū)，站內(nèi)聲源設(shè)備未經(jīng)過任何降噪處理，很容易引起噪聲投訴。

對(duì)該變電站進(jìn)行噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后得到，廠界圍墻西側(cè)的晝間聲壓級(jí)最高達(dá)61.3dB（A）、夜間聲壓級(jí)最高60.1dB（A），夜間噪聲頻譜圖見圖4。其他方向的噪聲水平均在50dB（A）以下。根據(jù)GB 12348—2008的要求，該變電站周邊屬于Ⅱ類聲環(huán)境功能區(qū)，其廠界噪聲排放限值為：晝間≤60dB（A）、夜間≤50dB（A）。因此，必須對(duì)該變電站進(jìn)行噪聲治理。

圖4 站界噪聲頻譜圖

2.2 設(shè)計(jì)概況

本項(xiàng)目擬在該變電站西側(cè)配置高效隔聲屏障，并進(jìn)行隔聲屏障基礎(chǔ)構(gòu)件、主體構(gòu)件及其輔助構(gòu)件的施工、安裝和調(diào)試工作。

2.2.1 確定降噪量目標(biāo)

由于在夜間變電站廠界最高聲壓級(jí)為60.1dB（A），為實(shí)現(xiàn)站界噪聲降低至50dB（A）的目標(biāo)，聲屏障的隔聲量應(yīng)達(dá)到60.1-50=10.1dB（A）。同時(shí)，為控制變壓器低頻噪聲的影響，針對(duì)100Hz低頻噪聲，降噪量應(yīng)為67.7-50=17.7dB（A）。

2.2.2 聲屏障隔聲模塊的設(shè)計(jì)

由于平均隔聲降噪指標(biāo)不低于10.1dB（A），同時(shí)100Hz降噪量不低于17.7dB（A）。查詢“降噪材料、降噪構(gòu)件、降噪裝置性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”可知，1mm厚度鋼板即可滿足要求，其計(jì)權(quán)隔聲量31dB（A），100Hz隔聲量18.4dB（A）。由于存在聲繞射現(xiàn)象，為確保良好的隔聲效果，本體隔聲量應(yīng)比所需隔聲量大10dB（A）以上。查詢“降噪材料、降噪構(gòu)件、降噪裝置性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”可知，2.5mm厚鋼板可滿足要求，其計(jì)權(quán)隔聲量38.5dB（A），100Hz隔聲量28.7dB（A）。

2.2.3 聲屏障高度和位置的初步設(shè)計(jì)

根據(jù)變電站周邊調(diào)研，在距離站界西側(cè)約25m，距離變壓器30m的位置，存在敏感建筑物，建筑物高度約為10m。為保證敏感建筑物內(nèi)噪聲達(dá)標(biāo)，需確保樓內(nèi)噪聲聲壓級(jí)在47～50dB（A）之間，故選定敏感點(diǎn)坐標(biāo)信息為距離變壓器30m，高度5m（位于建筑物內(nèi)）。根據(jù)聲屏障應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在聲屏障高度/位置參數(shù)查詢系統(tǒng)中查詢不同聲屏障方案的降噪效果，最終選定的參數(shù)為高度8m，距離變壓器7m。

2.2.4 其他性能的設(shè)計(jì)

聲屏障的底部基礎(chǔ)固定設(shè)置了預(yù)埋件，在此基礎(chǔ)上安裝8m高鋼立柱和輔助支撐結(jié)構(gòu)。鋼立柱采用125mm×125mmH型鋼，立柱間距為2.5m，輔助支撐結(jié)構(gòu)采用方管結(jié)構(gòu)焊接而成。聲屏障的地下基礎(chǔ)，采用埋設(shè)條形基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。聲屏障的主體受力支撐結(jié)構(gòu)為Q235鋼材質(zhì)，其力學(xué)性能滿足抗風(fēng)、抗震要求。聲屏障的材料均為不燃性材料，也不影響主變消防管路和排風(fēng)排煙設(shè)施運(yùn)行，因而不會(huì)對(duì)主變安全運(yùn)行構(gòu)成影響。

2.3 實(shí)際降噪效果

采用距離變壓器2m、高度10m的聲屏障降噪方案，對(duì)該變電站進(jìn)行噪聲治理。

完成聲屏障的安裝后，分別在距離變電站站界圍墻1m、高0.5m處，以及居民樓約40m高樓層處進(jìn)行噪聲測(cè)量，噪聲測(cè)量結(jié)果見下表。由此可知，采用該聲屏障降噪方案，能夠有效控制變電站噪聲排放。

聲屏障安裝前后變電站站界與居民樓敏感位置噪聲測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)論

為控制500kV戶外變電站噪聲，本文提出了一種聲屏障的模塊化設(shè)計(jì)方法。形成了以下結(jié)論：

（1）聲屏障的壁板是發(fā)揮隔聲功能的主要構(gòu)件，針對(duì)變電站噪聲特征，通過查詢“降噪材料、降噪構(gòu)件、降噪裝置性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”可優(yōu)選出低頻降噪效果優(yōu)良的隔聲材料。

（2）聲屏障的降噪效果與聲屏障距離聲源設(shè)備的位置、聲屏障高度密切相關(guān)：距離越近，高度越高，聲屏障的聲影區(qū)范圍越大，防護(hù)效果越明顯。

（3）結(jié)合仿真分析和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了“聲屏障高度/位置參數(shù)查詢系統(tǒng)”，可有效指導(dǎo)聲屏障的高度和位置設(shè)計(jì)。

（4）采用模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)某500kV變電站進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)。聲屏障安裝后，經(jīng)過噪聲檢測(cè)，站界與西側(cè)建筑物內(nèi)的噪聲水平均已控制在50dB（A）以下，滿足GB 12348—2008中Ⅱ類聲環(huán)境功能區(qū)的限值要求。