變電站聲環(huán)境影響預(yù)測(cè)中聲源虛擬中心點(diǎn)的確定

朱藝婷　周 峰　徐春燕

(浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 杭州　310012)

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變電站聲環(huán)境影響預(yù)測(cè)中聲源虛擬中心點(diǎn)的確定

朱藝婷周 峰徐春燕

(浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 杭州310012)

摘要：在變電站聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，未滿足聲源中心到預(yù)測(cè)點(diǎn)之間的距離超過(guò)聲源最大幾何尺寸2倍的情況下，仍簡(jiǎn)化為點(diǎn)聲源進(jìn)行預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。以杭州地區(qū)1臺(tái)220 kV已投運(yùn)的變壓器為例，使用包絡(luò)表面法測(cè)量其正常運(yùn)行時(shí)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和背景聲壓級(jí)，計(jì)算該臺(tái)主變的聲功率級(jí)。根據(jù)半自由場(chǎng)聲源聲壓級(jí)與聲功率級(jí)的數(shù)量關(guān)系，推導(dǎo)聲源虛擬中心點(diǎn)的位置，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與兩種不同衰減距離取值下的理論預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，在測(cè)點(diǎn)距離聲源較近區(qū)域內(nèi)，衰減距離的取值應(yīng)為測(cè)點(diǎn)至聲源虛擬中心點(diǎn)的距離，不能簡(jiǎn)單使用測(cè)點(diǎn)至外廓邊界距離。

關(guān)鍵詞：變壓器；噪聲預(yù)測(cè)；包絡(luò)表面法；虛擬中心點(diǎn)；衰減

近年來(lái)，國(guó)家以擴(kuò)能、成網(wǎng)為主導(dǎo)，規(guī)劃并建設(shè)了一大批基礎(chǔ)電力設(shè)施，建成并投運(yùn)了多條特高壓、超高壓的交流、直流輸電線路，輸配電網(wǎng)逐漸完善，供電服務(wù)范圍進(jìn)一步深入負(fù)荷區(qū)域，極大地完善了電能供給。

在此背景下，作為輸變電設(shè)施中不可或缺的變電站，其環(huán)境影響成為公眾關(guān)注的熱點(diǎn)。電壓等級(jí)110 kV及以上的變電站在開(kāi)工建設(shè)前均需履行環(huán)保審批手續(xù)，這其中，除電磁環(huán)境影響外，噪聲也成為不可忽視的一個(gè)影響因子。因此，應(yīng)選取合理的預(yù)測(cè)參數(shù)和計(jì)算方法，對(duì)變電站主要聲源變壓器產(chǎn)生的噪聲影響程度進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)。

1變壓器噪聲的聲源解析

變壓器在正常運(yùn)行情況下，產(chǎn)生的噪聲包含了機(jī)械噪聲和氣流噪聲。其中，變壓器鐵心勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生的磁致伸縮會(huì)引起空氣振動(dòng)，冷卻風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生氣流漩渦，這些均能產(chǎn)生氣流噪聲；線圈導(dǎo)體間的吸力和斥力，變壓器油箱壁和散熱管的振動(dòng)，這些均能產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。

因此，變壓器是一個(gè)包含多種類(lèi)型噪聲的復(fù)合聲源，本體輻射的噪聲屬于中、低頻噪聲，頻段在100～500 Hz為噪聲水平貢獻(xiàn)值最大[1]，通風(fēng)散熱系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)噪聲則以中高頻噪聲為主[2]。

2變電站聲環(huán)境影響預(yù)測(cè)中存在的問(wèn)題

對(duì)變電站進(jìn)行噪聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)，主要評(píng)價(jià)依據(jù)為HJ 2.4—2009《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則聲環(huán)境》，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括GB 12523—2011《建筑施工場(chǎng)界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》等。

對(duì)變電站運(yùn)行期聲環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程中，在確定評(píng)價(jià)等級(jí)后，首先應(yīng)了解變電站內(nèi)主要的噪聲源種類(lèi)、數(shù)量、源強(qiáng)、分布情況、至廠界距離等參數(shù)，并進(jìn)行工程分析。同時(shí)，調(diào)查變電站周?chē)?00 m評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，包括類(lèi)型、數(shù)量、相對(duì)位置、建筑物情況等。

取得上述基本資料后，選擇合適的預(yù)測(cè)模式對(duì)聲源進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)類(lèi)比分析或理論計(jì)算，預(yù)測(cè)聲源正常運(yùn)行的情況下，廠界及周邊環(huán)境保護(hù)目標(biāo)受噪聲影響的程度。必要情況下，根據(jù)聲環(huán)境技術(shù)導(dǎo)則一級(jí)、二級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)的要求，繪制等聲線圖，用以直觀顯示工程投運(yùn)后噪聲影響的程度和范圍。遇到高度較高、樓層數(shù)較多的環(huán)境保護(hù)目標(biāo)時(shí)，還應(yīng)對(duì)垂直方向上噪聲變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

環(huán)評(píng)單位在進(jìn)行噪聲衰減的計(jì)算時(shí)，一般都直接將變壓器簡(jiǎn)化為點(diǎn)聲源，利用設(shè)計(jì)單位或主變壓器生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)，即距離主變1 m或2 m處的聲壓級(jí)直接進(jìn)行計(jì)算。該方法對(duì)于整個(gè)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)來(lái)說(shuō)，是可行的，因?yàn)榕c整個(gè)變電站和評(píng)價(jià)范圍比較可知，主變的尺寸相對(duì)較小，這種簡(jiǎn)化是合理的。但對(duì)于近距離范圍來(lái)說(shuō)，這種簡(jiǎn)化存在一定的不準(zhǔn)確性。根據(jù)HJ 2.4—2009《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則聲環(huán)境》中點(diǎn)聲源的定義，在聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，聲源中心到預(yù)測(cè)點(diǎn)之間的距離超過(guò)聲源最大幾何尺寸2倍時(shí)，可將該聲源近似為點(diǎn)聲源[3]。

在滿足以上距離要求的前提下，可將主變視作點(diǎn)聲源，點(diǎn)聲源幾何發(fā)散衰減公式是：

Adiv=20lg(r/ro)

(1)

式中：Adiv—幾何衰減量，dB；

r—預(yù)測(cè)點(diǎn)至聲源的距離，m；

r0—參考距離，m。

但在距離主變較近的區(qū)域，如仍按照點(diǎn)聲源進(jìn)行計(jì)算，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。若主變安裝位置靠近廠界，可能引起廠界噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差。因此，在預(yù)測(cè)過(guò)程中，不應(yīng)直接將r0取作1 m或2 m，而應(yīng)找出其聲源虛擬中心點(diǎn)，以該虛擬中心點(diǎn)到廠界、環(huán)境保護(hù)目標(biāo)處的距離進(jìn)行計(jì)算，能盡量避免偏差，使計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

本文以浙江省杭州地區(qū)某220 kV變電站內(nèi)已投運(yùn)的1臺(tái)變壓器(1#主變)為范例，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，討論聲源虛擬中心點(diǎn)的取值方法，并與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。

3利用包絡(luò)表面法計(jì)算聲源聲功率級(jí)

設(shè)計(jì)單位一般給出的是距離主變1 m或2 m處的聲壓級(jí)，為求得聲功率級(jí)，采用包絡(luò)表面法計(jì)算聲源聲功率級(jí)[4]。

該1#主變位于某220 kV變電站西南角，主變?nèi)珣敉獠贾?，主控樓等建筑物集中布置在變電站北?cè)，2#主變尚未進(jìn)場(chǎng)安裝，因此1#主變周?chē)梢哉J(rèn)為是空曠地帶，且沒(méi)有會(huì)產(chǎn)生明顯干擾的噪聲源。經(jīng)實(shí)地測(cè)量，1#主變外形尺寸約為9.2 m×7.6 m×7.5 m(L×W×H)。

考慮布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的可操作性，在距離主變4側(cè)1 m處，設(shè)置3條輪廓線，3條輪廓線在垂直方向上等間距分布(包絡(luò)線3離地約1.9 m，包絡(luò)線1、2、3間距1.9 m)。各個(gè)測(cè)點(diǎn)等間距布設(shè)在輪廓線上，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔1 m。輪廓線示意見(jiàn)圖1。

每個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)時(shí)間為30 s?？梢越普J(rèn)為，上述測(cè)點(diǎn)將主變圍成了一個(gè)包絡(luò)面，用包絡(luò)面上測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算該主變的聲功率級(jí)LWA。

圖1　輪廓線及監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意

3.1測(cè)量表面平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的計(jì)算

測(cè)量表面平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和測(cè)量表面平均背景噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)用以下公式計(jì)算。

(2)

(3)

N—傳聲器數(shù)量，即測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3.2背景噪聲修正

修正值KA用下式計(jì)算：

KA(dB)=-10lg(1-10-0.1△LA)

(4)

若，△LA>10dB不需修正，當(dāng)△LA在3~10dB之間，應(yīng)根據(jù)公式(4)加以修正。

3.3聲功率級(jí)的計(jì)算

(5)

聲功率級(jí)按式(6)計(jì)算：

(6)

S—包絡(luò)面包含的表面積，m2；

S0—1m2。

由上述公式得1#主變的聲壓級(jí)為94.2 dB(A)。

4聲源預(yù)測(cè)虛擬中心點(diǎn)的確定方法

主變可視作放置在剛性地面上的聲源，聲源處于半自由聲場(chǎng)，聲音只能向半空間輻射，用聲壓級(jí)表示，可得r處的聲壓級(jí)：

Lp=Lw-20lgr-8

(7)

式中：Lp—聲源聲壓級(jí)，dB；

Lw—聲源聲功率級(jí)，dB；

r—預(yù)測(cè)點(diǎn)至聲源的距離，m。

采用包絡(luò)面法計(jì)算聲功率級(jí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，取高度居中的輪廓線上，主變東側(cè)和西側(cè)同一條直線上的各一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果Lp1和Lp2，由于Lw固定不變，可知：

Lp1+20lgr1+8=Lp2+20lgr2+8

(8)

式中：r1、r2—虛擬中心點(diǎn)至變壓器外廓東側(cè)和外廓西側(cè)的距離，m；

Lp1、Lp2—在同一直線上測(cè)得的聲壓級(jí)，dB。

(r1+r2-2)m即為設(shè)備外廓寬度，對(duì)確定型號(hào)的主變?cè)O(shè)備來(lái)說(shuō)，該值為固定值。

計(jì)算方法示意見(jiàn)圖2。

圖2　聲源虛擬中心點(diǎn)的確定方法示意

由上述方法求解二元一次方程組，可求得r1、r2，則虛擬中心點(diǎn)的位置可近似確定。

主變可將其視作由多個(gè)小體聲源組合而成的一個(gè)大體聲源，且排列組合不均勻。因此，虛擬中心點(diǎn)的位置往往不是主變的幾何中心點(diǎn)。

將Rc定義為虛擬中心點(diǎn)至設(shè)備實(shí)體邊界的距離，受限于本次測(cè)量工作的測(cè)量組數(shù)，計(jì)算得到1#主變虛擬中心點(diǎn)Rc為3.95 m，離地高度為3.80 m。

在同一條直線兩側(cè)取點(diǎn)測(cè)量、建立二元一次方程組時(shí)，考慮到各小體聲源布置的位置和密度，應(yīng)盡量將實(shí)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置在主變中間高度的水平面上。而虛擬中心點(diǎn)的精確確定，還需要增加測(cè)量組數(shù)，逐漸縮小范圍，最后得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

5衰減距離不同取值情況下比較分析

根據(jù)上述計(jì)算方法，在與Rc相同的直線方向上布點(diǎn)測(cè)量噪聲衰減情況，測(cè)點(diǎn)至設(shè)備邊界距離記為D，測(cè)量項(xiàng)目為連續(xù)等效A聲級(jí)LAeq，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)時(shí)間1分鐘，測(cè)量結(jié)果記為L(zhǎng)p。

根據(jù)式(2)，Lw已由包絡(luò)面法求得，r的取值分兩種情況進(jìn)行計(jì)算：(1) r=Rc+D；(2)r=D。因此，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均可分別求得兩種不同的計(jì)算結(jié)果，記為L(zhǎng)m和Ln，與實(shí)測(cè)結(jié)果的差值分別為(Lm-Lp)和(Ln-Lp)。計(jì)算及比較結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　r不同取值情況下計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

由上表的比較分析結(jié)果可知，在距離小于20 m的測(cè)量區(qū)域內(nèi)，聲源不能被視作點(diǎn)聲源，衰減距離r的取值應(yīng)為Rc+D，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差結(jié)果相對(duì)較小，最大誤差值為1.0 dB(A)；產(chǎn)生誤差值可能是如下兩個(gè)原因：(1)計(jì)算確定的虛擬中心點(diǎn)位置仍有偏差，可通過(guò)增加測(cè)量組數(shù)來(lái)獲得較為準(zhǔn)確的位置；(2)主變?cè)肼曉趥鞑ミ^(guò)程中的反射、吸收作用。

如直接以測(cè)點(diǎn)至設(shè)備外廓距離D作為r代入計(jì)算，誤差較大，最大可達(dá)6.3 dB(A)。

在距離20 m之外的區(qū)域，聲源可簡(jiǎn)化為點(diǎn)聲源，此時(shí)，衰減距離可直接取值為D，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近。

6結(jié)論

本文通過(guò)包絡(luò)面法計(jì)算出聲源聲功率級(jí)，并根據(jù)點(diǎn)聲源衰減公式，比較了r不同取值情況下，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的差值大小。

在測(cè)點(diǎn)距離聲源較近，尚不能視作點(diǎn)聲源的情況下，r 的取值應(yīng)為測(cè)點(diǎn)至聲源虛擬中心點(diǎn)的距離，不能簡(jiǎn)單使用測(cè)點(diǎn)至外廓邊界距離作為r，否則會(huì)使預(yù)測(cè)結(jié)果偏大。

在滿足大于聲源最大尺寸2倍距離的要求下，衰減距離r可直接使用測(cè)點(diǎn)至外廓邊界距離，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近。

在實(shí)際環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，設(shè)備尚未安裝投運(yùn)，本文使用的聲源虛擬中心點(diǎn)的計(jì)算方法較難實(shí)現(xiàn)。為提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度并簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)步驟，可參考同電壓等級(jí)、相同主變?nèi)萘?、相似型?hào)的主變，選取已經(jīng)投運(yùn)的主變，通過(guò)多組不同方向直線上的測(cè)量確定虛擬中心點(diǎn)至設(shè)備實(shí)體邊界的距離即Rc進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

參考文獻(xiàn)

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[2] 周建飛, 周年光, 陽(yáng)金純, 等. 城區(qū)變電站噪聲控制典型技術(shù)[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2011, 31(5):173-177.

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Determination of virtual center point of the acoustic source: electric substation

Zhu Yiting，Zhou Feng，Xu Chunyan

(Zhejiang Radiation Environmental Monitoring Center，Hangzhou 310012，China)

Abstract:In the evaluation of the acoustic environment of the substation, the result was often unsatisfying when the distance between the center of the sound source and the prediction point was less than 2 times the maximum geometrical dimension of the sound source. This paper used the enveloping surface method to measure A- weighted sound pressure level and background sound pressure level to calculate the sound power level of the 220kV substation in Hangzhou. According to the quantitative relation between sound pressure level and the sound power level of semi free field sound source, we derived the acoustic source virtual center position, and compared the predicted data with two different attenuation distance values. The results showed that when the measuring points were close to the sound source, it is better to select the sound source's virtual center for the calculation of attenuation distance, rather than the boundary of the acoustic source.

Keywords:substation; noise prediction; enveloping surface method; virtual center point of acoustic source; attenuation

中圖分類(lèi)號(hào)：X828

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：朱藝婷，女，1984年生，碩士，研究方向：噪聲與電磁環(huán)境影響分析與評(píng)價(jià)。E-mail：zhuyt0701@126.com

收稿日期：2015-10-08；2015-11-30修回