變電站噪聲超標影響及治理控制措施

張曉璐, 王 蕾, 郭 堅

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司, 浙江 杭州 311122)

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變電站噪聲超標影響及治理控制措施

張曉璐, 王 蕾, 郭 堅

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司, 浙江 杭州 311122)

介紹了變電站噪聲產(chǎn)生原理及超標原因,分析了變電站噪聲主要治理措施。結合擬規(guī)劃建設的一座500 kV變電站項目,探討了變電站遠期4組主變壓器和2組高壓電抗器正常運行時的廠界噪聲及對周邊居民點的影響,并根據(jù)預測結果提出相應的噪聲治理措施,可為類似變電站噪聲治理提供參考。

變電站; 噪聲影響; 預測模型; 治理措施

0 引 言

隨著城市規(guī)模的不斷擴大,原本適合建在城市周邊空曠地帶的變電站在城市化的進程中不斷靠近城市的居住區(qū)活動場所,由此變電站運行時產(chǎn)生的噪聲對鄰近居民區(qū)和公眾的影響越來越受到人們關注。噪聲超標擾民已成為目前變電站面臨的主要問題。目前,較常見的變電站大多是110 kV、220 kV變電站,均為高壓變電站,在城市和農(nóng)村區(qū)域廣泛分布。500 kV及以上電壓等級變電站為超高壓變電站,通常位于城郊或農(nóng)村區(qū)域。

本文結合擬規(guī)劃建設的一座500 kV變電站,分析了變電站噪聲超標影響,并提出了治理控制措施。

1 變電站噪聲原理及超標原因

1.1 變電站噪聲產(chǎn)生原理

變電站內(nèi)的噪聲源主要是變壓器,其次是電抗器和開關設備。變壓器噪聲分為本體噪聲和冷卻裝置噪聲；當變壓器內(nèi)的鐵心由于繞組通電勵磁時,鐵心內(nèi)沿磁力線方向的尺寸會增加,而垂直磁力線方向減小,因此在交變電磁場中產(chǎn)生振動,再將振動通過鐵心墊腳和絕緣油傳遞給與之連接的構件,從而產(chǎn)生變壓器的本體噪聲；變壓器的冷卻裝置噪聲主要是冷卻風扇和油泵在運行時產(chǎn)生的振動,此外變壓器本體的振動通過絕緣油、管接頭及其裝配零件傳遞給冷卻系統(tǒng),使冷卻系統(tǒng)的振動加劇。

電抗器噪聲主要是由于電抗器內(nèi)鐵心塊在交流電的作用下產(chǎn)生交變磁場,致使相鄰鐵心塊相互接觸面在任何交變瞬間都相吸,因此交變磁場中引起鐵心塊彈性變形而產(chǎn)生機械振動。電抗器產(chǎn)生的噪聲不穩(wěn)定,當系統(tǒng)低負荷時噪聲小,而負荷高時噪聲較高。

開關設備噪聲產(chǎn)生原理是強大電流在母線橋附近產(chǎn)生交變電磁場,而薄板結構的母線橋殼體在大電流產(chǎn)生的電磁力作用下外殼振動而產(chǎn)生噪聲。

1.2 噪聲超標的原因

根據(jù)聲學原理,聲學系統(tǒng)一般由聲源、傳播途徑和接收器三個環(huán)節(jié)組成[1]。目前噪聲超標的原因主要有以下方面:

(1) 噪聲源強(聲源)過大。變電站主變噪聲源強隨電壓等級的升高而增大,目前110 kV變電站主變噪聲源強為60～70 dB(A),220 kV變電站主變噪聲源強為65～75 dB(A),500 kV變電站主變噪聲源強為70～80 dB(A)[2]。變電站若在設計過程中未考慮采用低噪聲設備,使變電站主變壓器、電抗器等電氣設備本身的噪聲源強較大,對周邊聲環(huán)境影響較大。另外,有些變電站運行時間較久,變壓器設備由于老化等原因使得其運行噪聲變大。

(2) 變電站的平面布置(傳播途徑)欠合理。目前變電站平面布置以全戶外布置、全戶內(nèi)布置和半戶內(nèi)布置為主。全戶外布置的主變壓器和配電裝置等均為敞開式,噪聲源強均在露天可自由擴散；全戶內(nèi)布置的主變壓器和配電裝置等均位于建筑物內(nèi)；半戶內(nèi)布置的主變壓器戶外布置,其他配電裝置戶內(nèi)布置。目前110 kV、220 kV變電站3種布置形式均較常見,500 kV變電站一般采用全戶外布置。在城市居住人口密集區(qū),通常建議110 kV、220 kV變電站采用全戶內(nèi)布置,主要噪聲源均布置在建筑物內(nèi)部,能夠?qū)﹄姎庠O備產(chǎn)生的噪聲起到一定的阻隔作用。若在居住人口密集區(qū)的變電站在平面布置設計時未考慮噪聲影響,采用敞開式的全戶外布置或主要噪聲源位于戶外的半戶內(nèi)布置,產(chǎn)生的噪聲傳播到周邊,變電站廠界及周邊居民點處的聲環(huán)境可能會產(chǎn)生噪聲超標的問題。

500 kV變電站一般采用全戶外布置,主要電氣噪聲源沒有建筑物的遮擋,噪聲均向外界自由傳播。若500 kV變電站的主變壓器、高壓電抗器等主要噪聲源布置在靠近廠界圍墻處,且周邊無綜合樓等建筑物的阻擋,變電站廠界及周邊區(qū)域可能會產(chǎn)生噪聲超標的問題。因此變電站在前期設計時,需要充分考慮變電站內(nèi)主要噪聲源與廠界的位置關系,噪聲源盡量遠離廠界,在傳播途徑上留出一定的噪聲衰減距離。

(3) 噪聲敏感點的聲環(huán)境(接收器)功能區(qū)劃。變電站噪聲是否超標,除了噪聲源強的大小、傳播途徑上是否有降噪條件外,還與廠界和周邊的聲環(huán)境功能區(qū)劃有關。聲環(huán)境功能區(qū)劃決定了變電站廠界區(qū)域的聲環(huán)境質(zhì)量標準。聲環(huán)境質(zhì)量標準越高,變電站要求達到的廠界噪聲值越小,才能符合相應的聲環(huán)境功能區(qū)劃要求。

對于全戶外布置的500 kV變電站,變電站選址一般選在遠離居民區(qū)的空曠地帶,但隨著城市化進程以及農(nóng)村地區(qū)的快速發(fā)展,很多500 kV變電站的站址周邊也會陸續(xù)建設村莊房屋,因此環(huán)保部門對變電站的噪聲控制越來越嚴格。

2 變電站噪聲主要治理措施

針對變電站噪聲超標原因,目前所采取的噪聲治理措施也基本從聲源、傳播途徑和接收器方面進行控制。

(1) 噪聲源控制。降低噪聲源強是從源頭控制最有效的方法,變電站在前期設計時,在保證電氣設備的安全性、可靠性的基礎上,應選擇低噪聲變壓器、電抗器等設備。對于因電氣設備老化而導致噪聲超標的變電站,應及時進行升級改造,更換為噪聲源強更小的電氣設備。

(2) 傳播途徑控制。在傳播途徑上可通過隔聲、吸聲、消聲等措施,增加噪聲在傳播途徑中的能量損失。變電站廠界內(nèi)可針對噪聲源設置隔聲屏障,110 kV、220 kV主變壓器可進行戶內(nèi)布置,由建筑物墻體作為隔聲屏障；對于布置在戶外的500 kV主變壓器兩側的防火墻,可根據(jù)噪聲防護需要,在防火墻墻體上加裝吸音材料,必要時可在無防火墻的一側增設隔聲屏,對主變壓器噪聲在傳播途徑上起到降噪作用；對于戶外布置的高壓電抗器,可采用Box-in 降噪措施。另外,應用較多的隔聲措施就是增加圍墻高度和在圍墻上增設隔聲屏障。

另一種在傳播途徑上的減噪措施是增加噪聲源與廠界的距離,即噪聲衰減距離。一般在項目設計前期就需提出優(yōu)化變電站平面布置形式,主變壓器設置在變電站中心位置,兩側最靠邊的主變壓器需考慮與變電站廠界的距離,高壓電抗器等電氣噪聲源盡量遠離廠界,必要時適當增加變電站征地范圍和廠界與各噪聲源的距離。目前變電站設計時通常采用標準化模塊布置,給予降噪考慮的調(diào)整平面布置的空間較有限。

(3) 接受者防護。變電站周邊受到變電站噪聲影響的居民房屋,在變電站本體采取一系列降噪措施后,仍可能由于距離變電站較近,噪聲衰減距離不夠而產(chǎn)生噪聲超標；或居民房屋所處聲環(huán)境功能區(qū)等級較高,環(huán)境背景噪聲已臨近標準值,再疊加變電站噪聲后產(chǎn)生超標。目前,針對變電站周邊居民房屋采取的治理措施主要是建筑物加裝通風隔聲窗。相對于前兩種控制措施,接受者防護是最難實施的控制措施。

3 500 kV變電站噪聲治理措施實例分析

擬規(guī)劃建設一座500 kV變電站,在環(huán)境影響評價階段根據(jù)變電站設計預測,分析了變電站遠期4組主變壓器和2組高壓電抗器正常運行時的廠界噪聲及對周邊居民點的影響,根據(jù)預測結果提出相應的噪聲治理措施。

3.1 變電站總體情況

(1) 變電站平面布置。500 kV變電站為規(guī)劃建設的超高壓地面變電站,為全戶外形式,按三列式布置,從南向北依次布置為500 kV配電裝置、主變壓器和35 kV配電裝置、220 kV配電裝置。500 kV配電裝置采用戶外HGIS,布置于站區(qū)南側,向南、向西出線；220 kV配電裝置采用戶外GIS,位于站區(qū)北側,向北出線；主變壓器和35 kV配電裝置布置在500 kV與220 kV配電裝置場地之間,其中布置有主變壓器及構架、35 kV母線、電抗器組、電容器組等；500 kV高壓電抗器布置在500 kV HGIS場地西側。

(2) 噪聲源強。根據(jù)設計,變電站規(guī)劃遠期有4組1 000 MVA主變壓器,每組主變有A、B、C三相3臺變壓器,500 kV主變壓器及35 kV并聯(lián)低壓電抗器布置在站區(qū)中部,每臺變壓器之間有防火墻隔離,實現(xiàn)緊湊型布置。西側最外側主變壓器與西側廠界距離約為13 m,東側最外側主變壓器與東側廠界距離約為32 m,4組主變壓器與南側、北側廠界平行,距離北側廠界距離約為60.5 m,距離南側廠界約為85 m。此外,2組3×60 Mvar并聯(lián)電抗器設置在變電站西側廠界靠南部,緊鄰圍墻,距離西側圍墻約為3.5 m。

變電站內(nèi)主要噪聲源為500 kV變壓器、高壓電抗器以及35 kV并聯(lián)低壓電抗器,站內(nèi)各聲源源強及聲源高度如表1所示。

表1 站內(nèi)各聲源源強及聲源高度

序號設備名稱聲功率級/dB(A)聲源高度/m1500kV變壓器96．52．02500kV高抗86．42．03并聯(lián)低壓電抗器83．04．0

(3) 隔聲設施。東面最外側主變壓器與東廠界間布置有2層高綜合樓；主變壓器與北側、南側廠界間除了配電裝置等電氣設備外,僅有繼電小室等尺寸較小的建筑物。變電站內(nèi)的各建筑物高度及反射損失率如表2所示。

表2 變電站內(nèi)的各建筑物高度及反射損失率

序號名稱高度/m反射損失率1主控樓4．81．02500kV繼電小室4．91．03站用電小室4．51．04主變防火墻9．00．25高抗防火墻6．50．26廠界圍墻2．30．3

(4) 變電站外環(huán)境。變電站所處位置為農(nóng)村地區(qū),周邊有部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè),因此變電站廠界噪聲執(zhí)行GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》[3]中2類標準,周邊居民住宅聲環(huán)境執(zhí)行GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[4]中1類標準。

變電站周邊最近房屋敏感點主要有變電站北側約29 m處的村莊房屋、東側約21 m處的企業(yè)房屋和西側約10 m處的企業(yè)宿舍。周邊建筑物均為1層磚混房屋,雖然房屋較少且較分散,但距離變電站距離較近,變電站噪聲對其會產(chǎn)生一定影響。

3.2 噪聲預測模型

變電站噪聲預測采用聲場仿真軟件Cadna/A,該軟件由德國DataKustik公司編制,其主要依據(jù)為ISO 9613、RLS-90、Schall03等標準,并采用專業(yè)領域認可的方法進行修正,計算精度經(jīng)德國環(huán)保局認證,在我國受到環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心推薦。

根據(jù)HJ 2.4—2009《環(huán)境影響評價技術導則 聲環(huán)境》中工業(yè)噪聲預測模式,已知聲源的倍頻帶聲功率級,預測點位置的倍頻帶聲壓級為

Lp(r)=Lw+Dc-A

(1)

A =Adiv+Aatm+Agr+Abar+Amisc

(2)

式中:Lw——倍頻帶聲功率級,dB(A);Dc——指向性校正,dB(A);A——倍頻帶衰減,dB(A);Adiv——幾何發(fā)散引起的倍頻帶衰減,dB(A);

（2）情景模擬實驗教學的應用與管理。情景模擬教學法是在教師創(chuàng)設的背景中，學生在教師指導下模擬某一崗位或扮演某一角色，進行技能訓練的一種互動式教學方法。以接近現(xiàn)實工作內(nèi)容和范圍為背景，以行動為導向，以學生主動參與為形式，以調(diào)動學生學習主動性、積極性和培養(yǎng)提高學生實踐應用能力為目的，在警察高校的犯罪現(xiàn)場勘查、暴恐事件處置、道路交通事故處置等實驗、實訓教學中大有用武之地。

Aatm——大氣吸收引起的倍頻帶衰減,dB(A);

Agr——地面效應引起的倍頻帶衰減,dB(A);

Abar——聲屏障引起的倍頻帶衰減,dB(A);Amisc——其他多方面效應引起的倍頻帶衰減,dB(A)。

3.3 噪聲預測分析

根據(jù)預測結果,500 kV變電站在遠期4組主變壓器、2組高壓電抗器正常運行后,變電站采取降噪措施前等聲級線如圖1所示。

圖1 變電站采取降噪措施前等聲級線

由圖1可見,變電站四側廠界噪聲除東側部分區(qū)域由于主控樓的遮擋未超標外,其余廠界區(qū)域均超過50 dB(A),不能滿足GB 12348—2008中2類標準要求(即晝間≤60 dB(A)、夜間≤50 dB(A))。周邊建筑物的夜間噪聲均超過GB 3096—2008中1類標準要求(即晝間≤55 dB(A)、夜間≤45 dB(A))。因此,需對變電站采取噪聲防護措施,以減小對周邊居民的聲環(huán)境影響。

3.4 建議采取的降噪措施

針對該變電站預測噪聲超標情況,環(huán)境影響評價階段首先建議設計單位對變電站平面布置進行優(yōu)化。由于該變電站采用緊湊式布置,若能增加用地范圍,增加各噪聲源與廠界之間的距離,可有效減小廠界噪聲影響。該變電站選址位于山坳區(qū)域,變電站南、西、北側均有山體,無法采用占地較大的布置形式,因此無法采用調(diào)整平面布置的方式降噪。

最終結合同類變電站降噪措施情況,建議該變電站采取如下噪聲防治措施:

(1) 建議在滿足設計規(guī)范和安全的前提下,主變區(qū)域主變壓器北側加裝9 m高隔聲屏,并在主變壓器每相之間的防火墻上(主變壓器側)加裝吸音隔聲板。

(3) 建議在滿足設計規(guī)范和安全的前提下,在變電站西側廠界、南側廠界和東側南部廠界圍墻上方再加裝1.7 m高隔聲屏障,使得變電站圍墻增高至5 m(由于當?shù)赜信_風影響,根據(jù)設計安全性考慮,圍墻最高高度為5 m),西側廠界隔聲屏長度約155.5 m,南側廠界隔聲屏長度約為214.5 m,東側南部廠界隔聲屏長度約67 m。變電站采取的降噪措施如圖2所示。

變電站在采取以上降噪措施后,變電站四側廠界均滿足GB 12348—2008中2類標準要求。

變電站采取降噪措施后等聲級線如圖3所示。

根據(jù)GB 12348—2008中2類標準要求,變電站采取降噪措施前后廠界環(huán)境噪聲預測結果如表3所示。

根據(jù)GB 3096—2008中1類標準要求,變電站采取降噪措施前后周邊建筑物噪聲預測結果如表4所示。

圖2 變電站采取的降噪措施

圖3 變電站采取降噪措施后等聲級線

預測點位采取措施前噪聲貢獻值/dB(A)達標情況采取措施后噪聲貢獻值/dB(A)達標情況北廠界預測點55．6晝間達標夜間超標47．1達標西廠界預測點56．6晝間達標夜間超標49．1達標南廠界預測點51．4晝間達標夜間超標48．2達標東廠界預測點50．7晝間達標夜間超標45．1達標

表4 變電站采取降噪措施前后周邊建筑物噪聲預測結果

預測點位采取措施前晝間噪聲疊加背景值/dB(A)夜間噪聲疊加背景值/dB(A)達標情況采取措施后晝間噪聲疊加背景值/dB(A)夜間噪聲疊加背景值/dB(A)遠期達標情況北側最近村莊房屋51．951．5晝間達標夜間超標45．944．2達標東側最近企業(yè)房屋49．748．9晝間達標夜間超標46．644．7達標西側最近企業(yè)宿舍51．050．0晝間達標夜間超標49．147．4夜間略超標

變電站周邊建筑物除了西側最近企業(yè)宿舍夜間噪聲值仍略超GB 3096—2008 中1類標準(即晝間≤55 dB(A)、夜間≤45 dB(A))外,其余周邊房屋處晝夜噪聲均能滿足1類標準要求。夜間超標處房屋的噪聲也受背景噪聲的影響,因此建議遠期變電站運行后應結合環(huán)保驗收監(jiān)測情況,若這兩處房屋仍存在噪聲超標情況,建議在超標房屋處面朝變電站側裝設通風隔聲窗,一般降噪效果在20 dB以上,滿足變電站周邊敏感點晝夜噪聲值達到GB 3096—2008 中1類標準。

4 結 語

隨著變電站設計與建設技術的日趨成熟,目前已經(jīng)建成有500 kV地下變電站,不僅節(jié)約了土地,還能有效控制變電站噪聲對周邊環(huán)境的影響。此外,根據(jù)聲波干涉原理提出的有源噪聲控制概念將是今后變電站噪聲控制的研究方向。目前有源噪聲控制技術在工業(yè)、交通等方面已廣泛應用,但還存在系統(tǒng)穩(wěn)定性差、過分依賴初級聲源和構造復雜需專業(yè)人員維護操作等缺陷。因此,在變電站噪聲控制措施方面還需要各方面的不懈努力。

[1] 翟國慶,潘仲麟.噪聲控制技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[2] 錢詩林,張嵩陽,張遠,等.110～750 kV變電站噪聲超標原因分析及控制措施[J].能源與化學工程,2015(11):57-58.

[3] 工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準:GB 12348—2008[S].

[4] 聲環(huán)境質(zhì)量標準:GB 3096—2008[S].

[5] 楊慶陶,馬曉爽.淺談變電站的噪聲控制[J].建筑工程技術與設計,2016(5):2303.

Effect of Noise Exceeded Standard and Treatment Measures from Transformer Substation

ZHANG Xiaolu, WANG Lei, GUO Jian

(Huadong Engnieering Co., Ltd., Power China, Hangzhou 311122, China)

This paper introduced the principle and reasons of the noise from the transformer substation,and analyzed the main treatment measures of the substation noise.Combining by a 500 kV substation as example,the factory boundary noise and the impact on the surrounding residential areas were discussed when the long-term four groups of main transformers and two groups of high voltage reactors from the transformer substation were behaving normally.According to the prediction results,the appropriate treatment measures against the noises were proposed.It can provide references of similar transformer substations.

transformer substation; noise effect; prediction model; treatment measures

王 蕾(1984—),女,工程師,從事噪聲環(huán)境影響評價工作。

郭 堅(1977—),男,高級工程師,從事環(huán)保設計、環(huán)境影響評價工作。

張曉璐(1982—),女,工程師,從事噪聲、電磁環(huán)境影響評價工作。

TU 852

B

1674-8417(2016)12-0047-06

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.12.011

2016-11-20