變電站噪聲影響及控制措施

陳 鵬，鄭 躍，崔 燦

(中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601)

隨著經(jīng)濟、社會的不斷發(fā)展，供電量需求隨之增大，變電站建設與投用運行數(shù)量也不斷增多。與此同時城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，以及隨之而來人們生活、工作空間的增大，導致以往建設在無人區(qū)或非居民區(qū)的變電站，愈發(fā)靠近城鎮(zhèn)中的居住、辦公場所。因此，變電站運行時產(chǎn)生的噪聲，對周邊居民房屋和辦公場所的影響愈發(fā)凸顯，不僅影響了日常生活起居，同時降低了生活質(zhì)量及工作效率。噪聲超標擾民已成為目前變電站面臨的重要問題，迫切需要分析變電站的噪聲排放來源、特征及機理，探究適合工程實際的噪聲污染控制措施，并根據(jù)工程特點，在設計階段制定技術經(jīng)濟性均衡的降噪方案。本文以一座正在規(guī)劃建設當中的500 kV全戶外變電站為工程實例，對變電站噪聲達標情況進行模擬分析，并根據(jù)預測結(jié)果與現(xiàn)階段的噪聲控制手段，提出了一種技術經(jīng)濟性兼顧的噪聲控制方案。

1 變電站噪聲的來源及特征

1.1 變電站噪聲的來源

變電站噪聲按照聲源位置可劃分為電磁噪聲和機械噪聲[1]，電磁噪聲由電氣設備啟動運行階段產(chǎn)生，在500 kV變電站中主要為主變壓器和低壓電抗器。主變壓器被施加電壓時，內(nèi)部鐵芯產(chǎn)生勵磁及磁通作用，導致鐵芯硅鋼片伸縮，在鐵芯疊片及接縫處引發(fā)空氣振動而產(chǎn)生噪聲；如果線圈軸向松動或高低壓線圈間松動，也會因線圈導體間的斥力及吸力，從而產(chǎn)生振動噪聲；當通電線圈導線處于雜散磁場時,變壓器線圈的電磁力會產(chǎn)生線圈噪聲。低壓電抗器中有高頻脈沖電流通過時，會在電抗器線圈中發(fā)生電流通斷與大小的現(xiàn)象, 因此內(nèi)部鐵芯會產(chǎn)生交變的磁場，這種變化的磁場會引起鐵芯的伸縮振動與線圈的伸縮振動，導致內(nèi)部空氣與相關機械部件的振動，從而產(chǎn)生噪聲。由于低壓電抗器產(chǎn)生的噪聲與脈沖電流有關，因此極其不穩(wěn)定，其噪聲值大小一般與電抗器的負荷大小成正比。

機械類噪聲主要是由變電站內(nèi)冷卻風機、油泵等運行時所引起。當變壓器加電投入運行時，變壓器油泵也要投入運行，油泵在運行時會產(chǎn)生振動，輻射噪聲。當外界環(huán)境氣溫較高時，為了加強冷卻效果，冷卻風扇也要投入運行，同時產(chǎn)生振動，輻射噪聲[2]。

1.2 變電站噪聲的特征

變電站噪聲的主要特征為集中在中低頻頻段，如主變壓器噪聲集中于250～500 Hz，具有明顯的音頻特性；而機械噪聲屬于中高頻噪聲，主要集中于1 000～2 000 Hz。由于低頻噪聲的頻率低，波長長，當波長與房屋尺寸接近時，會引起與樓屋面板、內(nèi)外墻體等建筑構(gòu)件共振的現(xiàn)象，并且在空氣中自然衰減程度弱，對周邊居民影響大，治理難度高。目前變電站噪聲控制主要針對電磁噪聲，對于機械噪聲多采用低噪聲設備及消聲器處理，技術手段成熟。

1.3 變電站噪聲的危害

相關的醫(yī)學研究表明，當人的居住環(huán)境中存在噪聲危害時，其身體健康會受到各種不可逆的損害，不僅包括食欲不振、聽力下降、睡眠不良、記憶力降低、心率加快、頭痛、視力減退等生理性損傷，還存在各種病理性損害的風險，更有甚者，對聽力系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、視覺器官、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)都存在消極影響。

對于變電站周邊的工作人員，噪聲有著其他危害。除去身體健康受到的損傷，還有對協(xié)同工作時的溝通交流產(chǎn)生影響，降低工作效率，在某些高位工況下，會導致工作人員發(fā)生意外事故，嚴重影響安全生產(chǎn)[3]。

2 變電站噪聲超標原因及主要控制措施

2.1 變電站噪聲超標原因

由聲學基本理論可知，聲音傳播由聲源、傳播介質(zhì)和接收器3個環(huán)節(jié)組成。按照這3個環(huán)節(jié)，變電站噪聲超標的原因也可分為3個方面。

“黃帝堯舜垂衣裳而天下治……剖木為舟，刻木為揖?！?記載所說的年代是否確切現(xiàn)在無從考證，但是從中我們可以得到一個大概的信息——在遠古時代，我們的先民已經(jīng)掌握了一定的木料加工技術?！柏谄鳌敝谱骶褪窃缙谀玖霞庸ぜ夹g的一種。它是最早的漆器胎骨，主要以竹、木為原料，通過挖、斫、鏇（車制）等工藝制成。制作過程是先根據(jù)所需大小剖開木段，而后根據(jù)所需形狀掏空木段內(nèi)部，最后拋光外表。距今7000多年的浙江河姆渡遺址中出土的朱漆木碗是目前所見最早的“刳器”。到了夏商周時期，漆器的胎骨加工已采用鏇制（即車制）技術。較之早期的“刳器”，鏇制的胎骨更加規(guī)整、光滑，厚度也降低了不少。

(2)設備選型不合理。變電站內(nèi)主變壓器噪聲的聲功率隨著電壓等級的升高而增大，110 kV變電站的主變壓器聲功率為60～70 dB(A)，220 kV變電站的主變壓器聲功率為65～75 dB(A)，500 kV變電站的主變壓器聲功率為70～80 dB(A)[4]。一旦變電站在設備選型時未考慮采用低噪聲設備，變電站內(nèi)的主變壓器、低壓電抗器等電氣設備的聲功率就會過高，造成變電站廠界噪聲超標，影響周邊聲環(huán)境。除此之外，對于某些已經(jīng)投運多年的變電站，電氣設備會因為部件老化等原因而在運行時聲功率變大，引發(fā)噪聲排放超標。

(2)變電站總平面布置不合理。目前變電站總平面布置可分為全戶外、全戶內(nèi)和半戶內(nèi)布置。全戶外布置方案中的主變壓器和配電裝置等均為敞開式，電氣設備的噪聲可自由傳播：全戶內(nèi)布置方案中的主變壓器和配電裝置等均位于綜合生產(chǎn)樓內(nèi)，噪聲傳播會被墻體及屋面板阻擋；半戶內(nèi)布置房中的主變壓器戶外布置，其他配電裝置戶內(nèi)布置。目前對于110 kV和220 kV變電站建設，3 種布置方案均有采用，500 kV變電站多采用全戶外或半戶內(nèi)方案。在周邊有人員居住或辦公、商業(yè)場所時，110 kV和220 kV 變電站多采用全戶內(nèi)布置，將電氣設備均布置在建筑物內(nèi)部，阻礙其產(chǎn)生的噪聲傳播。而全戶外和半戶內(nèi)方案，由于主變壓器等電氣設備裸露在外，其產(chǎn)生的噪聲可自由傳播，容易引發(fā)變電站噪聲排放超標，故多采用在人煙稀少、鄰近無噪聲敏感性建筑物的地區(qū)。500 kV變電站受限于電力系統(tǒng)安全性的制約，一般采用全戶外布置，電氣設備露天放置，其產(chǎn)生的噪聲可向外界自由傳播。一旦500 kV 變電站的主變壓器、低壓電抗器等主要噪聲源距離變電站廠界過近，且周邊未設置防火墻、隔聲屏障或建筑物等，極易引發(fā)變電站廠界及周邊敏感性建筑物的噪聲排放超標問題。因此變電站在規(guī)劃設計階段，就必須充分考慮變電站內(nèi)主要電氣設備的擺放位置，噪聲源盡量遠離廠界，并在周邊設置降噪建構(gòu)筑物，使得噪聲傳播受到阻礙。

(3)變電站站址位置選擇不合理。變電站噪聲是否超標，不僅與噪聲源聲功率的大小、傳播途徑上是否有降噪物件、傳播路徑長度有關，也與廠界排放驗收標準、站址周邊的聲環(huán)境功能區(qū)定位息息相關。廠界排放驗收標準越嚴格，對應的噪聲排放達標限值越小，才能保證周邊噪聲敏感建筑物和聲環(huán)境功能區(qū)得到保護。過去全戶外布置的 500 kV 變電站，多在變電站選址階段避開各類噪聲敏感建筑物和聲環(huán)境保護區(qū)，選在人跡罕至、空曠荒蕪的地區(qū)，但由于城鎮(zhèn)化進程和新農(nóng)村建設的飛速發(fā)展，很多500 kV變電站被迫選址在村莊或農(nóng)田附近，因此500 kV變電站的噪聲治理成為變電站建設的重要內(nèi)容。

2.2 變電站主要噪聲控制措施

由變電站噪聲產(chǎn)生的原因可知，變電站的噪聲治理可以從噪聲源、傳播途徑以及接收器3個方面進行防治。

2.2.1 噪聲源控制

噪聲源控制是針對電氣設備本體及其運行方式進行改進，這是從源頭控制噪聲，最為有效。變壓器本體噪聲主要是由硅鋼片磁致伸縮引起的，首先要完善引線和鐵芯的夾持結(jié)構(gòu)，給鐵芯表面涂刷環(huán)氧漆，采用橡皮墊等隔振措施，在設備結(jié)構(gòu)設計上避開共振區(qū)，加固油箱和附件，加大油箱箱壁厚度來緩減并吸收硅鋼片伸縮產(chǎn)生的動能；其次要降低鐵芯磁密，提高硅鋼片的導磁，并采用步進搭接工藝等措施來減小磁致伸縮；而對于投運多年的變電站，需要排查電氣設備老化情況，并對不滿足噪聲排放要求的設備進行維修升級，嚴重超標者應當予以整體替換?，F(xiàn)階段噪聲源控制技術受限于設備制造和維修水平，僅僅更換一部分構(gòu)件，尚且不能取得令人滿意的降噪效果，因而在近幾年干涉消聲技術的研究應用開始興起，提出針對變電站噪聲源的頻譜特性，采用頻率相同或者相近的聲學設備，與電氣設備共同擺放，通過位置上的差異產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，來降低變電站廠界處的噪聲[5]。這種方式有著針對性強、降噪效果好，且易于控制、占地面積小等特點，但目前尚處于設備研發(fā)階段，未投入工程建設中使用。

2.2.2 噪聲傳播途徑控制

降低噪聲源是最有效、最徹底的噪聲控制方案，但技術難度大、研發(fā)時間長，因此現(xiàn)在的噪聲控制方案多采用被動控制。在聲源的傳播途徑上采取隔聲、吸聲、消聲、隔振等技術，降低變電站廠界噪聲的排放，而針對變電站的建構(gòu)筑物布置方案，也有著以下幾種降噪措施。

(1)吸聲墻板：在戶內(nèi)站布置方案中，主變壓器位于室內(nèi)，容易產(chǎn)生室內(nèi)混響效應，通常將吸聲材料布設在室內(nèi)的壁面、地面采用吸聲系數(shù)較高的裝飾裝修做法，從而消除混響，常見的吸聲材料有超微孔鋁板及纖維水泥板、玻璃棉、共振吸聲板等，其降噪效果可達到3～8 dB(A)[6]。

(2)消能隔振基礎：在變壓器與基礎間設置硅橡膠墊，降低變壓器振動引起的戶內(nèi)站墻板振動，減少二次振動引發(fā)的噪聲[7]。

(3)隔聲墻板：通過一些特殊的材料、構(gòu)件等裝置來消耗噪聲傳播出去的能量或增大噪聲傳播路徑的長度，減小傳播到廠界處的噪聲值。對于戶內(nèi)站中電氣設備室的圍護墻板，可采用綜合降噪系數(shù)高的砌體結(jié)構(gòu)、纖維混凝土板或復合夾心墻板，門窗處選用雙層隔聲門窗；對于戶外及半戶內(nèi)站，可選擇高隔聲效果的材料建造主變防火墻及圍墻，或為圍墻及防火墻頂部加設Y型、L型隔聲屏障，對于某些特高變壓站中的噪聲源強的電氣設備，還可以建造Box-in結(jié)構(gòu)，將主變壓器、高壓電抗器等設備完全罩住，從聲源處進行隔聲改造。

(4)優(yōu)化總平面布置，選用合理的建構(gòu)筑物方案：將噪聲源強的電氣設備布置在廠區(qū)中央，增大其余廠界距離，同時站內(nèi)配電裝置采用戶內(nèi)布置，增多建筑物數(shù)量、適當增加建筑物高度，全站選用降噪效果較好的綠化及碎石地坪、瀝青混凝土路面，從站內(nèi)傳播路徑上增加噪聲的衰減程度。

2.2.3 噪聲接收者控制

變電站降噪方案的確定與廠界排放標準緊密相關，相差1個級別的廠界排放標準，可以引起降噪費用數(shù)百萬的變動。變電站在規(guī)劃選址階段，應當盡可能選址在空曠無人、周邊200 m范圍不含或少含敏感性建筑的區(qū)域；同時站址選擇應避開低洼地區(qū)，避免站址周邊高處噪聲超標引發(fā)的非常規(guī)降噪方案。

3 500 kV變電站噪聲治理工程實例分析

安徽省某地正在建設的一座500 kV變電站，在可行性研究階段即開始根據(jù)變電站布置方案和設備參數(shù)進行噪聲預測，分析了終期4臺主變壓器和4組低壓電抗器正常運行時的廠界噪聲，以及站址周邊各敏感性建筑物受到的影響，并根據(jù)預測結(jié)果論證提出了相應的噪聲治理措施。

3.1 變電站概況

(1)總平面布置：站區(qū)500 kV向東、西、南出線，220 kV向北出線，主變區(qū)布置在站區(qū)中部，位于500 kV和220 kV配電裝置區(qū)之間，35 kV配電裝置區(qū)緊鄰主變區(qū)。500 kV配電裝置區(qū)采用戶外HGIS布置，東西兩側(cè)布置縱向道路的間隔寬度取29 m，中間未布置縱向道路的間隔寬度均為27 m；220 kV配電裝置采用GIS一跨兩回“一”字型出線方案，方便出線，平均間隔寬度為12.0 m。主變壓器和35 kV配電裝置布置在500 kV與220 kV配電裝置之間，35 kV配電裝置采用支持式管母，三相管母采用豎向排列的“門”型布置。主變壓器采用單相變壓器，主變場地按照本期2組變壓器、遠景4組變壓器一列式布置。

(2)設備選型：根據(jù)設計方案，變電站終期規(guī)劃4組1 000 MVA主變壓器，每組主變壓器有 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。主變壓器及低壓電抗器均按照國網(wǎng)安徽公司的通用設計方案，選用低噪聲電氣設備，其中主變壓器與低壓電抗器外殼1 m處聲壓級均要求≤70 dB(A)。

(3)變電站隔聲設施：變電站西側(cè)設置有1棟主控通訊樓和警衛(wèi)室，建筑高度分別為4.8 m和3.6 m；主變壓器北側(cè)、中間除配電裝置等電氣設備外，僅有雨淋閥室、繼電器室等小型建筑物，建筑高度為3.6 m和4.5 m不等；變電站圍墻采用大砌塊實體圍墻，最低處高度為2.3 m，圍墻頂部預留地腳螺栓，用于安裝隔聲屏障。

(4)廠界排放標準：變電站所處位置為農(nóng)村地區(qū)，周邊無村莊等敏感性建筑物，僅有少量零星民舍，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》中 2 類標準。各類廠界環(huán)境噪聲排放極限值如表1所示。

表1 各類廠界環(huán)境噪聲排放極限值 dB

3.2 變電站噪聲預測

變電站噪聲預測采用聲場仿真軟件 Sound Plan，該軟件由德國Braunstein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：

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)；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)。

根據(jù)預測結(jié)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壓級線如圖1 所示。

由圖1可見，除西側(cè)部分區(qū)域由于主控通訊樓的遮擋未超標外，變電站廠界噪聲均超過50 dB(A)，不能滿足GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》中2類標準要求(即晝間≤60 dB(A)、夜間≤50 dB(A))，周邊噪聲敏感建筑物的夜間噪聲也超過GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》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，以減小其對周邊居民的聲環(huán)境影響。

4 變電站降噪措施

根據(jù)變電站噪聲預測結(jié)果，提出了以下幾種降噪措施，并逐一進行技術經(jīng)濟性分析。

(1)圍墻聲屏障方案：即增加圍墻高度，并在圍墻頂部設置隔聲屏障，實際效果如圖2所示。經(jīng)過試算，在變電站四周圍墻全部升高到4 m的基礎上，本期北側(cè)加裝2 m高的隔聲屏，南側(cè)加裝1 m高的隔聲屏可達標。采取措施后，變電站噪聲廠界處的噪聲貢獻值36.5～49.7 dB(A)，廠界達標。其中，北側(cè)隔聲屏長度為216.6 m，高2 m；南側(cè)隔聲屏長度為194 m，高1 m。

遠期建設4臺主變壓器和4臺低壓電抗器，根據(jù)試算，東側(cè)加裝1 m高的隔聲墻，南側(cè)加裝2 m高的隔聲墻，西側(cè)加裝2 m高的隔聲墻，北側(cè)加裝3 m高的隔聲墻可達標，達標后預測結(jié)果見圖3。采取措施后，變電站噪聲廠界處的噪聲貢獻值46.0～49.4 dB(A)，廠界達標。其中，東側(cè)隔聲墻長193.6 m，高1 m；南側(cè)隔聲墻長194 m，高2 m；西側(cè)隔聲墻長171 m，高2 m；北側(cè)隔聲墻長216.6 m，高3 m。

表2 3種降噪方案綜合比較

(2)聲源隔聲墻方案：考慮在主變壓器及低壓電抗器附近設置裝配式防火隔聲墻，防火隔聲墻高度與現(xiàn)有設計方案中聲源電氣設備已有的防火墻高度齊平，其中主變壓器區(qū)防火墻高度為8.5 m，低壓電抗器區(qū)防火墻高度為6 m，該方案效果見圖4。

考慮到帶電安全距離影響，需要拉大場地尺寸，場地寬度由27.5 m拉大到29.5 m。工程本期規(guī)模下，采用聲源電氣設備區(qū)加設防火隔聲墻(主變壓器兩側(cè)裝設，低壓電抗器僅在靠道路側(cè)裝設)的噪聲控制措施時，變電站噪聲廠界處的噪聲貢獻值40.7～49.6 dB(A)，廠界達標。

對于終期規(guī)模下噪聲排放情況，假定新增主變壓器及低壓電抗器亦加設防火隔聲墻，經(jīng)過軟件模擬計算，變電站噪聲廠界處的噪聲貢獻值40.7～49.6 dB(A)，廠界達標。綜合考慮本期和遠景的情況，本工程僅考慮在主變壓器及低壓電抗器附近設置裝配式防火隔聲墻體，即可在廠界處滿足噪聲2類排放標準。

(3)Box-in方案：需將散熱器設置在隔聲罩外，設備需采用本體散熱器分體布置方式，隔聲罩和本體之間需預留運維檢修空間。此種布置方案主變壓器或低壓電抗器占地面積將增加，且此方法要求將隔聲板安裝在距離油箱壁很近的位置，因此帶來了檢修、通風、散熱及消防等問題。經(jīng)調(diào)研廠家，單相主變壓器約75萬元，單臺低壓電抗器約30萬，本期6相主變壓器和2臺低壓電抗器需510萬(不含安裝、基礎及線纜)，經(jīng)調(diào)研目前僅1 000 kV高抗、特殊地區(qū)的換流站主變、使用。3種降噪方案綜合比較如表2所示。

綜上所述，采用3種方案均能滿足降噪要求，按圍墻聲屏障一次性建成考慮，本期投資方案二(聲源隔聲墻)較方案一(圍墻聲屏障)增加5.5萬元，遠期投資方案二較方案一增加107.1萬元，方案三投資較高。

根據(jù)調(diào)研了解，方案二(聲源隔聲墻)距離聲源較近，降噪效果較好，但會給后期的運維檢修帶來一定程度的不便，其他省份對此方案的應用比較謹慎，僅在個別工程中有應用過，且該方案需要增加主變壓器與35 kV配電裝置的距離，需要拉大圍墻尺寸，圍墻內(nèi)面積增加約433 m2。

方案三(Box-in)造價較高，且后期運維檢修極為不便，需要增加場地尺寸以滿足安全和檢修要求，根據(jù)調(diào)研，該方案僅在極少數(shù)地區(qū)應用過，一般工程中不建議使用。

方案一(圍墻+聲屏障)是最常用的一種降噪措施，因為設置簡單，不影響設備安全和后期運維檢修，得到了大范圍的推廣應用。雖然在個別工程中，圍墻加高高度較大，增加部分投資，不利于使用裝配式圍墻方案，但從綜合投資分析，三種方案中，方案一投資最小。

因此，對于本類常規(guī)500 kV變電站工程，推薦采用加高圍墻+聲屏障的方式進行噪聲控制，特殊工程中，根據(jù)實際情況可考慮采用在主變壓器和電抗器周圍設置隔聲墻的方案。

5 結(jié)語

隨著變電站設計與建設水準的日新月異，各類新的電氣設備、變電站建設方案及建造技術出現(xiàn)突破，如500 kV三相一體主變壓器和500 kV地下變電站的出現(xiàn)，不僅降低了變電站對周邊聲環(huán)境的影響，同時也節(jié)約了土地資源。此外，隨著聲波干涉原理提出的有源噪聲控制技術逐步發(fā)展，變電站降噪措施將增添一種高效、新穎的手段，與本文之前介紹的其他方案相互配合，共同建設環(huán)境友好型變電站，實現(xiàn)電網(wǎng)工程與環(huán)境的和諧發(fā)展。