基于SoundPLAN的變電站噪聲預(yù)測(cè)

崔相宇，謝連科，李樂(lè)豐，耿萍，侯肖邦

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；3.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，北京 100088）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)和大電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，變電站與民眾生活區(qū)越來(lái)越近，甚至成為民眾“近鄰”［1］。與此同時(shí)，隨著民眾環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，變電站噪聲污染問(wèn)題成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。500 kV 變電站噪聲源主要是以低頻噪聲為主的主變壓器和電抗器噪聲，及以高頻噪聲為主的散熱風(fēng)機(jī)噪聲等［2-4］。因此，在工程建設(shè)前期規(guī)劃、運(yùn)行期噪聲治理等環(huán)節(jié)，噪聲預(yù)測(cè)是電網(wǎng)環(huán)保不可或缺的一部分。

近年來(lái)，眾多學(xué)者利用SoundPLAN 軟件對(duì)變電站進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)。張新寧應(yīng)用SoundPLAN 軟件對(duì)特高壓交流變電站主變壓器、電抗器等聲源設(shè)備進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)，并對(duì)變電站建模提出優(yōu)化建議［5］。劉輝基于SoundPLAN 對(duì)110 kV 戶(hù)外變電站噪聲治理方案進(jìn)行仿真模擬，并優(yōu)化治理方案［6］。劉君利用SoundPLAN 建立220 kV 變電站噪聲預(yù)測(cè)模型，并基于模型預(yù)測(cè)結(jié)果提出噪聲防控方案［7］。在該領(lǐng)域研究中，500 kV 變電站聲源特性及噪聲防控的研究案例較多，但基于SoundPLAN 對(duì)500 kV 變電站預(yù)測(cè)案例較少，缺少聲源頻譜及其他參數(shù)的參考。

變電站噪聲預(yù)測(cè)一般采用常見(jiàn)的SoundPLAN和Cadna/A 兩種聲學(xué)預(yù)測(cè)軟件。SoundPLAN 采用扇面計(jì)算方法，可將聲源周?chē)穆暰€(xiàn)全部覆蓋，具有精度高、計(jì)算準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)［8-9］。參照GB/T1094.10—2003《電力變壓器 第10 部分：聲級(jí)測(cè)定》的方法對(duì)山東某500 kV 變電站主變壓器進(jìn)行檢測(cè)，基于SoundPLAN 反向計(jì)算主變壓器聲功率，利用反推聲源和DL/T1518—2016《變電站噪聲控制技術(shù)導(dǎo)則》的推薦聲源對(duì)變電站噪聲建模預(yù)測(cè)。

1 500 kV變電站噪聲聲源分析

變電站共規(guī)劃4 臺(tái)主變壓器，目前有3 臺(tái)主變壓器（2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)主變壓器）投入運(yùn)行，風(fēng)機(jī)安裝于主變壓器北側(cè)，主變壓器型號(hào)如表1 所示。該變電站主變壓器和配電裝置戶(hù)外布置，4 臺(tái)主變壓器位于站中央一字布置，3 號(hào)、4 號(hào)主變壓器偏東側(cè)，并與1 號(hào)（規(guī)劃）、2 號(hào)主變壓器相隔于繼電器室。220 kV 配電裝置布置于站址北側(cè)，500 kV 配電裝置布置于站址南側(cè)，電容器位于220 kV 配電裝置與主變壓器之間，該變電站平面布置如圖1所示。

圖1 變電站平面布置

表1 主變壓器信息表

3號(hào)、4號(hào)主變壓器距離較近，近聲場(chǎng)相互影響相對(duì)較大。因此，選擇遠(yuǎn)離3 號(hào)、4 號(hào)主變壓器的2 號(hào)主變壓器作為聲源研究對(duì)象。分別在2 號(hào)主變壓器北側(cè)5 m 處、電容電抗器區(qū)、220 kV 配電裝置區(qū)進(jìn)行布點(diǎn)，3 處點(diǎn)位頻譜對(duì)照如圖2所示；2號(hào)主變壓器南側(cè)5 m處點(diǎn)位、500 kV配電區(qū)、南側(cè)廠界點(diǎn)位頻譜對(duì)照如圖3所示。

圖2 2號(hào)主變壓器北側(cè)點(diǎn)位頻譜

圖3 2號(hào)主變壓器南側(cè)各點(diǎn)位頻譜

由圖2 和圖3 可知，2 號(hào)主變壓器北側(cè)的電容電抗器區(qū)和220 kV 配電裝置區(qū)點(diǎn)位與2 號(hào)主變壓器北側(cè)點(diǎn)位具有相似的噪聲頻譜特征，其中最大聲壓級(jí)主要分布在100 Hz 和315 Hz 處，在315 Hz 后聲壓級(jí)逐漸降低。500 kV 配電區(qū)和南側(cè)廠界點(diǎn)位噪聲頻譜特性與2 號(hào)主變壓器南側(cè)相似，因此，主變壓器噪聲是變電站噪聲的主導(dǎo)聲源。以主變壓器作為主要研究對(duì)象，低壓電抗器（偶發(fā)聲源）、配電裝置和電容等聲源不再考慮。

主變壓器噪聲布點(diǎn)及現(xiàn)狀檢測(cè)情況如圖4 和圖5所示。由圖4噪聲檢測(cè)結(jié)果可知，2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)主變壓器風(fēng)機(jī)側(cè)（北側(cè)）噪聲值最大，南側(cè)噪聲值最小，東側(cè)和西側(cè)噪聲值相差不超過(guò)2 dB（A）。主變壓器風(fēng)機(jī)側(cè)噪聲值大，且相對(duì)其他三側(cè)中高頻段噪聲凸出。因此，本文在建模過(guò)程中，將主變壓器視為體聲源，并根據(jù)主變壓器聲源特性，將側(cè)面的4 個(gè)測(cè)量面分別計(jì)算聲功率。

圖4 主變壓器噪聲現(xiàn)狀檢點(diǎn)位

圖5 主變壓器噪聲檢測(cè)結(jié)果

2 噪聲預(yù)測(cè)模型建立

采用SoundPLAN 噪聲預(yù)測(cè)軟件對(duì)變電站進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)值對(duì)比驗(yàn)證。SoundPLAN 可以對(duì)聲源、障礙物進(jìn)行自由組合，并集成地面吸聲計(jì)算、建筑物透聲計(jì)算、聲傳播計(jì)算以及聲場(chǎng)合成計(jì)算等綜合模擬運(yùn)算程序［10-11］，可覆蓋近聲場(chǎng)的所有聲線(xiàn)，廣泛用于發(fā)電廠、變電站、化工廠等工業(yè)場(chǎng)所的噪聲預(yù)測(cè)。

2.1 主變壓器聲源

根據(jù)GB/T 1094.10—2003《電力變壓器 第10 部分：聲級(jí)測(cè)定》中主變壓器噪聲檢測(cè)方法，在2 號(hào)主變壓器各側(cè)布設(shè)測(cè)試位置。采用四方位投影的方式計(jì)算聲源測(cè)量面面積，并根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算主變壓器每個(gè)測(cè)量面的聲功率級(jí)，最后，根據(jù)測(cè)量面面積得到該側(cè)的單位面積聲功率級(jí)。

式中：LWA為A 計(jì)權(quán)聲功率級(jí)為平均A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)；S為測(cè)量面面積，S0=1 m2。

將每側(cè)頻譜和對(duì)應(yīng)的聲功率級(jí)輸入SoundPLAN中進(jìn)行計(jì)算和校正。主變壓器聲源計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 主變壓器聲源計(jì)算結(jié)果

根據(jù)DL/T 1518—2016《變電站噪聲控制技術(shù)導(dǎo)則》推薦的強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器聲壓級(jí)、聲功率級(jí)和頻譜，建立基于導(dǎo)則給定值的主變壓器聲源模型。推薦值如表3 所示。形成包括實(shí)測(cè)值反推的主變壓器聲源模型和導(dǎo)則給定值的主變壓器聲源模型在內(nèi)的2 種聲源，分別建立預(yù)測(cè)模型。

表3 DL/T 1518—2016推薦值

2.2 站內(nèi)建筑物及設(shè)備

噪聲傳播距離和衰減情況受聲源本身的聲功率密度和聲場(chǎng)屏障的影響［12］，在聲源一定的條件下，建立完整的聲屏障對(duì)噪聲預(yù)測(cè)值準(zhǔn)確度有重要影響。變電站聲場(chǎng)中，通常只考慮主控樓、繼電器室、消防棚、水泵房等建筑對(duì)主變壓器噪聲的衰減作用。電容器、配電裝置以及電抗器等實(shí)體設(shè)備分區(qū)設(shè)置，單體設(shè)備體積小，其對(duì)噪聲的遮蔽作用通常被忽略。

受主變壓器噪聲影響，該變電站電容器、配電裝置以及電抗器等設(shè)備本體噪聲可忽略。這些設(shè)備一般分布于主變壓器周?chē)?，設(shè)備密度較大（部分設(shè)備如圖6 所示），且距離主變壓器較近，作為對(duì)站內(nèi)聲場(chǎng)影響相對(duì)較低的實(shí)體，其對(duì)主變壓器噪聲具有很強(qiáng)的衰減作用。以該站220 kV 配電裝置為例，在1.5～2 m高度范圍的平面內(nèi)，其有效遮蔽體積達(dá)到860 m3，約為繼電器室體積的65%。

圖6 變電站配電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)

利用SoundPLAN 對(duì)站內(nèi)所有建筑物按照1∶1 比例進(jìn)行建模，同時(shí)，對(duì)密集型設(shè)備按照正投影及地面投影的有效面積計(jì)算其有效遮蔽體積，并等效為建筑物對(duì)其進(jìn)行建模。

2.3 其他參數(shù)

按照現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)的氣象條件，將濕度、溫度及風(fēng)速等參數(shù)輸入系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室混凝土墻面對(duì)500 Hz頻段的噪聲吸聲系數(shù)測(cè)量，變電站外墻吸聲系數(shù)取值0.03；主變壓器之間防火墻吸聲系數(shù)取值0.02。主變壓器與防火墻距離約為4.5 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)聲線(xiàn)反射次數(shù)取值3 次。變電站多為水泥的硬質(zhì)地面，模型地面因素取值0.6。

3 噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

模型中在電容電抗器區(qū)、220 kV 配電裝置區(qū)和500 kV 配電裝置區(qū)布設(shè)3 個(gè)接收點(diǎn)，廠界四周布設(shè)7個(gè)接收點(diǎn)，并與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)。兩種聲源預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7和圖8所示，接收點(diǎn)反推聲源預(yù)測(cè)值和推薦聲源預(yù)測(cè)值如圖9 所示，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果如表4所示。

圖7 反推聲源預(yù)測(cè)結(jié)果

圖8 推薦聲源預(yù)測(cè)結(jié)果

圖9 預(yù)測(cè)結(jié)果比對(duì)

表4 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比對(duì) 單位：dB（A）

由圖8 可知，反推主變壓器聲源的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較接近，誤差基本在2 dB（A）以?xún)?nèi)。導(dǎo)則給定聲源的廠界預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值的誤差較大，誤差都在2 dB（A）以上，部分點(diǎn)位預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值偏差可達(dá)5.5 dB（A）；但變電站內(nèi)的接收點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差相對(duì)較小。根據(jù)數(shù)據(jù)分析及推測(cè)，出現(xiàn)以上結(jié)果的原因是推薦聲源的聲功率級(jí)較小，且未給定1/3倍頻程其他頻段數(shù)值，由此建立的聲源在近聲場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果誤差較小，在經(jīng)過(guò)障礙物衰減后的遠(yuǎn)聲場(chǎng)預(yù)測(cè)值誤差較大。

由表4 可知，導(dǎo)則給定聲源的預(yù)測(cè)結(jié)果普遍偏小。反推主變壓器聲源的廠界噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果均大于實(shí)測(cè)結(jié)果，噪聲預(yù)測(cè)值相對(duì)較保守，原因?yàn)椋?）利用2號(hào)主變壓器測(cè)點(diǎn)反推主變壓器聲功率時(shí)，測(cè)點(diǎn)噪聲值受到3號(hào)和4號(hào)主變壓器一定程度的影響，導(dǎo)致反推聲源聲功率偏高，預(yù)測(cè)值隨之偏大；2）站內(nèi)配電設(shè)備和電容器組等站內(nèi)設(shè)備，所在布置區(qū)設(shè)備密度大或單體體積大，成為類(lèi)似于建筑物的聲屏障，雖考慮到設(shè)備遮蔽影響，但對(duì)其體積等效時(shí)取值保守，導(dǎo)致噪聲衰減相對(duì)減少，預(yù)測(cè)值偏高。

4 結(jié)語(yǔ)

利用測(cè)點(diǎn)噪聲值反向計(jì)算聲源的聲功率級(jí)，并考慮密集設(shè)備對(duì)噪聲的屏蔽作用，基于SoundPLAN噪聲預(yù)測(cè)軟件對(duì)變電站噪聲建模預(yù)測(cè)。通過(guò)反推聲源預(yù)測(cè)值、推薦聲源預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在有聲屏障的復(fù)雜聲場(chǎng)中，反推聲源預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值接近，可較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)變電站噪聲。反推聲源建模方法對(duì)今后變電站環(huán)境影響評(píng)價(jià)、噪聲治理等噪聲預(yù)測(cè)工作具有重要意義。