基于無功補償裝置的220 kV 戶內(nèi)變電站噪聲分析

費 彬，闕云飛，陳璞金，孔令風，周 翼，林 炬*

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司，江蘇 無錫 214000；2.江蘇輻環(huán)環(huán)境科技有限公司，南京 210019；3.江蘇通凱生態(tài)環(huán)境科技有限公司，南京 210019）

在電力供應系統(tǒng)中利用無功補償可以提高功率因數(shù)、降低供電變壓器及輸電線路的損耗。使用無功補償可以提高系統(tǒng)的供電效率，改善供電環(huán)境。無功補償在整個供電系統(tǒng)中起著非常重要的作用。合理地選擇補償裝置,可以最大限度地減少電網(wǎng)的損耗,提高供電質(zhì)量[1-3]。無功補償裝置（SVG）是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償[4-5]。SVG 由3 個基本功能模塊構(gòu)成：檢測模塊、控制運算模塊及補償輸出模塊[6-8]。裝置組成有控制柜的主要器件開關(guān)器, 主要為起動主回路的投切；緩沖器件，為起動模塊充電時的母線緩沖；存在數(shù)據(jù)采集器件，起到開關(guān)量、模擬量采集；控制箱，作用為起動數(shù)據(jù)處理；邏輯控制器，起到邏輯控制的作用；人機界面，可以對參數(shù)進行設置與顯示及對波形進行記錄；二次電源系統(tǒng)，對電源進行處理，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定；功率柜的主要器件有功率單元，根據(jù)信號級聯(lián)成特定幅值及相位的電壓；強制冷卻系統(tǒng)，對模塊單元強制冷卻；電抗器柜的主要器件是電抗器，實現(xiàn)無功電源源的并網(wǎng)并對電流濾波[9]。其工作時冷卻方式分為風冷和水冷2 種。風冷式SVG 主要是利用風機進行降溫，噪聲的主要來源為風機本身運行聲音和風道的震動噪音；水冷式SVG 主要是利用循環(huán)泵散熱降溫，噪聲的主要來源是泵的運行產(chǎn)生。

SVG 廣泛應用于新能源發(fā)電中，因為風力發(fā)電、光伏發(fā)電等存在波動性、隨機性和可調(diào)度性差的特點[10]。SVG 能夠彌補風電場不能提供無功功率，且要從電網(wǎng)吸收無功功率的問題。另外風能隨機性大，采用有功功率控制，會給電網(wǎng)有功的實時平衡帶來困難。SVG 設備的設計較為便捷，安裝方式靈活。動態(tài)無功補償能夠滿足風電場并網(wǎng)的無功-電壓要求，在風機和電網(wǎng)解列的情況下，仍然能夠提供電壓支撐能力。對于風電場相對集中的區(qū)域，可以提供大范圍內(nèi)的動態(tài)無功儲備，提高系統(tǒng)安全性，降低調(diào)度要求。光伏電站配置無功補償裝置可提高光伏輸送容量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并防止電壓崩潰[11]。此次，SVG 設備與先前的利用情況不同，江蘇無錫地區(qū)某變電站加裝SVG 的附近為居民居住區(qū)，研究SVG 對周圍居住環(huán)境的影響較少。

SVG 將被增設在現(xiàn)有的江蘇無錫某地區(qū)的變電站中，用來提升主網(wǎng)的送電能力，保證無錫地區(qū)負荷的正常用電需要，可解決局部地區(qū)冬季和夏季電力負荷缺口問題。因此，有必要考慮會帶來較大噪聲的SVG 給附近高層住宅的居民或廠界外環(huán)境帶來的影響。

1 Cadna/A 預測

1.1 Canda/A 介紹

Cadna/A 系統(tǒng)是由德國DataKustik 公司開發(fā)，基于ISO 9613-2：1996《戶外聲傳播的衰減的計算方法》、利用WINDOWS 作為操作平臺的噪聲模擬和控制軟件[12-13]。Cadna/A 軟件廣泛適用于多種噪聲源的預測、評價、工程設計和研究，以及城市噪聲規(guī)劃等工作，其中包括工業(yè)設施、公路和鐵路、機場及其他噪聲設備。Cadna/A 軟件計算原理源于國際標準化組織規(guī)定的ISO 9613-2：1996《戶外聲傳播的衰減的計算方法》。軟件中對噪聲物理原理的描述、聲源條件的界定、噪聲傳播過程中應考慮的影響因素及噪聲計算模式等方面與國際標準化組織的有關(guān)規(guī)定完全相同。我國公布的GB/T 17247.2—1998《聲學 戶外聲傳播的衰減 第2部分：一般計算方法》，等效采用了國際標準化組織規(guī)定的ISO9613-2：1996《戶外聲傳播的衰減的計算方法》。Cadna/A 軟件的計算方法和我國聲傳播衰減的計算方法原則上是一致的。

Cadna/A 軟件自身的特點非常適用于工業(yè)設施、道路和變電站等多種聲源的噪聲預測中。近年來，我國也正在加強環(huán)境保護措施，特別是對于噪聲治理方面。要求各部門人員合理、科學地開展噪聲檢測工作。該軟件已經(jīng)通過了國家環(huán)保部環(huán)境工程評估中心的認證，能夠作為變電站噪聲影響預測應用研究的可信賴的軟件[14]。其中對于變電站噪聲預測運用了軟件的一般工業(yè)噪聲預測模塊。在進行噪聲預測時，可直接導入需要計算的相關(guān)輸變電項目的總平面布置示意圖。并需要在計算中充分考慮聲源的幾何衰減率及各類障礙物（建筑物）的阻隔，并通過合適的網(wǎng)格計算得到相關(guān)的等聲值曲線圖。通過該軟件可形象地將預測噪聲通過圖形來表示。并且可在軟件中設置相關(guān)的、可操作的噪聲防護設施，然后再通過快速地預測得到是否達標的情況[12]。

1.2 變電站平面布置情況

江蘇無錫某220 kV 戶內(nèi)型變電站呈矩形布置，長約95 m，寬約62 m。其變電站主控樓北側(cè)設有3 間電容器室，共設有8 臺電容器。變電站采用電纜進線方式，現(xiàn)設有1#～3#共3 臺主變。具體站內(nèi)布置如圖1 所示。

圖1 江蘇無錫某220 kV 變電站平面布置圖

1.3 變電站噪聲分析

該220 kV 變電站在現(xiàn)有情況下主要的噪聲源[15]為變電站北側(cè)布置的8 臺電容器產(chǎn)生的振動噪聲，以及位于變電站中部的3 臺主變發(fā)出的噪聲。在加裝了SVG 后主要噪聲源是風機散熱或循環(huán)泵產(chǎn)生噪聲及現(xiàn)有變電站噪聲進行疊加后產(chǎn)生的。變電站內(nèi)的主要實體（主控通信室、消防室等）建筑物在預測時已考慮噪聲影響，該220 kV 變電站廠界圍墻高2.3 m。根據(jù)DL/T 1518—2016《變電站噪聲控制技術(shù)導則》和GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》，聲源預測見表1，聲源的分布示意如圖2 和圖3 所示。

圖2 某220kV 變電站安裝風冷式SVG 下聲源分布示意圖

圖3 某220kV 變電站安裝水冷式SVG 下聲源分布示意圖

表1 江蘇無錫某220 kV 變電站主要噪聲聲源

1.4 變電站周圍保護目標分析

戶內(nèi)變電站需要根據(jù)現(xiàn)有的建筑情況選擇屋面天窗等作為室外聲源來模擬對外部環(huán)境的影響[16]。考慮加裝SVG 的變電站位于居民區(qū)住宅區(qū)附近，距變電站南側(cè)最近27 m 處有一棟34 層的居民住宅，距西側(cè)最近20 m 處有一間高度為4 m 的房屋，并在距離變電站西側(cè)最近17 m 處也有一棟34 層的居民建筑，具體情況如圖4 所示。

圖4 變電站周圍情況

2 加裝SVG 后的噪聲分析

現(xiàn)有的3 臺變壓器位于變電站南側(cè)，1#與2#主變相距5.7 m，2#與3#主變相距5.6 m，3#主變距離西側(cè)墻體約3.3 m，1#主變相距主控樓東側(cè)墻體2.3 m。主變周圍都設有建筑墻體，可以相應減少噪聲的影響。由于主變設在變電站底部而電容器位于變電站區(qū)北側(cè)，可以分別將兩者視為面聲源進行預測。SVG 裝備后主要由風機或循環(huán)泵引發(fā)噪聲，可以將其視為點聲源。該變電站的主要噪聲源強見表1。

先考慮該變電站加裝風冷式SVG 的情況，且SVG加裝在先前預留的電容器室內(nèi)。根據(jù)噪聲預測可知該220 kV 變電站在加裝SVG 后北側(cè)部分區(qū)域夜間噪聲無法滿足GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》2 類標準要求，具體噪聲情況如圖5 所示。

由圖5 可知，變電站北側(cè)存在電容器和風冷式SVG的噪聲影響，初始最大噪聲可超過60 dB（A）。北側(cè)存在圍墻（2.3 m）有減弱噪聲的作用，但在廠界外的部分區(qū)域噪聲已超過了50 dB（A），并且靠近廠界的大部分噪聲在45～50 dB（A）。對于變電站西側(cè)受SVG 影響的高層居民建筑最高可達41 dB（A），最大噪聲范圍值集中出現(xiàn)在9層以上建筑樓層。變電站南側(cè)主要受主變的影響，最大噪聲可達51 dB（A），戶內(nèi)變電站的建筑和南側(cè)圍墻的作用，噪聲在廠界外最大噪聲僅41 dB（A），離變電站較遠的4 m 住宅不受其影響[17]，噪聲值在35 dB（A）以下。

圖5 加裝風冷式SVG 裝置的噪聲等聲級線圖

若該變電站加裝水冷式SVG，加裝SVG 的位置不變。通過Cadna/A 預測分析，該220 kV 戶內(nèi)變電站的廠界四周晝間、夜間噪聲排放值可以滿足GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》2 類標準要求。該變電站在加裝水冷式SVG 情況下的預測結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可知，由于南側(cè)主變的影響噪聲最大可超過50 dB（A），但經(jīng)過2.3 m 圍墻的阻隔和旁側(cè)建筑物的阻擋，在廠界外噪聲僅40 dB（A）左右，未超過GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》2 類標準中晝間60 dB（A）和夜間50 dB（A）的限值。北側(cè)受水冷SVG 和電容器的影響，最大噪聲值可達53 dB（A），但在廠界外噪聲范圍在40 dB（A）左右。對于變電站西側(cè)受SVG 影響的高層居民建筑最高可達40 dB（A），最大噪聲范圍值也集中出現(xiàn)在9 層以上建筑樓層，但可以滿足GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》中2 類標準的要求。2 種類型的SVG 對西側(cè)居民樓的影響見表2。

表2 各樓層在不同類型SVG 下的噪聲情況

圖6 加裝水冷式SVG 裝置的噪聲等聲級線圖

由表2 可知，2 種SVG 的噪聲對低層住戶的影響較小，對高層住戶的影響較大，其中風冷式SVG 對高層的影響比水冷式SVG 對高層的影響要大。為了進一步驗證預測的正確性，監(jiān)測人員現(xiàn)場監(jiān)測了揚州市某110 kV 戶外風電場升壓站加裝了風冷式SVG 的廠界外1 m 四周的噪聲情況。該變電站廠界外噪聲的監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 揚州市某110 kV 風電升壓站廠界外1 m 噪聲情況

由表3 可以看出，揚州市該地區(qū)的110 kV 升壓站廠界外噪聲范圍在43～63 dB（A），而該升壓站未采用隔音墻等設施時，風冷式SVG 會給站區(qū)某側(cè)帶來較大噪聲。綜合以上可知，噪聲預測結(jié)果符合實際情況，加裝SVG 后某側(cè)噪聲會受到較大影響。

3 治理措施分析

由預測結(jié)果可知，水冷式SVG 相比于風冷式SVG，對周圍產(chǎn)生的噪聲影響較小。因此，在居民住宅、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育、科研設計和行政辦公為主要功能的區(qū)域，優(yōu)先考慮在變電站內(nèi)加裝水冷式SVG，使周圍環(huán)境符合GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》和GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》中相應標準的要求。

噪聲污染防治措施主要從3 方面進行控制：噪聲源，傳播途徑和接受者。噪聲源控制可考慮吸聲、隔聲裝備，使用油浸自冷式的變壓器。噪聲傳播途徑上控制改變機器設備的安裝方向和位置。盡量不要建在居民生活的密集區(qū)內(nèi)，要與居民生活區(qū)保持一定的距離。對接受者的防護主要考慮減少人員在噪聲環(huán)境中的暴露時間外，可采取各種個人防護措施，如進行耳塞、耳罩的佩戴等。在考慮到環(huán)境和成本等要求，一些必須裝備風冷式SVG 的站區(qū)在原本圍墻符合典型設計的條件下，可選擇相應措施來有效降低SVG 帶來的噪聲影響。在現(xiàn)有變電站的典型設計背景下，控制噪聲手段較多的是阻斷聲源的傳播路徑來降低對附近保護目標的影響。最常見的是在變電站區(qū)內(nèi)設置隔聲屏障[18-19]。設置隔聲屏障在站內(nèi)，主要是將其放置在靠近主要噪聲源的附近和在站區(qū)的圍墻上加裝適當高度的隔聲屏障。隔聲屏障越接近噪聲源強處，屏障能夠阻隔聲波傳播的效果也就越好。在具體的變電站工程中應根據(jù)其總平面布置、聲源位置和圍墻等情況確定聲屏障的設置位置和屏障的寬度和高度。

江蘇無錫某220 kV 變電站通過預測可知，在加裝風冷式SVG 的變電站北側(cè)存在噪聲區(qū)域不符合GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》中相應標準的要求，可在北側(cè)加高圍墻以求符合相應的標準要求[20]。經(jīng)過預測當北側(cè)圍墻加高至2.8 m 時，可以符合廠界處噪聲GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》中2 類相應標準的要求。變電站北側(cè)圍墻加高后的噪聲預測等聲級線圖如圖7 所示。

圖7 變電站北側(cè)圍墻加高至2.8 m 的等聲級線圖

由圖7 可知，通過在變電站原本北側(cè)圍墻的基礎上增加0.5 m 高度，變電站北側(cè)廠界外1 m 處噪聲范圍在45～49 dB（A），符合GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》中2 類相應標準的要求。

4 結(jié)論

本文針對江蘇無錫某地區(qū)220 kV 戶內(nèi)變電站，利用Cadna/A 軟件分別對加裝2 種類型的SVG 的變電站噪聲進行了預測分析。經(jīng)過預測，在加裝SVG 時應優(yōu)先選用水冷式來減少噪聲對周圍環(huán)境的影響。在實際工程中選用風冷式SVG 時應考慮降噪需求，一次性加高某側(cè)受噪聲影響處的圍墻以達到噪聲標準要求，減少環(huán)保糾紛。本文中所提及的SVG 隨著電網(wǎng)的進一步發(fā)展，將會有越來越多的變電站運用，因此所提及的措施具有一定的實際參考價值。