特高壓變電站廠界環(huán)境噪聲測量與評估探討

杜杰偉，于慧彬，倪 園，湯其森，張廷佑

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院),山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東 青島 266001；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074；4.浙江大學(xué) 生儀學(xué)院儀器科學(xué)與工程學(xué)系，杭州 310013）

目前我國已建成了多條以晉東南－南陽－荊門為示范工程的1 000 kV特高壓交流輸電線路和以向家壩－上海800 kV為示范工程的特高壓直流輸電線路[1-2]。擁有更高電壓等級、更大輸送容量的變電站/換流站在我國東西部地區(qū)建設(shè)起來。隨著電壓等級的提高，由此帶來的變電站附近環(huán)境噪聲問題日漸凸顯，它不僅影響人的工作和睡眠，而且影響人的心理和生理特征[3]。為進(jìn)一步從振動機(jī)理和根源上降低變電站/換流站內(nèi)外噪聲，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)在這個領(lǐng)域的研究仍在繼續(xù)。然而，無論是評估變電站/換流站的聲輻射水平還是驗證噪聲控制方案的降噪效果，都需要準(zhǔn)確測量變電站的廠界輻射噪聲水平[4-5]。

變電站輻射噪聲的評估主要依據(jù)GB3096-2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[6]、GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》[7]和GB/T15190-2014《聲環(huán)境功能區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》[8]。由于工業(yè)企業(yè)廠界的差異，為了不失一般性，標(biāo)準(zhǔn)中對于測量細(xì)節(jié)的規(guī)定比較少。環(huán)評部門及業(yè)內(nèi)科研工作者在具體組織實施測量時，測量方案的不同導(dǎo)致站界噪聲測試產(chǎn)生一些誤差，進(jìn)而影響到分析評估的準(zhǔn)確性。綜合考慮文獻(xiàn)[9-10]中列舉的影響工業(yè)企業(yè)廠界噪聲測量準(zhǔn)確性的因素，基于邊界元法研究噪聲的傳播機(jī)理，采用實驗法研究背景噪聲的測算及修正、聲壓測點的優(yōu)化以及變電站廠界噪聲的合理評價等問題。以前述三個國家標(biāo)準(zhǔn)[6-8]為依據(jù)，結(jié)合某1 000 kV正常營運變電站的廠界噪聲測量結(jié)果和仿真分析結(jié)果，對變電站廠界噪聲測量的技術(shù)細(xì)節(jié)展開詳細(xì)的研究。

1 障礙物下點聲源聲場傳播衰減分析

當(dāng)變電站廠界外無受影響的噪聲敏感建筑物時，變電站廠界噪聲測試按照國標(biāo)應(yīng)選在圍墻外1 m遠(yuǎn)處，通常會使測點水平位置距離變壓器、高抗等噪聲源較遠(yuǎn)，因此，作為其噪聲傳播機(jī)理初步研究，可將其簡化為點聲源。研究點聲源在有障礙圍墻下的衰減規(guī)律，對于準(zhǔn)確評估廠界噪聲具有重要的作用。

采用邊界元數(shù)值法進(jìn)行計算，所建立的模型如圖1所示。

點聲源距離圍墻3 m，聲源高度為3 m，在給定聲源強(qiáng)度（聲功率級為101.6 dB）和頻率（100 Hz）的初始條件下，通過改變水泥圍墻的高度，觀察圍墻外部水平方向和豎直方向上距離圍墻不同距離的聲壓值，分析其衰減規(guī)律。

當(dāng)水泥圍墻的高度為8 m時，通過邊界元法計算出的聲壓云圖如圖2所示。

圖1 點聲源聲場衰減計算模型示意圖

圖2 墻高為8 m時的聲壓分布

在水平方向上，圍墻外3 m高處各點的聲壓級如表1所示。

從圖2可以看出，墻外聲場各分析點的聲壓并非嚴(yán)格按照距離的平方衰減，而是存在一定的波動。從圍墻四周繞射到觀測點的聲壓分布并不規(guī)律。

表1 墻高為8 m時水平方向的聲壓值

從表1可知，雖然整體來看遠(yuǎn)處觀測點的聲壓是在衰減，但其衰減速率不定。例如，從5 m觀測點到6 m處降低很多，而1 m到2 m處卻僅降低0.6 dB。墻外1 m處豎直方向上的聲壓值如表2所示，在空氣中豎直方向上不同高度處的聲壓值并不恒定。因此，靠近圍墻頂部的聲壓級較底部大，更能反映墻內(nèi)聲源的輻射聲功率。

表2 墻高為8 m時垂直方向的聲壓值

當(dāng)廠界圍墻的高度調(diào)整為6 m、4 m和2 m時，通過邊界元法計算出的聲壓云圖如圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）所示。從圖2、圖3（a）至圖3（c）4種不同高度下相同測點聲壓的分布對比可以看出，圍墻高度可以對墻外聲場的分布產(chǎn)生很大影響。

其原因可歸結(jié)為聲波在不同聲學(xué)邊界下的繞射以及在墻體末端的散射。此外，相同測點（高3 m）的聲壓級在圍墻高度不同時差別最大可達(dá)9 dB。因此，當(dāng)變電站廠界為一定高度的實心圍墻時，測點位置的選擇能夠很大程度上影響站界噪聲水平的評估。

實際廠界圍墻的高度和類型差異會對噪聲的評估產(chǎn)生誤差，這是建造過程帶來的。在實驗過程中由于地形和儀器的限制，選擇測量點的位置、方向和距離對于噪聲值的大小也會有影響。所以，要想提高廠界噪聲評估的準(zhǔn)確度，應(yīng)該在滿足國標(biāo)要求的前提下，盡量規(guī)范和細(xì)化測量步驟，減少上述影響因素對測量結(jié)果的影響。

圖3 廠界圍墻高度不同時墻外聲壓分布

2 變電站背景噪聲的測算與修正

GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲在0類功能區(qū)晝間的噪聲排放限制值為50 dB(A)，夜間的噪聲排放限制值為40 dB(A)，從1類功能區(qū)到4類功能區(qū)晝間的噪聲限制值分別在0類功能區(qū)限制值的基礎(chǔ)上依次增加5 dB(A)；在夜間，從1類功能區(qū)到4類功能區(qū)的噪聲排放限制值分別為45 dB(A)、50 dB(A)、55 dB(A)、55 dB(A)。該標(biāo)準(zhǔn)中的噪聲排放限定值是變電站環(huán)境噪聲評測的依據(jù)。另外，標(biāo)準(zhǔn)中給出了環(huán)境噪聲評估中的背景噪聲的定義，即除被測噪聲源以外的其它聲源發(fā)出的噪聲的總和。按照噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)，背景噪聲需要在被測變電站/換流站停止對外排放噪聲時采集，但變電站/換流站正常輸變電運行時很難因噪聲測量工作而暫停運行。針對此問題，在電力企業(yè)廠界噪聲監(jiān)測中背景噪聲測量和修正的探討中指出，可以用噪聲監(jiān)測點的累計百分聲級L90作為該點的背景噪聲值。然而，對于穩(wěn)態(tài)運行的變電站/換流站，電力設(shè)備噪聲持續(xù)工作，L90的聲級包含大量的非背景噪聲成分。以此作為背景噪聲修正廠界聲壓測量結(jié)果，勢必造成變電站/換流站輻射噪聲被低估。

變電站的主要噪聲源是變壓器、高壓電抗器、冷卻風(fēng)扇等。換流站的主要噪聲源是換流變壓器、電抗器、交直流濾波器、冷卻風(fēng)扇、變電構(gòu)架及金具等。這些主設(shè)備輻射噪聲的頻譜中都含有明顯的100 Hz基頻及其諧頻成分，如圖4所示，其為某變電站在晝間的廠界噪聲平均聲壓級頻譜圖。

圖4 某變電站站界晝間平均A計權(quán)聲壓級

從圖中可看出，變電站站界噪聲的主要能量集中在100 Hz及其倍頻成分，且在100 Hz處的聲壓級最高，約41.9 dB(A)。在少數(shù)離散頻率處，如584 Hz處，有明顯來源于旋轉(zhuǎn)設(shè)備如風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇噪聲的周期噪聲，除此以外，其它頻段的噪聲峰值均較小，且聲源的頻譜特征不明顯。

以變電站的噪聲為例，從聲能量的角度來看，廠界測點的聲能密度由變壓器、高壓電抗器、風(fēng)機(jī)、變電構(gòu)架和金具噪聲的聲波能量密度組成，可表示為

式中：ω表示角頻率；Etotal(ω)表示總的聲能量；Et(ω)表示變壓器輻射噪聲貢獻(xiàn)的聲能量；Ef(ω)表示冷卻風(fēng)扇輻射噪聲貢獻(xiàn)的聲能量；Er(ω)表示高壓電抗器聲輻射貢獻(xiàn)的聲能量；Eb(ω)表示背景噪聲貢獻(xiàn)的聲能量；Eother(ω)表示變電構(gòu)架和金具等貢獻(xiàn)的聲能量。

變壓器、高壓電抗器的聲輻射特征明顯，均為100 Hz及其倍頻成分，而高壓電抗器噪聲主要集中在100 Hz。風(fēng)機(jī)噪聲和變電構(gòu)架及金具的噪聲，頻率成分豐富帶寬較寬。此兩部分噪聲源的頻率成分與背景噪聲的頻率部分相似，較難分離。但是，考慮到變電站噪聲的主要貢獻(xiàn)來于變壓器、電抗器設(shè)備，且站址大多在村莊地區(qū)，在站址附近很少存在能夠產(chǎn)生100 Hz及其倍頻成分背景噪聲的聲源。因此，可將變電站主設(shè)備噪聲分離，用其100 Hz及其諧頻的總和作為變電站的輻射噪聲。由于廠界測量各處背景噪聲不同，需要考慮廠界四周的空間平均，按照表達(dá)式（2）計算廠界A計權(quán)聲壓級[11]。

全頻帶噪聲的廠界總聲壓級表示為

式中：ωn、ω0分別表示分析頻段的上下限頻率。

而考慮100 Hz及其倍頻成分THC（Total Harmonic Component）的站界總聲壓級可表示為

以圖4所示變電站的廠界噪聲評估為例，由表達(dá)式(3)和式(4)計算得到的和分別為52.6 dB(A)和44.8 dB(A)。采用直接測量噪聲的方法和采用特征頻率100 Hz及其諧頻求和計算出來的值相差7.8 dB(A)，根據(jù)GB12348-2008規(guī)定的廠界噪聲修訂值，其廠界噪聲應(yīng)至少修正-3 dB(A)。在廠界噪聲測量評估中，信號的信噪比是影響評估精度的重要因素。假設(shè)背景噪聲是均值為0方差為0.2的隨機(jī)噪聲（h(w)），聲源為寬頻高斯白噪聲（S(w)），那么分析頻帶0～2 000 Hz的實測噪聲和背景噪聲的頻譜可表示為圖5所示形式。此時，有效信號和背景噪聲在分析頻帶內(nèi)的總聲壓級分別為0.7 dB(A)和 -13.2 dB(A)。

現(xiàn)假設(shè)在同一背景噪聲下，聲源換成信噪比大于10 dB的單頻噪聲兩組仿真信號的頻譜比較如圖6所示。

此時，實測噪聲和背景噪聲在分析頻帶內(nèi)的總聲壓級分別為-11.2 dB(A)和-13.2 dB(A)。對于此種單頻噪聲的聲源，若對實測信號按照GB12348-2008的規(guī)定進(jìn)行修正，則會出現(xiàn)背景噪聲比實測噪聲還要大的反常情況，這是由聲壓級計算頻帶比主噪聲頻帶寬造成的。對于諧波噪聲源為主的變電站/換流站噪聲更是如此，主噪聲能量僅集中在少數(shù)幾個離散頻率，但是離散頻率卻分布在較寬的頻帶內(nèi)。然而，從信號測量的角度考慮，在噪聲頻率100 Hz處的信噪比高達(dá)約50 dB，在信噪比較高的情況下，完全不需要修正。因此，在對變電站進(jìn)行廠界噪聲實測時，建議使用高信噪比對噪聲信號進(jìn)行測量。

圖5 兩組寬頻仿真聲壓信號的頻譜比較

圖6 諧頻噪聲信號和背景噪聲信號的頻譜對比

3 廠界聲壓測點的選取規(guī)范分析

通常，由于變電站高壓運行，站界周圍噪聲敏感點的距離都相對較遠(yuǎn)。因此，站界噪聲的評估需要測點整周的聲壓數(shù)據(jù)。由于受到變電站容量、地形地貌差異等因素的影響，站界測點的具體布置方案尚沒有統(tǒng)一且比較詳細(xì)的參考。圖7所示為幾種沒有采取噪聲控制的站界圍墻的類型，3種站界圍墻分別為磚混結(jié)構(gòu)圍墻、部分磚混結(jié)構(gòu)圍墻和柵欄及柵欄式伸縮門。根據(jù)GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，噪聲評估測點應(yīng)選在工業(yè)企業(yè)廠界外1 m、高度1.2 m以上、距任一反射面距離不小于1 m的位置，當(dāng)廠界有圍墻且周圍有受影響的噪聲敏感建筑物時，測點應(yīng)選在廠界外1 m、高于圍墻0.5 m以上的位置。依據(jù)國標(biāo)，對常見廠界圍墻形式進(jìn)行分析，站界常見圍墻型式見圖7。圖7（a）所示圍墻一般高度大于2.0 m，該種圍墻聲壓測點高度保持在墻頂部大于0.5 m處。圖7（b）所示的圍墻底部水泥矮墻若不足0.7 m，測量高度保持在1.2 m以上。若底部水泥矮墻高于0.7 m，按照矮墻實際高度加0.5 m作為測點高度。圖7（c）所示的圍墻聲壓測點布置原則同圖7（b）。

圖7 變電站常見的廠界圍墻形式

對應(yīng)各類圍墻的測點高度確定后，廠界噪聲達(dá)標(biāo)與否的判定是以測點處最大等效連續(xù)A聲級是否超過GB12348-2008規(guī)定的限值為依據(jù)。圖8為變電站廠界不同位置處284個測點一周的A計權(quán)聲壓級。

圖8 變電站廠界284個測點的A計權(quán)聲壓級

由圖8可知，在第243個測點處的聲壓級為60.5 dB(A)，是廠界噪聲最大值所在位置。聲壓測點布置的原則是能夠覆蓋最大聲壓級測點區(qū)域［12］。實測經(jīng)驗表明，適當(dāng)增大測點密度，可以提高廠界噪聲評測的準(zhǔn)確性。

4 變電站廠界噪聲評估實例分析

根據(jù)以上變電站廠界噪聲測量方案的探討，對實際運行的特高壓變電站進(jìn)行噪聲評估分析，所測量的變電站為1 000 kV高壓交流輸變電線路中的安吉變電站，該變電站是淮南—蕪湖—安吉—上海（皖電東送）輸電工程中重要的樞紐，也是浙江省首座特高壓交流變電站。皖電東送工程也是世界上第一個商業(yè)化運行的同塔雙回路特高壓交流輸電工程，線路全長656 km，鐵塔1418基，包括4站6線，浙江省設(shè)有鐵塔383基、輸電線路178 km。該工程的額定電壓為1 000 kV，最高運行電壓為1 100 kV。變電站內(nèi)主設(shè)備分布如圖9所示。

圖9 安吉站主設(shè)備分布示意圖

噪聲測量工作所用的儀器為丹麥Brüel&Kj?r公司生產(chǎn)的Type 3050-A-040數(shù)據(jù)采集卡。廠界所測量的137個點的A計權(quán)平均聲壓級頻譜、A計權(quán)聲壓級空間分布分別如圖10、圖11所示。

圖10 變電站廠界噪聲A計權(quán)平均聲壓級頻譜

圖11 變電站廠界噪聲A計權(quán)聲壓級空間分布

從圖中可得出，變電站廠界平均聲壓級為54.1 dB(A)，噪聲的主要能量集中在100 Hz及其倍頻部分，且在100 Hz處的聲壓級最高為44.74 dB(A)，該位置位于安蘭高抗附近處。在少數(shù)離散頻率處，如79 Hz、112處，有明顯來源于旋轉(zhuǎn)設(shè)備如風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇噪聲的周期噪聲，其噪聲值分別為26.14 dB(A)、25.19 dB(A)。

變電站廠界噪聲頻率為100 Hz、200 Hz、300 Hz時未計權(quán)的聲壓級分布如圖12所示。

圖12 變電站廠界噪聲在不同頻率處聲壓級分布

圖中標(biāo)出了主變以及高抗在站內(nèi)的相對位置，從圖中可看出，廠界噪聲中100 Hz處的噪聲值明顯高于200 Hz、300 Hz處，也就是聲源發(fā)出的噪聲到達(dá)站界的衰減較小，相對較難控制，且在靠近主變壓器和高壓電抗器的位置處，噪聲聲壓級明顯高于其它位置，因此在噪聲評估中合理選擇測點尤為重要，在靠近變電站主噪聲源的位置或者變電站高壓母線進(jìn)出位置，得到的聲壓級較高，更容易捕捉到聲壓最大值所在的位置。

5 結(jié)語

（1）基于聲學(xué)邊界元的方法計算了障礙物下點聲源的聲場傳播衰減規(guī)律，討論了廠界實體圍墻高度對墻外噪聲的影響，為廠界噪聲測量提供理論支撐。

（2）通過實地測量和數(shù)據(jù)分析，基于聲壓測量信噪比的概念，解釋了變電站廠界噪聲測量過程中的背景噪聲問題，在對變電站進(jìn)行實測廠界噪聲時，建議使用高信噪比對噪聲信號進(jìn)行測量。

（3）通過對變電站廠界噪聲評估的實例分析得出如下結(jié)論：在變電站噪聲評估中合理選擇測點尤為重要，在靠近變電站主噪聲源的位置，或者變電站高壓母線進(jìn)出位置得到的聲壓級較高，更容易捕捉到聲壓級最大值所在的位置。聲壓測點布置的原則是能夠覆蓋最大聲壓級測點區(qū)域，實測經(jīng)驗表明，若適當(dāng)增大測點密度，可以提高廠界噪聲評測的準(zhǔn)確性，從而進(jìn)行合理評估。