變壓器遠(yuǎn)場噪聲預(yù)測模型應(yīng)用研究

劉幫虎，胡勝，鄭武略，劉鳴亞

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443002；2.新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(三峽大學(xué))，湖北 宜昌443002；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007；4.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510620)

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程加快，以及電網(wǎng)等級不斷提高，人們越來越關(guān)注輸變電設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲對生活的影響，因變電站運(yùn)行噪聲而引發(fā)的環(huán)保問題時(shí)有發(fā)生[1-4]。變壓器是變電站內(nèi)最主要的噪聲源之一，目前對于變壓器噪聲研究主要集中在3個(gè)方面：一是在研究方法中引入相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù)[5-7]；二是逐步從試驗(yàn)研究轉(zhuǎn)向構(gòu)筑理論分析的數(shù)學(xué)模型或計(jì)算仿真軟件[8-10]；三是變壓器降噪減振新技術(shù)研究[11-12]。在變壓器聲學(xué)仿真中通常希望得到聲功率參數(shù)，而我國變壓器生產(chǎn)廠家所給出的技術(shù)協(xié)議中變壓器噪聲控制值均為近場噪聲值，一般為距變壓器外殼1 m或2 m處，無法給出變壓器的聲功率值；因此掌握基于近場噪聲的變壓器遠(yuǎn)場噪聲預(yù)測模型對新建變電站的噪聲控制和在運(yùn)超標(biāo)變電站的噪聲治理具有重要的意義[13]。雖然Soundplan、Cadna等聲學(xué)仿真軟件已能較準(zhǔn)確地仿真出變電站的噪聲分布，但存在購買軟件成本高、建立模型時(shí)間長等問題。國外自1979年起就基于大量實(shí)測數(shù)據(jù)開展了變壓器遠(yuǎn)場噪聲預(yù)測簡化模型的研究[14-16]，國內(nèi)相關(guān)研究則起步較晚。孫濤等[10]基于等效源法的思想，研究了將變壓器等效為多個(gè)點(diǎn)聲源的模型，研究結(jié)果表明選擇等效源個(gè)數(shù)為9個(gè)時(shí)，不僅可以減小計(jì)算量，而且等效后的聲場也比較準(zhǔn)確；林旗力等[9]利用Cadna軟件探討了4個(gè)垂直面聲源、1個(gè)水平面聲源、4個(gè)點(diǎn)聲源、36個(gè)點(diǎn)聲源的4種變壓器噪聲模擬的預(yù)測結(jié)果。此外，關(guān)于變壓器的噪聲方面還有諸多其他研究，文獻(xiàn)[17]利用Soundplan對傳播途徑噪聲治理方案(BOX-IN)進(jìn)行評估，結(jié)果表明其治理方案是達(dá)標(biāo)的；文獻(xiàn)[18]研究了變壓器振動噪聲的產(chǎn)生、傳播、分布的瞬態(tài)情況；文獻(xiàn)[19]中，為積累經(jīng)驗(yàn)，采用跟蹤試驗(yàn)產(chǎn)品的方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)歸納。

上述模型有的參數(shù)復(fù)雜，有的需借助相關(guān)軟件，尚無一種簡便的預(yù)測方法。雖然點(diǎn)聲源模型是在不利用仿真軟件計(jì)算時(shí)最簡單的模型，但如果只考慮單一數(shù)量的點(diǎn)聲源模型，與現(xiàn)場實(shí)際情況存在較大偏差。因此，本文建立將變壓器根據(jù)距離簡化為不同數(shù)量點(diǎn)源的遠(yuǎn)場噪聲模型，并開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，通過將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測值及國內(nèi)外常用變壓器遠(yuǎn)場噪聲模型演練的結(jié)果進(jìn)行對比，證明本文所建模型能準(zhǔn)確預(yù)測變壓器遠(yuǎn)場噪聲，同時(shí)探討了將其應(yīng)用于降噪工程的方法。

1 變壓器輻射噪聲衰減模型

變壓器的振動發(fā)聲部件主要包括鐵心、繞組及冷卻裝置(風(fēng)扇、油泵)等。繞組因電動力產(chǎn)生的振動主要通過絕緣油傳遞至油箱表面。鐵心因磁致伸縮產(chǎn)生的振動通過鐵心→油→油箱以及鐵心→墊腳→油箱2條途徑傳遞至油箱表面。冷卻裝置的振動一方面通過固體傳播途徑傳遞至油箱表面，另一方面引起空氣振動形成輻射聲場。上述振動能量傳遞最終通過變壓器油箱表面向外輻射，其能量大小與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、電壓等級、負(fù)荷等眾多因素有關(guān)。為得到簡便的變壓器遠(yuǎn)場噪聲模型，國內(nèi)外常用的簡化方法是建立變壓器噪聲隨距離衰減的公式，并適當(dāng)考慮變壓器尺寸等相關(guān)參數(shù)的影響。本文基于變壓器尺寸與預(yù)測距離的關(guān)系，建立變壓器分段遠(yuǎn)場噪聲模型，旨在提高預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。

1.1 國內(nèi)外常用變壓器遠(yuǎn)場噪聲模型

1.1.1 點(diǎn)聲源模型

點(diǎn)聲源模型是將變壓器整體簡化為1個(gè)點(diǎn)聲源，對于理想點(diǎn)聲源，在自由空間中，它向周圍媒質(zhì)(均勻、各向同性)輻射球面聲波。點(diǎn)聲源模型適用于變壓器尺寸遠(yuǎn)小于預(yù)測距離的情況，當(dāng)預(yù)測距離較小時(shí)預(yù)測偏差較大。根據(jù)點(diǎn)聲源模型球面輻射的基本公式為[20]：

(1)

式中：r為距變壓器外殼的距離，m；LWA為變壓器A計(jì)權(quán)聲功率，dB；LA(r)為距變壓器外殼距離為r時(shí)的A計(jì)權(quán)聲壓級，dB；K為指向性系數(shù)，對于半自由空間(戶外變電站)取值2。由此可得LWA=LA(r)+10lg2πr2≈LA(r)+10lgr2+8，即

LA(r)≈LWA-20lgr-8.

(2)

(3)

式中：r1為距離變壓器外殼的近場距離；m；r2為距離變壓器外殼的遠(yuǎn)場距離，m；LA(r1)為距離變壓器外殼r1處的噪聲水平，dB；LA(r2)為距離變壓器外殼r2處的噪聲水平，dB。

1.1.2 油箱面積模型

國外學(xué)者通過對大量在運(yùn)變壓器噪聲衰減值進(jìn)行實(shí)測，得到了與變壓器油箱高度和寬度相關(guān)的公式來計(jì)算變壓器噪聲的衰減量[21]：

(4)

(5)

1.2 變壓器分段遠(yuǎn)場噪聲模型

變壓器通?？傻刃榱娴拈L方體，在計(jì)算變壓器輻射面時(shí)，底面聲輻射由于受到阻擋一般不予考慮，而且當(dāng)預(yù)測點(diǎn)位距離變壓器較近時(shí)，變壓器背側(cè)面受到其他面的遮擋，傳播至預(yù)測點(diǎn)位的聲能量也非常少。以往的預(yù)測模型沒有考慮到這點(diǎn)，只設(shè)置了單一數(shù)量的等效點(diǎn)聲源，導(dǎo)致預(yù)測偏差較大。因此，為了得到更精確的預(yù)測值，根據(jù)變壓器尺寸與預(yù)測距離的關(guān)系，建立變壓器分段遠(yuǎn)場噪聲模型，即：當(dāng)預(yù)測距離小于或等于變壓器最大尺寸的2倍時(shí)，采用四點(diǎn)源模型計(jì)算預(yù)測處的噪聲值；當(dāng)預(yù)測距離大于變壓器最大尺寸的2倍時(shí)，采用五點(diǎn)源模型計(jì)算預(yù)測處的噪聲值。

1.2.1 五點(diǎn)源模型

忽略變壓器底部的振動輻射噪聲,將變壓器4個(gè)側(cè)表面和上表面等效為5個(gè)點(diǎn)聲源，則變壓器的遠(yuǎn)場噪聲的計(jì)算公式為

(6)

1.2.2 四點(diǎn)源模型

考慮到背對預(yù)測點(diǎn)的變壓器側(cè)表面對預(yù)測點(diǎn)的影響較小，忽略變壓器底部和背離預(yù)測點(diǎn)一側(cè)的變壓器側(cè)表面的振動輻射噪聲,將變壓器3個(gè)側(cè)表面和上表面等效為4個(gè)點(diǎn)聲源，則變壓器的遠(yuǎn)場噪聲的計(jì)算公式為

(7)

2 不同類型變壓器各模型預(yù)測結(jié)果比較

目前110 kV及以上電壓等級變電站采用的變壓器按照磁路結(jié)構(gòu)不同可分為三相一體變壓器和三相分體變壓器2種類型。三相一體變壓器即三相繞組合用1個(gè)鐵心，占地面積小，主要用于500 kV以下電壓等級變電站；三相分體變壓器即3臺單相變壓器各自具有獨(dú)立的鐵心，可避免大功率一體變壓器體積過大、散熱差等問題，主要用于500 kV及以上電壓等級變電站。針對上述2種類型變壓器，通過分析點(diǎn)聲源模型、油箱面積模型、分段遠(yuǎn)場模型3種模型預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值的偏差，比較3種模型的準(zhǔn)確性。

2.1 三相一體變壓器

以某110 kV變電站為例，配置有1臺三相一體的50 000 kVA主變壓器，尺寸約為6 m×6 m×3 m(不計(jì)算油枕高度)。以該變壓器實(shí)測噪聲衰減值與各種模型預(yù)測值進(jìn)行比較，第1個(gè)測點(diǎn)距離變壓器2 m，其余測點(diǎn)按距離變壓器5 m等間距布置，測點(diǎn)布置如圖1所示，預(yù)測結(jié)果見圖2。使用分段遠(yuǎn)場模型時(shí)，若預(yù)測距離小于或等于12 m(2倍變壓器最大尺寸)則采用四點(diǎn)源模型計(jì)算預(yù)測處的噪聲值，若預(yù)測距離大于12 m則采用五點(diǎn)源模型計(jì)算預(yù)測處的噪聲值。圖2結(jié)果表明：點(diǎn)源模型的偏差最大，而且點(diǎn)源模型的偏差隨著距離的增大而增大，在距離30 m時(shí)偏差達(dá)到7.6 dB；而采用油箱面積模型和分段遠(yuǎn)場模型均能夠較好地預(yù)測出三相一體變壓器噪聲衰減情況，而且這2種模型在距離小于12 m時(shí)預(yù)測值略偏大，在距離大于12 m時(shí)預(yù)測值略偏小。表1為三相一體變壓器噪聲測試值與預(yù)測值結(jié)果，由表1可以看出，分段遠(yuǎn)場模型12 m以上的遠(yuǎn)場噪聲值最大偏差為0.5 dB，相比油箱面積模型的遠(yuǎn)場預(yù)測值偏差更小。

圖1 三相一體變壓器噪聲預(yù)測點(diǎn)位Fig.1 Noise prediction points of three-phase integrated transformer

圖2 三相一體變壓器噪聲測試結(jié)果Fig.2 Noise test results of three-phase integrated transformer

表1 三相一體變壓器噪聲測試值與預(yù)測值Tab.1 Noise test values and prediction values of three-phase integrated transformer

2.2 三相分體變壓器

某500 kV變電站配置有1臺三相分體變壓器，型號為ODFPS-334000/500，尺寸約為8 m×8 m×5 m(不計(jì)算油枕高度)。以該變壓器實(shí)測噪聲衰減值與各種模型預(yù)測值進(jìn)行比較，第1個(gè)測點(diǎn)距離變壓器2 m，其余測點(diǎn)按距離變壓器5 m等間距布置，測點(diǎn)布置如圖3所示，預(yù)測結(jié)果見圖4。參照2.1節(jié)采用分段遠(yuǎn)場模型，當(dāng)預(yù)測距離小于或等于16 m時(shí)(2倍變壓器最大尺寸)采用四點(diǎn)源模型計(jì)算預(yù)測處的噪聲值，當(dāng)預(yù)測距離大于16 m時(shí)采用五點(diǎn)源模型計(jì)算預(yù)測處的噪聲值。圖4結(jié)果表明：點(diǎn)源模型的偏差最大，但與三相一體變壓器不同的是，在距離繼續(xù)增加時(shí)偏差并無顯著增加；而油箱面積模型和分段遠(yuǎn)場模型均能夠較好地預(yù)測出三相一體變壓器噪聲衰減情況。表2為三相分體變壓器的噪聲測試值與預(yù)測值。由表2可以看出，分段遠(yuǎn)場模型16 m以上的遠(yuǎn)場噪聲值最大偏差為7 dB，比油箱面積模型的遠(yuǎn)場預(yù)測值偏差更小。

圖3 三相分體變壓器噪聲預(yù)測點(diǎn)位Fig.3 Noise prediction points of three-phase split transformer

圖4 三相分體變壓器噪聲測試結(jié)果Fig.4 Noise test results of three-phase split transformer

3 降噪工程應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際的變電站降噪工程中需對站界噪聲或敏感點(diǎn)噪聲預(yù)測時(shí)，還需考慮多臺變壓器噪聲的疊加影響，而且對于有圍墻或聲屏障阻隔的情況，還需計(jì)算阻隔效應(yīng)的衰減量。多臺變壓器噪聲的疊加，可以先采用變壓器分段遠(yuǎn)場模型計(jì)算出每臺變壓器對預(yù)測點(diǎn)噪聲貢獻(xiàn)，然后將各貢獻(xiàn)值使用聲能量疊加公式計(jì)算出該點(diǎn)預(yù)測值。對于有圍墻或聲屏障阻隔的情況，則需再用變壓器分段遠(yuǎn)場模型預(yù)測值減去阻隔效應(yīng)引起的噪聲衰減值，最終得到該點(diǎn)預(yù)測值。下面結(jié)合某變電站降噪工程實(shí)例來展示如何運(yùn)用變壓器分段遠(yuǎn)場模型結(jié)合聲屏障計(jì)算公式快速預(yù)測變壓器噪聲的影響。

表2 三相分體變壓器噪聲測試值與預(yù)測值Tab.2 Noise test values and prediction values of three-phase split transformer

3.1 工程概況

某變電站為全戶外式變電站，平面布置如圖5所示。目前變電站安裝有主變壓器2臺：1號主變壓器型號為SFZ7-31500/110，冷卻方式為ONAN/ONAF(80%/100%)，1991年投運(yùn)，平均噪聲值達(dá)74.6 dB；2號主變壓器型號為SZ10-50000/110，冷卻方式為ONAN，2006年投運(yùn)，平均噪聲值為60.6 dB。1號主變壓器離圍墻只有5 m，且由于冷卻風(fēng)扇老化嚴(yán)重，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲值很大，1號、2號主變壓器的噪聲值分別見表3和表4，站界噪聲監(jiān)測結(jié)果見表5。1號主變壓器為風(fēng)冷式且設(shè)備老舊，在不開風(fēng)機(jī)時(shí)晝夜間噪聲值分別達(dá)到72.1 dB和72.0 dB，開風(fēng)機(jī)時(shí)噪聲更是分別達(dá)到74.4 dB和74.6 dB；2號主變壓器為自冷式，晝夜間噪聲值分別只有60.5 dB和60.6 dB。西側(cè)站界噪聲測點(diǎn)1的夜間噪聲值達(dá)到62.1 dB，大于國家標(biāo)準(zhǔn)中2類噪聲限值要求。由此引起變電站噪聲擾民現(xiàn)象，需進(jìn)行治理。

圖5 某變電站平面布置圖Fig.5 Layout plan of a substation

表3 1號主變壓器噪聲測試結(jié)果Tab.3 1 Noise test results of No.1 main transformer dB

表4 2號主變壓器噪聲測試結(jié)果Tab.4 Noise test results of No.2 main transformer dB

表5 110 kV變電站站界噪聲測試結(jié)果Tab.5 Noise test results of 110 kV substation boundary dB

3.2 噪聲控制措施

3.2.1 更換變壓器

從源頭降低噪聲是最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法。由于該站1號主變壓器為老舊的風(fēng)冷變壓器，結(jié)合改造計(jì)劃更換1號主變壓器，可大幅度降低聲源本體噪聲。降低變壓器本體噪聲的措施有：①為減小磁致伸縮引起的振動，鐵心可采用高導(dǎo)磁硅鋼片材料，提高硅鋼片的疊裝質(zhì)量，優(yōu)化鐵心和引線的夾持結(jié)構(gòu)，在鐵心表面涂環(huán)氧漆或聚酯膠，加固油箱和附件等措施；②設(shè)計(jì)時(shí)采用低鐵心磁密，合理設(shè)計(jì)繞組分布減小漏磁面積，避開鐵心自振頻帶，在鐵心和油箱間加裝耐油隔振墊，增加油箱箱壁厚度或采用雙層隔聲油箱等；③對于非自冷變壓器，還應(yīng)控制冷卻系統(tǒng)的噪聲，如選用大流量低揚(yáng)程的油泵，選用通風(fēng)流量大、風(fēng)壓小的低速風(fēng)機(jī)或帶降噪措施的風(fēng)機(jī)等。

評判更換變壓器后噪聲是否能滿足變電站站界噪聲達(dá)標(biāo)要求，還需對噪聲進(jìn)行預(yù)測，更換后變壓器1 m處噪聲按照常規(guī)招標(biāo)技術(shù)協(xié)議設(shè)為65 dB。站界噪聲測點(diǎn)距圍墻外1 m且高于圍墻0.5 m，1號測點(diǎn)距1號變壓器直線距離約為6 m，距2號變壓器直線距離約為40 m，1號測點(diǎn)噪聲由1號和2號變壓器共同組成。根據(jù)式(6)先分別算出1號和2號變壓器的貢獻(xiàn)值，再根據(jù)噪聲能量疊加公式算出1號測點(diǎn)的噪聲預(yù)測值。1號、2號變壓器噪聲貢獻(xiàn)值分別為

1號測點(diǎn)噪聲預(yù)測值

LA(r2),total=10lg(100.1×56.4+100.1×35.6)≈56.4 dB.

由上述計(jì)算公式可看出：由于2號變壓器距離1號測點(diǎn)較遠(yuǎn)，相比1號變壓器其噪聲貢獻(xiàn)值可以忽略，最終可算出1號測點(diǎn)在更換變壓器后噪聲值為56.4 dB，仍大于50 dB的標(biāo)準(zhǔn)值，需采取降噪措施進(jìn)一步降低變壓器噪聲對環(huán)境的影響。

3.2.2 加裝聲屏障

在1號主變壓器北側(cè)圍墻、西側(cè)圍墻上分別設(shè)置長度為6 m、45 m的隔聲屏障，屏障總高度為4.5 m(其中圍墻高度3 m、聲屏障高度1.5 m)，如圖6所示。

由于增加了屏障，站界噪聲測點(diǎn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)榫鄧鷫ν? m且離地高度1.2 m，同時(shí)還需考慮屏障增加的衰減量，噪聲預(yù)測計(jì)算采用HJ 2.4—2009《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—聲環(huán)境》中的噪聲預(yù)測基本模式，隔聲屏障做無限長聲屏障簡化處理，具體計(jì)算公式如下。

圖6 隔聲屏障位置及尺寸參數(shù)Fig.6 Location and size parameters of sound barrier

(8)

式中：Abar為屏障衰減量；δ為聲程差，即聲音繞過屏障傳播的距離SO+OP與聲音直接傳播到接收點(diǎn)處的距離SP的差值，如圖7所示(S為聲源點(diǎn)，O為屏障頂點(diǎn)，P為接收點(diǎn))；v為聲波波速；f為聲波頻率。

故此，綜合式(6)和式(8)可得到該站站界噪聲預(yù)測值計(jì)算公式如下：

(9)

圖7 聲程差示意圖Fig.7 Schematic diagram of sound path difference

因此，采用更換變壓器和聲屏障的綜合措施后，可算出該站的站界噪聲值為41.4 dB，滿足噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。

3.3 與聲學(xué)仿真軟件對比

采用目前變電站噪聲仿真常用的Soundplan軟件對該站變電站噪聲進(jìn)行仿真分析，模型中將變壓器等效為除了底部的5個(gè)面聲源，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。通過比較可知，測點(diǎn)1的2種仿真值偏差小于5%，但仿真軟件需要專業(yè)學(xué)習(xí)，且建模耗時(shí)耗力，而本項(xiàng)目的計(jì)算模型可快速得到結(jié)果。

圖8 只更換1號主變壓器時(shí)變電站噪聲分布Fig.8 Noise distribution of 110 kV substation only changing No.1 main transformer

圖9 采取綜合措施后變電站噪聲分布Fig.9 Noise distribution of 110 kV substation after taking measures

4 結(jié)束語

本文建立了變壓器分段遠(yuǎn)場噪聲模型計(jì)算預(yù)測處的噪聲值，當(dāng)預(yù)測距離小于或等于變壓器最大尺寸的2倍時(shí)采用四點(diǎn)源模型，當(dāng)預(yù)測距離大于變壓器最大尺寸的2倍時(shí)采用五點(diǎn)源模型。通過分析點(diǎn)聲源模型、油箱面積模型、變壓器分段遠(yuǎn)場噪聲模型的預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值的偏差可知，點(diǎn)聲源模型偏差最大，變壓器分段遠(yuǎn)場噪聲模型預(yù)測偏差最小。三相一體變壓器和三相分體變壓器的噪聲預(yù)測值與實(shí)測值的偏差均在1 dB以內(nèi)。通過降噪工程實(shí)例探討運(yùn)用該模型單獨(dú)預(yù)測變壓器噪聲影響，結(jié)合聲屏障計(jì)算公式預(yù)測采取綜合措施后變壓器噪聲的影響，預(yù)測結(jié)果與Soundplan軟件預(yù)測結(jié)果偏差小于5%，由此證明該方法具有所需參數(shù)少、模型簡單且預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。