500 kV變電站簡化噪聲源衰減特性研究

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近年來，越來越多的500 kV變電站開始出現在有居民分布的區域，為使變電站噪聲達標，避免與周圍居民的沖突，迫切需要在變電站設計階段進行噪聲模擬預測，進而采取相應的噪聲防治措施。500 kV變電站內噪聲源設備較多，其中以主變壓器產生的噪聲最為明顯。主變壓器噪聲以低頻為主，頻率集中在100～500 Hz之間[1]，低頻噪聲因波長較長，具有很強的繞射和透射能力，隨距離衰減較慢，對區域聲環境影響較大，屬于難治理噪聲[2]。

目前國內針對500 kV變電站的噪聲模擬預測常采用Cadna/A軟件，可根據變電站總平面布置、聲源源強大小、建(構)筑物尺寸等因素進行噪聲預測。由于變電站中噪聲源設備組成和噪聲產生機理較復雜，難以用Cadna/A軟件進行準確模擬。為充分反映變電站投運后產生的噪聲影響，通常根據其噪聲源強大小、幾何尺寸等因素進行等效簡化設置。以500 kV變電站主變壓器為例，一般可將其簡化為體聲源、面聲源或點聲源，如文獻[3]將變電站主變壓器簡化為5個面源組成的體源；文獻[4]將變電站主變壓器簡化為平行于地面的面聲源；文獻[5]將變電站主變壓器簡化為垂直于地面的面聲源；文獻[6]將變電站主變壓器簡化為位于設備中心的點聲源。不同的簡化方式導致變電站的預測方法不一致，預測結果存在一定的分歧，直接影響變電站降噪方案的設置。下面基于四川某500 kV變電站，將其主變壓器分別簡化為體聲源、面聲源和點聲源，分析不同簡化聲源隨距離的衰減特性。

1 變電站主變壓器簡化方法

四川某500 kV變電站的主變壓器外形尺寸按13 m×9 m×4 m考慮，其噪聲源強大小按設備外2 m處聲壓級為62 dB(A)(由設備廠家提供)考慮，再通過Cadna/A軟件倒推計算出各聲源的聲功率級大小。主變壓器簡化為體源、面源和點源的參數情況見表1，其簡化示意圖見圖1。

圖1 主變壓器簡化示意圖(圖中陰影部分為簡化聲源)

2 變電站主變壓器噪聲預測方法

2.1 噪聲導則推薦模式建模計算

根據《環境影響評價技術導則——聲環境》(HJ 2.4-2009), 若已知無指向性點聲源的聲功率級，且聲源處于自由聲場，則距離聲源r處幾何發散衰減的基本公式為

Lp=Lw-20lg(r)-8

式中:Lp為衰減后距聲源r處的聲壓級;Lw為點聲源的聲功率級。

面聲源可簡化為由若干個點源組合而成，如上述13 m×9 m面源可簡化為117個1 m×1 m單位面源，可將其近似為位于面源中心的點源；同理，由5個面源組合而成的體源，也可將其簡化為293個點源，因此根據均勻分布的各個點源聲功率級，結合上述衰減公式可以建模計算距各個點聲源不同距離處的噪聲聲壓級疊加值。

2.2 Cadna/A軟件建模計算

采用Cadna/A軟件，分別建立變電站主變壓器的體源、面源、點源模型，根據設備外2 m處的聲壓級倒推出各聲源的聲功率級，不考慮地面吸收系數和周圍屏障的遮擋作用，設置計算網格0.5 m×0.5 m，預測距聲源不同距離處的噪聲聲壓級大小。

3 變電站主變壓器噪聲預測結果

3.1 主變壓器不同簡化方式的噪聲預測結果

分別采用噪聲導則推薦模式和Cadna/A軟件對變電站主變壓器不同簡化類型的聲源衰減情況進行建模計算，距各聲源不同距離處的噪聲聲壓級見表2。

由表2可知，距各聲源不同距離處的噪聲導則推薦模式和軟件預測值吻合良好，最大差值出現在遠聲場L=200 m處，僅為1.4 dB(A)，這表明采用Cadna/A軟件計算時僅考慮各點聲源的能量疊加，而未考慮聲波之間的相位影響[7]，與點聲源的幾何衰減模式一致。

距各聲源不同距離處的軟件預測值見圖 2。

圖2 距各聲源不同距離處的軟件預測值

表2 主變壓器簡化為體源、面源和點源后不同距離處的聲壓級情況

注：①噪聲接受點位于主變壓器長邊一側中心軸線上，距地面1.2 m處。

由表2、圖 2可知，距體源、面源、點源相同距離處的噪聲聲壓級差異較小，最大差值僅為0.9 dB(A)，由表1可看出，各聲源的總聲功率級相近，最大差值為0.6 dB(A)，這表明不論采取何種簡化方式，其噪聲接受點的聲壓級大小主要取決于聲源的總聲功率級大小。

由表1可知，點源反推得出的噪聲聲功率級最大，面源其次，體源最小。由圖 2可知：在L=6.5 m(主變壓器外2 m)處，體源、面源和點源的軟件預測結果相同；但是在L=5 m處，體源的噪聲聲壓級最大，面源其次，點源最小，與聲源噪聲聲功率級變化規律相反，這表明在近聲場(L≤5 m)，面源特征較明顯，因此由5個面源組成的體源噪聲衰減最慢，單個面源其次，點源衰減最快；而在遠聲場(L≥35 m)，噪聲接受點距體源、面源和點源的距離均大于2倍各聲源的最大尺寸，故均可視為點源，各聲源衰減規律一致，聲壓級與總聲功率級變化趨勢一致，即聲源總聲功率級從大到小依次為點源、面源、體源，在遠聲場距聲源相同距離處的聲壓級從大到小依次也為點源、面源、體源。

3.2 體源各面的噪聲衰減特性

組成體源的5個面源隨距離的衰減情況見圖3。

圖3 組成體源的5個面源隨距離的衰減情況

表3 體源各面源隨距離的衰減情況

注：①噪聲接受點位于主變壓器長邊一側中心軸線上，距地面1.2 m處。

由圖3可知，5個面源中，面源2隨距離衰減最快，而面源1衰減最慢，這是由于面源噪聲主要沿著其中心軸線進行發散，面源2為垂直面源，面源1為平行于地面的面源，故面源2在L方向的衰減程度大于面源1；雖然面源2、面源3的總聲功率級相同，但是在近聲場(L≤5 m)，噪聲接受點與面源3的距離大于與面源2的距離(距離差ΔL=9 m)，故導致面源2在噪聲接受點的噪聲聲壓級較大，而隨著L增大，ΔL可逐漸忽略不計，則面源2、面源3在噪聲接受點的噪聲聲壓級逐漸趨于相同；距面源4、面源5不同距離處的噪聲聲壓級和衰減規律均相同，相比其他面源，面源4、面源5在遠聲場(L≥35 m)的噪聲聲壓級最小，一方面由于這兩面面積較小，導致總聲功率級較小，另一方面由于面源4、面源5平行于噪聲接受點與主變壓器中心連線，點源特征較明顯，在遠聲場衰減較快。

總的來說，體源的5個面源中與地面平行的面源1衰減最慢，且在遠聲場(L≥35 m)，噪聲聲壓級最大，對體源產生的總聲壓級貢獻值最大。

4 結 語

綜上所述，將四川某500 kV變電站的主變壓器分別簡化為體聲源、面聲源和點聲源，分析不同簡化聲源隨距離的衰減特性，得出如下結論：

1)在不考慮聲波之間的相位影響，僅考慮聲波的能量疊加時，采用Cadna/A軟件和噪聲導則推薦模式的計算結果一致。

2)距體源、面源、點源相同距離處的噪聲聲壓級差異較小，最大差值僅為0.9 dB(A),噪聲接受點的聲壓級大小主要取決于各聲源的總聲功率級大小。

3)在近聲場(L≤5 m)面源特征較明顯，體源噪聲衰減最慢，面源其次，點源衰減較快，L相同時，聲壓級從大到小依次為體源、面源、點源；而在遠聲場(L≥35 m)，各聲源衰減規律一致，聲源的總聲功率級起決定性因素，L相同時，聲壓級從大到小依次為點源、面源、體源。

4)體源的5個組成面源中，垂直面源隨距離衰減較快，平行于地面的面源衰減較慢，總聲功率級相同的兩個垂直面源，隨著L增大，ΔL可逐漸忽略不計，在噪聲接受點的噪聲聲壓級趨于相同，平行于噪聲接受點與主變壓器中心連線的面源，點源特征較明顯，在遠聲場(L≥35 m)的噪聲聲壓級最小。

由于Cadna/A軟件在模擬過程中未考慮聲波之間的相位干涉影響，故軟件預測值與變電站實際運行過程中的噪聲監測值可能存在一定的差異，在下一階段應結合變電站噪聲監測結果分析其差異性，并進一步探討預測優化方案。

[1] 馬大猷．噪聲與振動控制工程手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2] 陳倆,陳雙,許超等.500 kV變電站噪聲特性及控制[J]．四川環境，2015，34(2)：80-84.

[3] 孫宇晗，莫娟，曹枚根，等.基于噪聲控制的變電站平面布置優化設計[J]. 電力建設，2013,34(12)：18-23.

[4] 林旗力，唐蕾，施華彪，等.500 kV變電站噪聲控制措施比較研究[J].電力科技與環保，2013,29(6)：4-6.

[5] 齊飛，余寒，華偉. Cadna/A在江蘇500 kV變電站噪聲環境預測中的應用[J].科技創新與應用，2015(4)：6-7.

[6] 黎文輝.高壓變電站噪聲污染預測與防治技術研究[D]. 廣東：廣東工業大學環境科學與工程學院，2015.

[7] 阮學云，魏浩征，李志遠，等.戶外噪聲相干預測模型及其工程應用[J].中國環境科學，2015,35(6)：1877-1884.