基于Cadna/A的500 kV變電站噪聲預測模型優化

孫和泰 華 偉 邱勇軍 李浩然 李慧奇 楊 光

1(江蘇方天電力技術有限公司 江蘇 南京 211100) 2(華北電力大學電力工程系 河北 保定 071000)

0 引 言

隨著中國經濟高速發展、城市化進程不斷加快，為了改善供電質量、提高城市供電的可靠性，城市附近需修建更多的變電站。因此，變電站建設呈現出選址越來越接近居民區、遠景規模越來越大等特征[1]。不可避免地，站內大型電力設備的運行會給居民區帶來嚴重噪聲污染。近年來，隨著人們環境保護意識增強、國家環境治理力度加大，變電站的環境噪聲影響日益受到重視[2-4]?，F有變電站的高噪聲面臨著嚴重的環保投訴問題，新建變電站須通過環保部門的環境評價后才能批準建設和投入使用，因此針對變電站環境噪聲的分析與預測研究具有非常重要的現實意義。

為準確分析與預測變電站環境噪聲，針對噪聲源建模是關鍵，500 kV變電站的主要噪聲來源是主變壓器[4-6]，所以研究變壓器的輻射聲場對于變電站噪聲的分析與控制尤為重要。對于變壓器的噪聲計算模型，國內外都有一定的研究[7-8]。目前，國家有關部門已出臺的相關變電站噪聲評價技術規范中對主變壓器的建模均采用單個平行于地面的面聲源，并給出了推薦的尺寸及頻譜[9]。然而，實際上主變壓器具有多個面的立體聲源，且噪聲各個方向分布并不均勻，考慮到工程上常采用上述概化的噪聲模型，預測結果往往與實際情況有一定差距。本文結合國內某典型500 kV變電站的工程特點和環境特點，基于Cadna/A噪聲預測軟件構建了更切合實際的考慮方向性的主變噪聲模型，并結合變電站其他源的噪聲模型，可較準確地預測500 kV變電站的噪聲分布。

1 噪聲預測基本理論

目前在對變電站等工業企業進行環境噪聲預測時，最常用的是根據噪聲產生與傳播的物理原理所提出的理論計算加實測驗證的方法。

為了便于構建模型，以及便于Cadna/A計算，點聲源聲強采用聲功率級來表示，其輻射聲場中各點的聲壓級的計算公式[10]如下：

Lp=Lw-20lgr-11

(1)

式中：Lp為場點的聲壓級，單位為dB；Lw為點聲源的聲功率級，單位為dB；r為聲源與場點的距離，單位為m。

對于變壓器的各側面，可將每個側面認為是一個平面聲源。當平面聲源界面聲壓處處相等時，面聲源的聲場計算公式[10-11]如下：

(2)

式中：a、b分別為面聲源的長度和寬度，單位為m；d為場點與面聲源的距離，單位為m；Lp為場點的聲壓級，單位為dB；Lpav為面聲源的平均聲壓級，單位為dB。

聲源在自由空間中輻射聲波時，其強度分布的一個主要特性是指向性。常用指向性因數Rθ來表征聲源的指向性：

Rθ=Iθ/Im

(3)

式中：Rθ為某一方向θ上的指向性因子；Im為在離聲源中心相同距離處測量球面上各點的聲強而求得的所有方向上的平均聲強；Iθ為某一方向θ上的聲強。一般在空氣中，可以認為聲強級LI約等于聲壓級Lp[10]，所以可用更容易測量的聲壓級來考慮指向性。

考慮到聲源輻射的指向性，需要對聲壓級的計算公式進行適當修正。對于自由場空間的點聲源，其在某一θ方向上距離r處的聲壓級為：

Lp,θ=Lw-20lgr+DI-11

(4)

式中：DI為指向性指數，DI=10lgRθ。

據此，聲場中某一預測點的總聲壓級LpT為:

(5)

式中：Lp,i為第i聲源在預測點產生的聲壓級，單位為dB；n為聲源個數。

2 變電站噪聲預測模型

2.1 主變壓器模型

主變壓器電磁噪聲來源于電磁場引起的內部部件的磁致伸縮，其振動能量主要由變壓器外殼向外傳播，故可將變壓器噪聲看作來源于變壓器外殼的振動[11]。忽略變壓器頂部的輻射噪聲，變壓器噪聲可認為來自四個側壁的振動。變壓器聲功率級Lw可按文獻[12]的國家標準推薦的方法進行測定，則各側壁的聲功率級大小可根據其所在側面的面積大小按式(6)計算得出。

(6)

式中：S側為所在側面的面積；S總為四個側壁的總面積。

對于每個側壁，其聲場朝向外法線方向0°～180°范圍傳播，且具有指向性，0°～90°的指向性因子矩陣如式(7)所示，90°～180°與其對稱分布，該矩陣可根據實測值算出。

R=[R0°R15°R30°R45°R60°R75°R90°]

(7)

進一步地，由文獻[13-14]可知，分布在聲輻射體靠近其閉合表面的多個等效源的聲場加權疊加可近似等效實際聲場。據此，通過點聲源與面聲源的等效替代，可將變壓器等效為多點聲源模型。該模型中，較長的箱壁面由3×3個等間距布置的等效點聲源等效，較短的箱壁面由2×2個等間距布置的等效點聲源等效，且在由這些等效點聲源組成的4個虛擬等源面內嵌一建筑物，每個虛擬等源面與建筑物表面之間距離很小(相當于貼合在表面上)，該模型的尺寸及高度均為主變的實際幾何參數，如圖1所示。測量變壓器附近少量場點的噪聲值，由式(8)可得各等效點聲源的聲功率級，且為其賦予式(7)的指向性。

j=1,2,…,M,M≥N

(8)

式中：Lpm(j)為在變壓器附近場點j測得的聲壓級，單位為dB；Lwe(i)為第i個等效源的聲功率級，單位為dB；rj(i)為第i個等效源與場點j之間的距離。

圖1 多點等效源主變壓器模型示意圖

2.2 其他模型

對于500 kV變電站，其他噪聲源主要包括高壓電抗器和低壓電抗器。對于高壓電抗器可采用具有實際長度和寬度的平面聲源構建，低壓電抗器可采用點聲源構建，高度均為實際幾何中心高度，聲源參數均為實測值。主控樓等站內主要建筑物及圍墻均按實際尺寸建立。

3 模型的驗證與預測分析

本文采用Cadna/A噪聲預測軟件進行模型的驗證與預測分析。Cadna/A廣泛適用于多種噪聲源的預測、評價、工程設計和研究，其理論基礎與文獻[15]的要求相一致，且功能全面，操作簡單，預測結果直觀可靠。在Cadna/A中分別構建主變的現行標準模型[9]、現有研究中常用的體聲源模型，以及多點等效源模型進行對比。體聲源模型如圖2所示，對于變壓器的各個側面，認為該面上各處的聲壓是相同的。與多點等效源模型類似，這里也內嵌一個建筑物，尺寸及高度也取實際幾何參數。本文選取江蘇某500 kV變電站行建模及預測分析。變電站的簡化平面圖及廠界測點分布如圖3所示，其在Cadna/A中的三維模型如圖4所示。

圖2 體聲源主變壓器模型示意圖

圖3 江蘇某500 kV變電站平面及測點示意圖

圖4 江蘇某500 kV變電站三維模型示意圖

模型建立后，設置計算區域范圍，選取2臺主變西側中心軸線上不同距離處的噪聲衰減預測點及廠界四周圍墻外1 m處噪聲預測點進行預測。全站聲場計算高度及各預測點高度均為1.5 m，三種主變模型的仿真結果分別如圖5-圖7所示。預測點的實測值與各種模型下的仿真值對比如圖8、圖9、圖10和表1所示。

圖5 現行標準主變模型的仿真結果圖

圖6 體聲源主變模型的仿真結果圖

圖7 多點等效源主變模型的仿真結果圖

圖8 #1主變西側衰減實測值與各模型預測值對比圖

圖9 #2主變西側衰減實測值與各模型預測值對比圖

圖10 廠界四周實測值與各模型預測值偏差對比圖

表1 廠界四周實測值與各模型預測值對比

續表1

由圖9、圖10可知，在主變一側衰減方向，體聲源主變模型與實測值的誤差最大，而多點等效源主變模型與實測值較為接近，誤差基本在2 dB(A)以內。由表1及圖10可知，采用多點等效源主變模型，廠界四周除個別預測點仿真值與實測值相差2.5 dB(A)左右以外，絕大多數仿真值與實測值相差均在2 dB(A)以內；采用現行標準主變模型，廠界四周部分仿真值與實測值相差超過2 dB(A)，甚至超過3 dB(A)；采用體聲源主變模型，廠界四周多數仿真值與實測值相差超過了2.5 dB(A)。可見仿真結果與實測值相比偏保守，原因分析如下：(1) 受背景噪聲、氣候、監測設備及方法等因素影響現場實測值存在一定誤差；(2) 軟件聲源值輸入為聲功率級，而現場實測均為聲壓級，換算存在一定的計算誤差；(3) 為加快仿真速度，軟件“計算設定”中“反射次數”設定值不是很大。綜合來看，采用多點等效源主變模型的變電站噪聲仿真結果與實測值更接近。因此，使用本文提出的聲源具有指向性的多點等效源主變模型可較為準確地預測500 kV變電站噪聲。此外，利用多點等效源主變模型的變電站噪聲預測模型進行噪聲預測時，應結合實際變壓器的大小選擇對應合適的等效點聲源的個數。

4 結 語

本文通過對500 kV變電站環境噪聲的調查分析和主變壓器噪聲指向性的研究，提出了聲源具有指向性的多點等效源主變模型，并在Cadna/A中分別建立了以聲源沒有指向性的現行標準平面源主變模型、聲源具有指向性的體聲源模型和聲源具有指向性的多點等效源主變模型為主的500 kV變電站噪聲預測模型并進行仿真。通過與現場實測數據對比分析，證明了其在較小的誤差范圍內采用聲源具有指向性的多點等效源主變模型可較為準確地預測500 kV變電站的環境噪聲。這對今后開展變電站環境噪聲仿真分析、預測及環境噪聲影響評價具有重要的意義。