王 瑩,孫海濤,薛彥登,易 航,成育紅,馬江濤

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安市國光電力工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710000; 2.國網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司,陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,各行業(yè)的用電負(fù)荷也在大幅度增長,常規(guī)電壓等級的輸變電已經(jīng)無法滿足人們的需求,超/特高壓輸變電技術(shù)得以快速發(fā)展。超/特高壓變電站產(chǎn)生較大噪聲的主要原因是電壓等級高,設(shè)備容量大。因此,為了能夠有效控制和治理超/特高壓變電站的噪聲,分析站內(nèi)主要電氣設(shè)備的噪聲特性具有重要意義[1-3]。

文獻(xiàn)[4]對不同電壓等級的9座變電站和13頻段輸電線路的可聽噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場測量和分析。目前,針對750 kV及以上電壓等級的超/特高壓變電站的噪聲測量方法大多僅限于對站內(nèi)設(shè)備噪聲值的測量,但所測數(shù)據(jù)量少,無法對其噪聲的頻譜特性進(jìn)行具體分析[5],以致對變電站設(shè)備的噪聲無法全面的了解及掌握,進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)的噪聲控制和治理方法缺乏針對性。文獻(xiàn)[6]通過對某750 kV變電站的噪聲進(jìn)行分析,對變電站噪聲防范與治理提出了一些措施,但是沒有對變電站噪聲值進(jìn)行實(shí)際測量,無法與實(shí)際情況進(jìn)行對比,只能作為定性分析；文獻(xiàn)[7]分析了特高壓GIS變電站主電設(shè)備的可聽噪聲特性,為噪聲預(yù)測和控制提供一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),但是僅僅對可聽噪聲值進(jìn)行了分析,存在局限性。由于750 kV及以上電壓等級的超/特高壓變電站的聲源參數(shù)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),在進(jìn)行噪聲預(yù)測時(shí)結(jié)果不盡相同,因此,此類測量方法僅能定性分析變電站的噪聲分布情況[8-9]。為了更加準(zhǔn)確、詳細(xì)掌握750 kV及以上電壓等級的超/特高壓變電站的噪聲分布以及噪聲特性,獲得主要設(shè)備的聲源參數(shù),最直接的辦法就是對于其站內(nèi)的噪聲進(jìn)行全面測量和分析[10-15]。在后續(xù)對噪聲進(jìn)行控制和治理時(shí),可以采用改進(jìn)的反向粒子群和小波分析等算法來對噪聲進(jìn)行進(jìn)一步分析[16-17]。

本文以西北電網(wǎng)某750 kV變電站作為測量和研究分析對象,對于站內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的主變壓器和高壓電抗器等主噪聲源的噪聲進(jìn)行全面的測量,將得到的實(shí)測噪聲值進(jìn)行處理及分析,最終得出變電站內(nèi)主要設(shè)備的噪聲聲壓級和聲紋的頻譜特性,可以為750 kV及以上電壓等級的超/特高壓變電站的噪聲控制和治理提供一些建議。

1 理論依據(jù)

隨著工業(yè)的發(fā)展以及城市居住人數(shù)的增多,噪聲污染已經(jīng)逐漸開始影響人們的日常生活和居住環(huán)境。變電站的噪聲對于站內(nèi)工作人員以及周邊居民的影響也受到公眾和社會關(guān)注。我國很多750 kV及以上電壓等級的超/特高壓變電站在修建時(shí),由于國土資源日趨緊張,在選擇變電站的建造位置時(shí)變得十分困難,很多工程不得不將站址選在距離居民居住地較近的地方,因此噪聲影響引起的糾紛逐步增多。就目前而言,國內(nèi)許多變電站在選擇建設(shè)時(shí)并未仔細(xì)考慮工程投運(yùn)后對周圍居住居民的噪聲污染問題,也沒有具體設(shè)定出一個(gè)廠界噪聲的控制區(qū),這樣導(dǎo)致了日后出現(xiàn)許多糾紛并且難以很好地解決。對變電站噪聲特性進(jìn)行分析,為變電站噪聲治理方法提供了理論依據(jù),對控制變電站的噪聲污染,提高居民生活質(zhì)量和保護(hù)現(xiàn)有環(huán)境有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在對噪聲特性進(jìn)行評價(jià)時(shí),為了可以讓聲音的客觀評價(jià)和人耳對于聲音的感受近乎一樣,一般需要將不同頻率的聲壓級經(jīng)過某一特定的加權(quán)修正處理,然后對其疊加計(jì)算后,可以得到噪聲總的聲壓級,也稱之為計(jì)權(quán)聲級，其中,A計(jì)權(quán)的頻率響應(yīng)和人耳對于聲音的靈敏度最為符合[18]?，F(xiàn)行的環(huán)保文件中關(guān)于變電站噪聲排放限值的規(guī)定是基于A計(jì)權(quán)之后的結(jié)果。變電站所產(chǎn)生的噪聲往往是由幾個(gè)不同聲源疊加而成的。對于變電站所產(chǎn)生的噪聲,衡量噪聲水平時(shí)采用噪聲能量按時(shí)間平均的方法更為適合,因此采用等效連續(xù)A聲級來進(jìn)行噪聲的特性分析。變電站主要設(shè)備的平均等效A計(jì)權(quán)聲壓級可以通過下面的式子求解得到[19]:

(1)

式中:LAi為第i個(gè)測點(diǎn)的等效A計(jì)權(quán)聲級;N為變壓器某一方向上的總測點(diǎn)數(shù)。

對于變電站噪聲特性進(jìn)行評價(jià)時(shí),還需要對噪聲聲紋頻譜進(jìn)行分析。頻譜分析是通過研究聲音的頻譜,了解聲源的特性及聲音對聽者的影響等問題,可以為控制和治理噪聲提供參考[18]。若2個(gè)頻率分別為f1,f2,令

(2)

式中:f1為任一頻程的下限截止頻率,Hz;f2為任一頻程的上限截止頻率,Hz。

對于式(2),當(dāng)n=1時(shí),稱為倍頻程;當(dāng)n=1/3時(shí),稱之為1/3倍頻程。在實(shí)際中對于變電站噪聲聲紋頻譜特性進(jìn)行分析時(shí),采用1/3倍頻程來劃分頻率區(qū)間進(jìn)行處理。

2 噪聲測量方案

為了所得測量數(shù)據(jù)的有效性,測量時(shí)應(yīng)該在沒有雨雪和沒有雷電的天氣下進(jìn)行,且風(fēng)速不超過5 m/s;測量應(yīng)在被測設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行,同時(shí)還需要標(biāo)明當(dāng)時(shí)設(shè)備的工況[20-21]。本次噪聲測量采用的儀器是AWA6228+型多功能聲級計(jì),為了減少風(fēng)速對于測試結(jié)果的影響,將防風(fēng)罩安在傳聲器上,測試時(shí)將聲級計(jì)的時(shí)間計(jì)權(quán)特性設(shè)為F檔,分別在晝、夜2個(gè)時(shí)段進(jìn)行不間斷的測量。

結(jié)合本次進(jìn)行實(shí)測的某750 kV變電站的現(xiàn)場實(shí)際情況與測量預(yù)期目標(biāo),共需測量設(shè)備有主變壓器3臺和750 kV高壓電抗器2組,所測設(shè)備皆長期投入使用。變電站內(nèi)的平面測量布置簡圖見圖1。

圖1 750 kV變電站測量平面示意圖Fig.1 Measuring layout of the 750 kV substation

站內(nèi)包含3臺三相變壓器,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),選定輪廓線的位置為距離變壓器基準(zhǔn)面2 m處,輪廓線距地面高度為1.3 m,每條輪廓線包含24個(gè)測點(diǎn)。主變壓器南北兩側(cè)均設(shè)置7個(gè)測點(diǎn),東西兩側(cè)均為5個(gè)測點(diǎn)。主變壓器周圍測點(diǎn)布置簡圖見圖2。

圖2 主變壓器觀測點(diǎn)示意圖Fig.2 Measurement-point layout of the main transformer

選取測量順序?yàn)?#主變壓器、2#主變壓器、3#主變壓器。對于1#主變壓器,A，B，C三相均選擇圖示東北側(cè)拐點(diǎn)為起始測量點(diǎn)開始測量,每個(gè)測量點(diǎn)測量3組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)測量時(shí)間間隔為1 min,將所測得的3組數(shù)據(jù)匯總,求得平均值,以示測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于2#主變壓器,A相與B相選取西北側(cè)拐點(diǎn)為起始測量點(diǎn),C相選取東北側(cè)拐點(diǎn)為起始測量點(diǎn)開始測量;對于3#主變壓器,A相選取東北側(cè)拐點(diǎn)為起始測量點(diǎn),B相和C相選取西北側(cè)拐點(diǎn)為起始測量點(diǎn)開始測量。2#主變壓器和3#主變壓器數(shù)據(jù)獲取方法與1#主變壓器所用方法相同。每次測量需要有20 Hz～20 kHz共計(jì)31個(gè)頻率分級的噪聲,經(jīng)過統(tǒng)計(jì),共獲得3×3×24×3×31=20 088個(gè)主變壓器噪聲測量數(shù)據(jù)。

所測試的變電站內(nèi)投入運(yùn)行的有2組三相高壓電抗器,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),選定輪廓線的位置為距離電抗器基準(zhǔn)面2 m處,輪廓線距地面高度為1.3 m,每條輪廓線包含16個(gè)測點(diǎn)。高壓電抗器東、南、西、北4個(gè)側(cè)面均為4個(gè)測點(diǎn)。圖3為高壓電抗器周圍測點(diǎn)布置簡圖。選取測量順序?yàn)?#高壓電抗器、2#高壓電抗器。對于1#高壓電抗器,A相和B相選取東北側(cè)拐點(diǎn)為起始測量點(diǎn),C相選取西北側(cè)拐點(diǎn)為起始測量點(diǎn)開始測量;對于2#高壓電抗器,A相和B相選取西北側(cè)拐點(diǎn)為起始測量點(diǎn),C相選取東北側(cè)拐點(diǎn)為起始測量點(diǎn)開始測量。高壓電抗器數(shù)據(jù)獲取方法與主變壓器所用方法相同。每次測量需要有20 Hz～20 kHz共計(jì)31個(gè)頻率分級的噪聲,經(jīng)過統(tǒng)計(jì),共獲得2×3×16×3×31=8 928個(gè)高壓電抗器噪聲測量數(shù)據(jù)。

圖3 高壓電抗器觀測點(diǎn)示意圖Fig.3 Measurement-point layout of the high-voltage reactor

3 變電站主要設(shè)備噪聲特性分析

3.1 主變壓器噪聲特性分析

以1#主變壓器為例,每個(gè)測點(diǎn)需要連續(xù)測量3次數(shù)據(jù),共24個(gè)測點(diǎn),可獲得72個(gè)A計(jì)權(quán)聲壓級數(shù)據(jù)。為能更加直觀體現(xiàn)各測點(diǎn)之間的A計(jì)權(quán)聲壓級數(shù)據(jù)波動情況,選擇每點(diǎn)3次測量后求得的平均值繪制成折線圖,具體見圖4。

圖4 1#主變壓器三相各測點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級折線圖Fig.4 Three-phase measuring point A weighted sound pressure level line diagram of the No.1 main transformer

表1為變壓器三相聲壓級處理結(jié)果。1#主變壓器三相附近噪聲值在68.3～74.7 dB之間變化。由表1可得,1#主變壓器A，B，C三相的南側(cè)和北側(cè)的噪聲水平較高,其中北側(cè)的噪聲水平最高,且B相各個(gè)側(cè)面的聲壓級相對較高。A，B，C三相工作時(shí)冷卻風(fēng)扇運(yùn)行方式一樣,北側(cè)都是2#和4#風(fēng)扇打開,南側(cè)是6#和8#風(fēng)扇打開。主變壓器防火墻位于東側(cè)和西側(cè),而南側(cè)和北側(cè)是開放側(cè),且冷卻風(fēng)扇也位于這兩側(cè),可以看出南北兩側(cè)的噪聲明顯比東西兩側(cè)要高,故750 kV主變壓器的噪聲較多的來自于冷卻風(fēng)扇側(cè)與油泵,且防火墻對于變壓器噪聲聲壓級也有一定影響。因?yàn)楸眰?cè)面靠近66 kV設(shè)備區(qū),對變壓器北側(cè)面的噪聲影響較大。另外,由于主變壓器的B相居于A，C兩相之間,會受到兩側(cè)聲場疊加的影響,故而聲壓級較高。

圖5為1#主變壓器A相的噪聲聲紋頻譜圖,B、C兩相噪聲聲紋頻譜圖與A相基本相似。如圖5所示,頻譜圖整體呈對稱分布,噪聲頻帶分布較寬,在20 Hz～20 kHz的頻帶范圍內(nèi),都可以測得其對應(yīng)的噪聲值。在630 Hz以下的中低頻段,隨著頻率值的增加,噪聲值也在隨之增加。在100～800 Hz頻帶范圍內(nèi)的噪聲聲壓級普遍較高,變壓器的三相噪聲值在630 Hz時(shí)達(dá)到最大。在630 Hz～16 kHz的頻率范圍內(nèi),變壓器的噪聲和頻率呈反比關(guān)系。頻率分量的噪聲值在200 Hz處相較于其它頻率分量的噪聲值更為明顯,主要原因是由于鐵芯發(fā)生磁致伸縮,其產(chǎn)生的振動中勵(lì)磁電源的兩倍頻率占主導(dǎo)地位,因此在以兩倍工頻作為基頻分析時(shí),變壓器的噪聲特性表現(xiàn)最為明顯。根據(jù)變壓器自身的特性,當(dāng)頻率為100 Hz左右時(shí)，主要是油泵與冷卻風(fēng)扇的噪聲,這也是變壓器本身的基頻噪聲。由此可見,變電站在設(shè)計(jì)或者選擇主變壓器時(shí),要考慮冷卻系統(tǒng)的噪聲影響,這樣可以有效減小變壓器的本體噪聲。

表1 1#主變壓器三相聲壓級測量處理結(jié)果Table 1 Test processing results of three-phase sound pressure level of the No.1 main transformer 單位：dB

圖5 1#主變壓器A相噪聲聲紋頻譜圖Fig.5 Noise voice print spectrum of A phase of the No.1 main transformer

3.2 高壓電抗器噪聲特性分析

以1#高壓電抗器為例,4個(gè)側(cè)面的平均等效A計(jì)權(quán)聲壓級計(jì)算處理過程同主變壓器噪聲測量數(shù)據(jù)處理過程,其三相各個(gè)方向觀測點(diǎn)的聲壓級處理結(jié)果見表2。每個(gè)測點(diǎn)需要連續(xù)測量3次數(shù)據(jù),共16個(gè)測點(diǎn),可獲得48個(gè)A計(jì)權(quán)聲壓級數(shù)據(jù)。為能更加直觀體現(xiàn)各測點(diǎn)之間的A計(jì)權(quán)聲壓級數(shù)據(jù)波動情況,選擇每點(diǎn)3次測量后求得的平均值繪制成折線圖,具體見圖6。由表2得知,1#高壓電抗器三相的噪聲值在75.6～81.6 dB之間。將1#高壓電抗器三相各側(cè)面聲壓級測試處理結(jié)果作對比發(fā)現(xiàn),C相的聲壓級值普遍低于A相;而B相的聲壓級相對于A、C兩相的聲壓級普遍較高,其中B相北側(cè)的聲壓級最大,為81.6 dB;高壓電抗器三相中北側(cè)面測點(diǎn)的聲壓級較大。

可以看出,高壓電抗器比主變壓器三相的噪聲值要高。由于A相的西側(cè)有中性點(diǎn)接地電抗器噪聲疊加的影響,故所得噪聲值比C相稍大;并且B相處于中間位置,會受到聲場的疊加效應(yīng)的影響,使得B相的聲壓級最大。高壓帶電架構(gòu)離電抗器組的北面最近,對電抗器的北側(cè)面噪聲值影響較大。高壓帶電架構(gòu)由于電暈現(xiàn)象會產(chǎn)生噪聲,而防火墻會對聲場起到反射的作用,因此A相北側(cè)和東側(cè)的噪聲水平較大;A相南側(cè)正對圍墻,故該側(cè)所測得的噪聲值最低。由上述分析可見,在對變電站內(nèi)的噪聲進(jìn)行預(yù)測分析和控制時(shí),帶電架構(gòu)的噪聲需要計(jì)算在內(nèi)。

表2 1#高壓電抗器三相聲壓級測量處理結(jié)果Table 2 Test processing results of three-phase sound pressure level of the No.1 high voltage reactor 單位：dB

圖7為1#高壓電抗器三相的噪聲聲紋頻譜圖,B、C兩相噪聲聲紋頻譜圖與A相基本相似。由圖7可得,頻譜圖基本符合對稱分布,B相的頻譜分布與其他兩相有所差異,是由于B相受到A、C兩相間聲場疊加的影響,這與電抗器自身的設(shè)計(jì)有關(guān)。在100～500 Hz這個(gè)頻帶范圍內(nèi),高抗的噪聲值相較于100 Hz以下頻率范圍內(nèi)的噪聲值要高,且均在50 dB以上,其中,100 Hz處的噪聲值最為突出;在500 Hz～2.5 kHz頻帶范圍內(nèi),電抗器的噪聲值起伏變化不是很大,并且在2～2.5 kHz的噪聲值一直維持在較高的水平;頻率高于2.5 kHz時(shí),高抗的噪聲值與頻率呈明顯反比關(guān)系,即頻率越大噪聲值越小,且衰減趨勢較為明顯,但是不會降至20 dB以下。高壓電抗器和主變壓器的噪聲產(chǎn)生機(jī)理基本一致,不同之處在于被測量的高壓電抗器采用油浸自冷的方式進(jìn)行散熱,因此,相較于主變壓器的噪聲聲紋頻譜,電抗器的100 Hz基頻和相應(yīng)的諧頻噪聲值更為明顯,而100 Hz以下頻率范圍內(nèi)的噪聲值含量相對較少,也可以印證出高壓電抗器的噪聲頻譜還是和冷卻裝置有很大關(guān)系。將高壓電抗器的噪聲值與主變壓器的噪聲值進(jìn)行對比分析可知,高壓電抗器的噪聲值要高于主變壓器的噪聲值,需要重點(diǎn)對其進(jìn)行控制和治理。

圖6 1#高壓電抗器三相各測點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級折線圖Fig.6 Three-phase measuring point A weighted sound pressure level line diagram of the No.1 high voltage reactor

圖7 1#高壓電抗器A相噪聲聲紋頻譜圖Fig.7 Noise voice print spectrum of A phase of the No.1 high voltage reactor

3.3 環(huán)境噪聲

因?yàn)樽冸娬局饕O(shè)備噪聲可能會受到環(huán)境噪聲的疊加影響,故需要對環(huán)境噪聲進(jìn)行測量及分析。由于該變電站所處位置周圍比較空曠,在距離變電站圍墻1 m處設(shè)置測量點(diǎn),測點(diǎn)距地面高度為1.3 m,每個(gè)測點(diǎn)均測量3次取平均值,測量結(jié)果由于篇幅原因未列出。經(jīng)過測量得到變電站環(huán)境噪聲的最大值為46.3 dB,由此可知,該變電站內(nèi)環(huán)境噪聲較小,對變電站內(nèi)主要設(shè)備發(fā)出的噪聲基本沒有干擾,不是主要的噪聲源。當(dāng)2個(gè)不同的聲壓級進(jìn)行比較時(shí),總聲壓級近似的等于其中較大的聲壓級,而較小的聲壓級可以忽略不計(jì)。將變電站環(huán)境噪聲的最大值與所測量所有設(shè)備的噪聲值進(jìn)行比較,相差值大部分在15 dB以上,按照聲級合成理論,可以將環(huán)境噪聲忽略不計(jì)。故測量所得的各個(gè)設(shè)備不同相不同測量點(diǎn)噪聲值,環(huán)境噪聲對其所帶來的影響基本可以忽略。

4 結(jié) 論

本文對西北電網(wǎng)某750 kV變電站的主要電氣設(shè)備的噪聲進(jìn)行測量,分析其噪聲特性,確定了主變壓器和高壓電抗器為該變電站內(nèi)的主要噪聲源及噪聲主要分布頻段,環(huán)境噪聲對變電站噪聲的影響基本可以忽略,結(jié)論如下：

(1) 主變壓器受到冷卻風(fēng)扇和防火墻的影響,每相南、北側(cè)噪聲相較于東、西側(cè)的噪聲水平普遍較高,其中B相會受到A、C相聲場疊加的影響,聲壓級整體偏高。通過頻譜分析得出主變壓器各相的噪聲值均在20～630 Hz范圍內(nèi)隨頻率的增加,整體呈上升趨勢,在630 Hz～16 kHz范圍內(nèi)噪聲值整體呈下降趨勢。由于冷卻風(fēng)扇對噪聲頻譜分布影響較大,故在變壓器選型時(shí)盡可能選取低噪聲的冷卻系統(tǒng)。

(2) 高壓電抗器的噪聲值普遍比主變壓器的噪聲值高,其中B相的聲壓級相對于A、C兩相的聲壓級整體偏高。頻率在100～500 Hz范圍內(nèi)高壓電抗器的噪聲水平較高且整體隨頻率升高呈上升趨勢,其中100 Hz和200 Hz處的噪聲值明顯偏高;在500 Hz～2.5 kHz范圍內(nèi),電抗器的噪聲值變化不大;頻率高于2.5 kHz時(shí),高壓電抗器的噪聲值隨頻率的上升呈現(xiàn)下降趨勢。

(3) 變電站內(nèi)各個(gè)噪聲源之間會相互干擾,因此在控制和治理變電站噪聲時(shí)需要考慮多方面因素,如帶電架構(gòu)位于主變壓器和高壓電抗器之間,因此在對變電站內(nèi)的噪聲進(jìn)行預(yù)測分析和控制時(shí),其產(chǎn)生的噪聲是需要考慮在內(nèi)的。