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(shù)有限公司 江蘇 南京 211100) 2(華北電力大學(xué)電力工程系 河北 保定 071000)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、城市化進(jìn)程不斷加快，為了改善供電質(zhì)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(shè)呈現(xiàn)出選址越來越接近居民區(qū)、遠(yuǎn)景規(guī)模越來越大等特征[1]。不可避免地，站內(nèi)大型電力設(shè)備的運(yùn)行會(huì)給居民區(qū)帶來嚴(yán)重噪聲污染。近年來，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)、國家環(huán)境治理力度加大，變電站的環(huán)境噪聲影響日益受到重視[2-4]?，F(xiàn)有變電站的高噪聲面臨著嚴(yán)重的環(huán)保投訴問題，新建變電站須通過環(huán)保部門的環(huán)境評價(jià)后才能批準(zhǔn)建設(shè)和投入使用，因此針對變電站環(huán)境噪聲的分析與預(yù)測研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為準(zhǔn)確分析與預(yù)測變電站環(huán)境噪聲，針對噪聲源建模是關(guān)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(jì)算模型，國內(nèi)外都有一定的研究[7-8]。目前，國家有關(guān)部門已出臺(tái)的相關(guān)變電站噪聲評價(jià)技術(shù)規(guī)范中對主變壓器的建模均采用單個(gè)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(shí)際上主變壓器具有多個(gè)面的立體聲源，且噪聲各個(gè)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(yù)測結(jié)果往往與實(shí)際情況有一定差距。本文結(jié)合國內(nèi)某典型500 kV變電站的工程特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)，基于Cadna/A噪聲預(yù)測軟件構(gòu)建了更切合實(shí)際的考慮方向性的主變噪聲模型，并結(jié)合變電站其他源的噪聲模型，可較準(zhǔn)確地預(yù)測500 kV變電站的噪聲分布。

1 噪聲預(yù)測基本理論

目前在對變電站等工業(yè)企業(yè)進(jìn)行環(huán)境噪聲預(yù)測時(shí)，最常用的是根據(jù)噪聲產(chǎn)生與傳播的物理原理所提出的理論計(jì)算加實(shí)測驗(yàn)證的方法。

為了便于構(gòu)建模型，以及便于Cadna/A計(jì)算，點(diǎn)聲源聲強(qiáng)采用聲功率級來表示，其輻射聲場中各點(diǎn)的聲壓級的計(jì)算公式[10]如下：

Lp=Lw-20lgr-11

(1)

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

對于變壓器的各側(cè)面，可將每個(gè)側(cè)面認(rèn)為是一個(gè)平面聲源。當(dāng)平面聲源界面聲壓處處相等時(shí)，面聲源的聲場計(jì)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(diǎn)與面聲源的距離，單位為m；Lp為場點(diǎn)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(shí)，其強(qiáng)度分布的一個(gè)主要特性是指向性。常用指向性因數(shù)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(diǎn)的聲強(qiáng)而求得的所有方向上的平均聲強(qiáng)；Iθ為某一方向θ上的聲強(qiáng)。一般在空氣中，可以認(rèn)為聲強(qiáng)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(jì)算公式進(jìn)行適當(dāng)修正。對于自由場空間的點(diǎn)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(shù)，DI=10lgRθ。

據(jù)此，聲場中某一預(yù)測點(diǎn)的總聲壓級LpT為:

(5)

式中：Lp,i為第i聲源在預(yù)測點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓級，單位為dB；n為聲源個(gè)數(shù)。

2 變電站噪聲預(yù)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(nèi)部部件的磁致伸縮，其振動(dòng)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(dòng)[11]。忽略變壓器頂部的輻射噪聲，變壓器噪聲可認(rèn)為來自四個(gè)側(cè)壁的振動(dòng)。變壓器聲功率級Lw可按文獻(xiàn)[12]的國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法進(jìn)行測定，則各側(cè)壁的聲功率級大小可根據(jù)其所在側(cè)面的面積大小按式(6)計(jì)算得出。

(6)

式中：S側(cè)為所在側(cè)面的面積；S總為四個(gè)側(cè)壁的總面積。

對于每個(gè)側(cè)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(jù)實(shí)測值算出。

R=[R0°R15°R30°R45°R60°R75°R90°]

(7)

進(jìn)一步地，由文獻(xiàn)[13-14]可知，分布在聲輻射體靠近其閉合表面的多個(gè)等效源的聲場加權(quán)疊加可近似等效實(shí)際聲場。據(jù)此，通過點(diǎn)聲源與面聲源的等效替代，可將變壓器等效為多點(diǎn)聲源模型。該模型中，較長的箱壁面由3×3個(gè)等間距布置的等效點(diǎn)聲源等效，較短的箱壁面由2×2個(gè)等間距布置的等效點(diǎn)聲源等效，且在由這些等效點(diǎn)聲源組成的4個(gè)虛擬等源面內(nèi)嵌一建筑物，每個(gè)虛擬等源面與建筑物表面之間距離很小(相當(dāng)于貼合在表面上)，該模型的尺寸及高度均為主變的實(shí)際幾何參數(shù)，如圖1所示。測量變壓器附近少量場點(diǎn)的噪聲值，由式(8)可得各等效點(diǎn)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(diǎn)j測得的聲壓級，單位為dB；Lwe(i)為第i個(gè)等效源的聲功率級，單位為dB；rj(i)為第i個(gè)等效源與場點(diǎn)j之間的距離。

圖1 多點(diǎn)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(shí)際長度和寬度的平面聲源構(gòu)建，低壓電抗器可采用點(diǎn)聲源構(gòu)建，高度均為實(shí)際幾何中心高度，聲源參數(shù)均為實(shí)測值。主控樓等站內(nèi)主要建筑物及圍墻均按實(shí)際尺寸建立。

3 模型的驗(yàn)證與預(yù)測分析

本文采用Cadna/A噪聲預(yù)測軟件進(jìn)行模型的驗(yàn)證與預(yù)測分析。Cadna/A廣泛適用于多種噪聲源的預(yù)測、評價(jià)、工程設(shè)計(jì)和研究，其理論基礎(chǔ)與文獻(xiàn)[15]的要求相一致，且功能全面，操作簡單，預(yù)測結(jié)果直觀可靠。在Cadna/A中分別構(gòu)建主變的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)模型[9]、現(xiàn)有研究中常用的體聲源模型，以及多點(diǎn)等效源模型進(jìn)行對比。體聲源模型如圖2所示，對于變壓器的各個(gè)側(cè)面，認(rèn)為該面上各處的聲壓是相同的。與多點(diǎn)等效源模型類似，這里也內(nèi)嵌一個(gè)建筑物，尺寸及高度也取實(shí)際幾何參數(shù)。本文選取江蘇某500 kV變電站行建模及預(yù)測分析。變電站的簡化平面圖及廠界測點(diǎn)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(diǎn)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(shè)置計(jì)算區(qū)域范圍，選取2臺(tái)主變西側(cè)中心軸線上不同距離處的噪聲衰減預(yù)測點(diǎn)及廠界四周圍墻外1 m處噪聲預(yù)測點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。全站聲場計(jì)算高度及各預(yù)測點(diǎn)高度均為1.5 m，三種主變模型的仿真結(jié)果分別如圖5-圖7所示。預(yù)測點(diǎn)的實(shí)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(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主變模型的仿真結(jié)果圖

圖6 體聲源主變模型的仿真結(jié)果圖

圖7 多點(diǎn)等效源主變模型的仿真結(jié)果圖

圖8 #1主變西側(cè)衰減實(shí)測值與各模型預(yù)測值對比圖

圖9 #2主變西側(cè)衰減實(shí)測值與各模型預(yù)測值對比圖

圖10 廠界四周實(shí)測值與各模型預(yù)測值偏差對比圖

表1 廠界四周實(shí)測值與各模型預(yù)測值對比

續(xù)表1

由圖9、圖10可知，在主變一側(cè)衰減方向，體聲源主變模型與實(shí)測值的誤差最大，而多點(diǎn)等效源主變模型與實(shí)測值較為接近，誤差基本在2 dB(A)以內(nèi)。由表1及圖10可知，采用多點(diǎn)等效源主變模型，廠界四周除個(gè)別預(yù)測點(diǎn)仿真值與實(shí)測值相差2.5 dB(A)左右以外，絕大多數(shù)仿真值與實(shí)測值相差均在2 dB(A)以內(nèi)；采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主變模型，廠界四周部分仿真值與實(shí)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(shù)仿真值與實(shí)測值相差超過了2.5 dB(A)?？梢姺抡娼Y(jié)果與實(shí)測值相比偏保守，原因分析如下：(1) 受背景噪聲、氣候、監(jiān)測設(shè)備及方法等因素影響現(xiàn)場實(shí)測值存在一定誤差；(2) 軟件聲源值輸入為聲功率級，而現(xiàn)場實(shí)測均為聲壓級，換算存在一定的計(jì)算誤差；(3) 為加快仿真速度，軟件“計(jì)算設(shè)定”中“反射次數(shù)”設(shè)定值不是很大。綜合來看，采用多點(diǎn)等效源主變模型的變電站噪聲仿真結(jié)果與實(shí)測值更接近。因此，使用本文提出的聲源具有指向性的多點(diǎn)等效源主變模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測500 kV變電站噪聲。此外，利用多點(diǎn)等效源主變模型的變電站噪聲預(yù)測模型進(jìn)行噪聲預(yù)測時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際變壓器的大小選擇對應(yīng)合適的等效點(diǎn)聲源的個(gè)數(shù)。

4 結(jié) 語

本文通過對500 kV變電站環(huán)境噪聲的調(diào)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(diǎn)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(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)等效源主變模型為主的500 kV變電站噪聲預(yù)測模型并進(jìn)行仿真。通過與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析，證明了其在較小的誤差范圍內(nèi)采用聲源具有指向性的多點(diǎn)等效源主變模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測500 kV變電站的環(huán)境噪聲。這對今后開展變電站環(huán)境噪聲仿真分析、預(yù)測及環(huán)境噪聲影響評價(jià)具有重要的意義。