一種戶外變電站用聲屏障模塊化降噪方法

陳勇，田一，王云輝，樊超，何強，聶京凱，朱全軍，肖偉民

（1.云南電網有限責任公司，昆明 650011；2.全球能源互聯網研究院有限公司，北京 102211；3.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054）

引言

為解決我國能源分布不均的問題，實現高電壓、長距離、大容量輸送電目標，特高壓輸變電技術近年來迅速發展，國民逐年增加的用電需求得到滿足。同時，高壓輸電線路逐漸深入城區，使許多高電壓、大容量的變壓器的位置鄰近居民生活區，設備運行產生的噪聲嚴重影響居民的正常生活，噪聲投訴的風險增大。尤其對于戶外變電站，由于缺少主變室等建筑物的遮擋，噪聲排放通路多，衰減緩慢，影響范圍大。

各變壓器廠商及科研機構等高度重視噪聲問題，從工藝、結構優化等方面提出了多項措施，如通過變壓器身壓緊裝置的改良[1]、油箱振動的抑制[2]等。理論而言，這些措施可較好的控制鐵心振動的產生[3、4]，但由于缺乏工程實踐檢驗，技術成熟度尚有待提高。目前，聲屏障、隔聲罩等輔助降噪技術仍是應用最多的降噪方案。歐陽玲等[5]仿真分析了某半戶內變電站中聲屏障的降噪效果，宋健等研究了特高壓變電站中隔聲罩的應用方法。

進行輔助降噪設計時，需要考慮的影響因素較多，包括材料選擇、安裝位置、結構形式和設備散熱等，設計過程較為復雜。為提高戶外變電站降噪設計效率，優化降噪效果，本文針對聲屏障降噪設施，基于聲傳播理論和聲場仿真分析技術，提出了一種模塊化降噪設計方法。

1 聲屏障模塊化設計過程研究

1.1 確定優化目標

通過戶外變電站站界噪聲測量，獲得聲源設備近場噪聲和站界噪聲A計權聲壓級和1/3倍頻程頻譜。參照《工業企業廠界環境噪聲排放標準》（GB 12348—2008）的相關要求，確定站界噪聲的降噪量要求。

對于在役變電站，通過站界噪聲測量獲得噪聲聲壓級，降噪量指標=站界噪聲聲壓級-國標規定站界噪聲聲壓級限值。

對于新建變電站，降噪量指標可計算獲得。若存在多個聲源設備，則總體聲壓級為：

式中：

Lw—聲源設備總聲壓級；

Li—第i個聲源的聲壓級；

n—聲源設備個數。

變壓器位于地面，屬于半自由場，根據噪聲傳播衰減公式，當站界距離主變距離較遠時，站界噪聲聲壓級為：

式中：

Lp—站界聲壓級；

r—聲源設備與站界的距離 。

當站界距離主變較近時（5倍尺寸以內），站界噪聲聲壓級為：

式中：

r0—距離主變較近的某點與變壓器距離；

LA—距離主變r0位置處的噪聲聲壓級。

查詢GB 12348—2008規定的廠界噪聲限值，與計算出的站界聲壓級之差，即為降噪量大小。

1.2 隔聲模塊的設計

壁板是聲屏障的主體結構部件，也是發揮隔聲功能的關鍵部分。根據“隔聲質量定律”，壁板的隔聲量與其表面密度的對數成正比。罩壁常采用的材料有鋼板、混凝土板和玻璃鋼等。為提升降噪效果，部分聲屏障選用雙層隔聲結構，其隔聲能力取決于雙層構件的面密度、空氣層厚度、結構剛度、固有頻率、空氣層中聲橋的作用大小等。

由于市面上隔聲材料種類眾多，性能特點各不相同，為獲得最優化的隔聲效果，在隔聲模塊材料選用時，本設計采用了“降噪材料、降噪構件、降噪裝置性能基礎數據庫系統”，對各項材料的聲學性能進行對比分析。該系統針對變電站降噪需求設計，共收錄了60余種不同類型降噪材料的聲學、耐候性能數據。在數據庫的隔聲模塊，可根據測量的變電站噪聲頻譜特征和聲壓級水平，對多種材料的隔聲性能快速查詢，查詢數據包括80～5000Hz內1/3倍頻程上的隔聲量、計權隔聲量和沙塵/雨淋耐候試驗后的隔聲量。

1.3 聲屏障的高度和位置設計

為了掌握主變降噪用聲屏障高度和位置對隔聲降噪效果的影響，本文首先以主變設備外2m安全距離位置作為原點，分別布設高度為5m、10m、15m，距離為0m、5m和10m的聲屏障，采用SoundPLAN軟件仿真分析主變附近的聲場狀況，評估降噪效果。

1.3.1 聲屏障高度的影響研究

對布設在主變周邊原點位置，高度分別為5m、10m和15m的聲屏障隔聲效果進行分析（見圖1），可知主變聲源噪聲由于聲屏障的作用，聲波行程發生顯著變化，在聲屏障高度以下、距原點水平距離5m外的聲影區范圍內基本可以達到45dB（A）以下，滿足《工業企業廠界環境噪聲排放標準》（GB 12348—2008）的Ⅰ類限值要求。但在聲屏障高度以上區域，由于聲繞射現象，噪聲水平仍然較高，且隨距離增加而衰減。當聲屏障高度為5m時，敏感點與原點位置的水平距離超過30m時，所有高度的噪聲水平下降到45dB（A）以下；當聲屏障高度增加到10m、15m時，這一衰減距離分別縮減為15m、5m。由此可知，隨著聲屏障高度的增加，噪聲的有效防護范圍逐漸增大，聲屏障高度以上區域的噪聲水平逐漸下降。

圖1 聲屏障布設在原點、高度不同時的主變聲源附

1.3.2 聲屏障位置對隔聲降噪效果的影響研究

圖2顯示了高度為5m、不同安裝距離下聲屏障周邊的環境聲場分布圖。盡管在聲屏障高度以下的聲影區范圍內噪聲基本下降到45～50dB（A）以下，但在聲屏障高度以上的區域，噪聲水平仍然較高，隨著聲屏障與主變距離的增加，聲繞射效應更加嚴重，噪聲水平逐漸提升，所有高度上噪聲水平下降至45dB（A）以下的最低噪聲衰減距離逐漸增大。總體來說，聲屏障距離主變聲源越近，噪聲防護范圍越大，越有利于不同高度區域內的噪聲控制。然而，由于變壓器檢修、巡視需要，聲屏障往往遠離變壓器噪聲源，多數情況下被安裝在變電站站界位置。

圖2 布設距離不同、高度5m的聲屏障周邊環境聲場分布圖

1.3.3 聲屏障高度、位置參數的確定

在上述研究的基礎上，為保證聲屏障聲影區有效覆蓋周邊所有噪聲敏感點，同時合理控制工程成本，結合仿真分析和工程經驗總結，設計了一項聲屏障高度/位置參數查詢系統。該系統收錄了多種聲屏障設計方案，僅需輸入聲屏障的高度、布設距離和周邊敏感點的坐標信息，即可獲得敏感點處的聲壓級水平，再根據查詢結果對聲屏障參數進行反饋調整，即可確定聲屏障最優化參數。

1.4 聲屏障模塊化設計流程

在綜合掌握聲屏障隔聲材料、高度和安裝位置對降噪效果影響的基礎上，本文提出了聲屏障模塊化設計方法，其總體設計流程如見圖3。

圖3 變壓器用聲屏障模塊化設計流程

2 500kV戶外變電站聲屏障降噪方案設計

2.1 項目概況

某500kV變電站屬于南方變電站典型設計中的戶外變電站，該變電站共有3臺主變壓器，均為戶外布置，容量750MVA，主變壓器之間設置了一堵防火墻。該變電站位于郊區，站內聲源設備未經過任何降噪處理，很容易引起噪聲投訴。

對該變電站進行噪聲現場測量后得到，廠界圍墻西側的晝間聲壓級最高達61.3dB（A）、夜間聲壓級最高60.1dB（A），夜間噪聲頻譜圖見圖4。其他方向的噪聲水平均在50dB（A）以下。根據GB 12348—2008的要求，該變電站周邊屬于Ⅱ類聲環境功能區，其廠界噪聲排放限值為：晝間≤60dB（A）、夜間≤50dB（A）。因此，必須對該變電站進行噪聲治理。

圖4 站界噪聲頻譜圖

2.2 設計概況

本項目擬在該變電站西側配置高效隔聲屏障，并進行隔聲屏障基礎構件、主體構件及其輔助構件的施工、安裝和調試工作。

2.2.1 確定降噪量目標

由于在夜間變電站廠界最高聲壓級為60.1dB（A），為實現站界噪聲降低至50dB（A）的目標，聲屏障的隔聲量應達到60.1-50=10.1dB（A）。同時，為控制變壓器低頻噪聲的影響，針對100Hz低頻噪聲，降噪量應為67.7-50=17.7dB（A）。

2.2.2 聲屏障隔聲模塊的設計

由于平均隔聲降噪指標不低于10.1dB（A），同時100Hz降噪量不低于17.7dB（A）。查詢“降噪材料、降噪構件、降噪裝置性能基礎數據庫系統”可知，1mm厚度鋼板即可滿足要求，其計權隔聲量31dB（A），100Hz隔聲量18.4dB（A）。由于存在聲繞射現象，為確保良好的隔聲效果，本體隔聲量應比所需隔聲量大10dB（A）以上。查詢“降噪材料、降噪構件、降噪裝置性能基礎數據庫系統”可知，2.5mm厚鋼板可滿足要求，其計權隔聲量38.5dB（A），100Hz隔聲量28.7dB（A）。

2.2.3 聲屏障高度和位置的初步設計

根據變電站周邊調研，在距離站界西側約25m，距離變壓器30m的位置，存在敏感建筑物，建筑物高度約為10m。為保證敏感建筑物內噪聲達標，需確保樓內噪聲聲壓級在47～50dB（A）之間，故選定敏感點坐標信息為距離變壓器30m，高度5m（位于建筑物內）。根據聲屏障應用經驗，在聲屏障高度/位置參數查詢系統中查詢不同聲屏障方案的降噪效果，最終選定的參數為高度8m，距離變壓器7m。

2.2.4 其他性能的設計

聲屏障的底部基礎固定設置了預埋件，在此基礎上安裝8m高鋼立柱和輔助支撐結構。鋼立柱采用125mm×125mmH型鋼，立柱間距為2.5m，輔助支撐結構采用方管結構焊接而成。聲屏障的地下基礎，采用埋設條形基礎的結構設計。聲屏障的主體受力支撐結構為Q235鋼材質，其力學性能滿足抗風、抗震要求。聲屏障的材料均為不燃性材料，也不影響主變消防管路和排風排煙設施運行，因而不會對主變安全運行構成影響。

2.3 實際降噪效果

采用距離變壓器2m、高度10m的聲屏障降噪方案，對該變電站進行噪聲治理。

完成聲屏障的安裝后，分別在距離變電站站界圍墻1m、高0.5m處，以及居民樓約40m高樓層處進行噪聲測量，噪聲測量結果見下表。由此可知，采用該聲屏障降噪方案，能夠有效控制變電站噪聲排放。

聲屏障安裝前后變電站站界與居民樓敏感位置噪聲測量結果

3 結論

為控制500kV戶外變電站噪聲，本文提出了一種聲屏障的模塊化設計方法。形成了以下結論：

（1）聲屏障的壁板是發揮隔聲功能的主要構件，針對變電站噪聲特征，通過查詢“降噪材料、降噪構件、降噪裝置性能基礎數據庫系統”可優選出低頻降噪效果優良的隔聲材料。

（2）聲屏障的降噪效果與聲屏障距離聲源設備的位置、聲屏障高度密切相關：距離越近，高度越高，聲屏障的聲影區范圍越大，防護效果越明顯。

（3）結合仿真分析和工程應用經驗，設計了“聲屏障高度/位置參數查詢系統”，可有效指導聲屏障的高度和位置設計。

（4）采用模塊化設計方法，對某500kV變電站進行降噪設計。聲屏障安裝后，經過噪聲檢測，站界與西側建筑物內的噪聲水平均已控制在50dB（A）以下，滿足GB 12348—2008中Ⅱ類聲環境功能區的限值要求。