考慮精細化主變聲源模型的變電站噪聲預測研究*

黃 英，康 鵬，吳 健，韓 文

（1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710075）

隨著我國經濟快速高質量發展，電能供需矛盾日益尖銳。為實現全國范圍內資源優化配置和能源高效利用，我國超高壓、特高壓輸變電工程正加快建設腳步。為積極響應國家“綠色環保和環境友好”的號召、強化電能資源環境利用約束[1]，變電站噪聲污染控制[2-3]已成為輸變電工程建設中的重要一環，在工程設計階段實現更有效、更精準的變電站噪聲建模與噪聲水平預測顯得尤為重要。

目前，國內外對變電站噪聲預測方法已有一定的研究。文獻[4]利用SoundPLAN 軟件對750kV 變電站不同位置進行噪聲分析；文獻[5]采用SoundPLAN 軟件對特高壓交流實驗基地進行建模，預測和評估了基地金具優化前后噪聲分布情況；文獻[6]在理論分析基礎上，研究了變電站主要聲源設備頻率特性和噪聲傳播規律，采用噪聲預測軟件結合實測數據，對比分析變電站站界和敏感點噪聲水平；文獻[7]以500kV 主變為例，對其聲功率級推導方法，以及500kV 變壓器聲源模型設置方法進行了研究，并通過實測值進行驗證。盡管有少部分文章對主變聲源模型設置方法進行了探究，但多數研究均未對不同工程建設階段下的聲源模型精細化程度進行探究。實際工作中，變電站噪聲預測貫穿于項目可行性研究、初步設計及施工圖設計整個工程建設始終，不同的工程設計階段，獲取的聲源參數途徑不同，所建模型精細化程度應有所差異。

基于以上分析，本文在分析影響變電站噪聲精準預測主要因素的基礎上，充分考慮主變壓器的聲源特性，分別建立了主變的單一面聲源、四面體聲源和五面體聲源模型，并利用實測數據對比分析主變不同聲源模型類型下的噪聲變化規律。最后，基于SoudPLAN 軟件，以已建成的某750kV變電站為例，建立了考慮精細化主變壓器聲源模型的交流變電站噪聲預測模型，驗證模型的實用性和有效性。

1 變電站噪聲精準預測總體構思

在變電站設計階段充方考慮站內聲源設備及其建模方式，建立精準噪聲預測模型，繼而采取合理的降噪措施，對變電站噪聲環境水平滿足環境要求和實現工程利益最大化具有重要意義。如果變電站噪聲預測過于保守，導致投資過大，而造成不必要的資源浪費；若噪聲預測遠小于實際值，則直接導致工程建設返工延長工期，更有甚者變電站可能直接被禁止投運，嚴重影響生產調度計劃。因此，在變電站設計階段，尤其是在施工圖設計階段，建立精準噪聲預測模型尤為重要。

1.1 影響變電站噪聲精準預測的主要因素分析

1.1.1 建模平臺

在輸變電工程領域，國內目前應用較為廣泛的噪聲預測軟件有SoundPLAN、Cadna/A，兩種預測軟件在噪聲傳播原理及其傳播過程中影響因子的描述、聲源條件的界定及噪聲計算模式與國際標準化組織和我國相關規范規定高度一致[6，8]。本文噪聲仿真模擬基于SoundPLAN 軟件進行。

1.1.2 聲源建模方法選型和參數選取影響分析

變電站噪聲精準預測的主要因素可歸結為兩個方面：一是合理確定變電站內聲源設備和聲屏障模型，對于交流變電站，站內聲源設備主要為主變壓器、電抗器及其他散熱通風設備，必要情況下高壓導體產生的噪聲影響也不可忽視，站內聲屏障主要包括站址圍墻、建筑物、防火墻等；二是合理確定聲源設備的建模類型，參數選取不同、建模方式不同，預測結果可能會有很大差異。因此，合理確定聲源設備的建模方式、合理選取聲源設備及其參數是提高變電站噪聲精準預測的關鍵。

1.2 變電站噪聲預測框架

基于上述分析，本文擬根據現場實測值和模型預測值對比，分析不同精細化程度的聲源類型對主變噪聲分布和變電站廠界噪聲水平的差異，具體預測框架圖如圖1 所示。

2 聲源建模及其噪聲規律研究

2.1 聲波傳播原理

聲源振動帶動周圍介質振動，能量以這種機械波的形式在介質中傳播，形成聲波。聲音在空氣介質中傳播的波動方程為：

圖1 考慮精細化主變聲源模型的變電站噪聲預測框圖

式中，p 為聲壓，v0為空氣中聲傳播速度，t 為時間。求解式（1）可得到聲壓隨空間和時間變化的函數。在實際工程中，聲場邊界條件極其復雜，波動方程的準確通解獲取困難，工程近似算法是采用等效源法來近似擬合實際聲場。

2.2 主變、高抗聲源特性分析

變電站噪聲主要來源是主變壓器和高壓并聯電抗器。變壓器和電抗器噪聲包括本體噪聲和冷卻器噪聲。本體噪聲主要由鐵芯硅鋼片磁致伸縮和繞組電磁力引起的振動產生，其噪聲主要是100Hz 基頻及其倍頻的低頻噪聲，噪聲頻譜范圍在100～500Hz 之間；冷卻器主要由油泵和冷卻扇所產生，以高中頻噪聲為主。研究成果表明，110～500kV 交流變壓器可聽噪聲主要集中分布于60～80dB，電壓等級增大，高噪聲占比相應增加。影響交流變壓器和電抗器平均噪聲水平的主要因素有：（1）不同電壓等級平均噪聲水平不同，但差異并不明顯；（2）不同廠商制造工藝及技術水平不同，變壓器平均噪聲也有一定的差異。此外，隨著運行中負荷的變化，設備投入使用年限不同，均會導致變壓器和電抗器平均噪聲水平發生變化。

2.3 主變聲源模型建立

變壓器聲源建模需要的主要參數包括聲源類型、聲源幾何尺寸、聲功率級、倍頻程頻譜或1/3 倍頻程頻譜。在變電站工程設計中，可行性研究和初步設計階段聲源設備尚未招標，僅能確定變電器型式及主要技術參數，無法給出變壓器的具體外形尺寸值，此時主變聲源幾何尺寸數據可依據變電器型式及主要技術參數調研國內外廠家所提供的變壓器外形尺寸值，統計后取其平均值作為主變聲源幾何尺寸參考值，也可按照文獻[9]中相應數據作為模型輸入條件；在變電站施工圖設計階段聲源設備已招標，聲源參數可取自設備廠家的同型號設備。

本文為研究不同聲源類型對噪聲預測結果準確性的影響，聲源參數源于已建成的某750kV 變電站現場實測數據，根據主變實測數據計算出聲功率級，將得到的聲功率級作為軟件模型輸入條件進行噪聲仿真預測，通過比較預測結果和實測結果研究不同聲源模型類型下的噪聲變化規律。由于電抗器和變壓器聲源特性類似，在變電站中的布置方式也大同小異，因此，本小節僅給出基于主變壓器的研究成果，電抗器以此類推不再贅述。

2.3.1 聲源類型

SoundPLAN 軟件聲源類型包括點聲源、線聲源、面聲源，可以通過組合面聲源建立體聲源模型。為研究聲源類型對噪聲預測準確性的影響程度，本文將主變聲源分別設置為如圖2 所示三種聲源類型。

圖2 三種聲源類型

（1）單一面聲源：設置一個與地面平行的水平面聲源，水平面聲源的高度取聲源總高的1/2。

（2）四面體聲源：設置四個與地面垂直的垂直面聲源，即長方體聲源的四個側面。

（3）五面體聲源：設置四個與地面垂直的垂直面聲源和一個與地面平行的水平面聲源，水平面聲源的高度取聲源總高，即長方體聲源的四個側面和一個上頂面。

2.3.2 聲源幾何尺寸

聲源模型的幾何尺寸對噪聲預測準確性起重要作用。根據現場實測，某750kV 變電站主變壓器為分體式變壓器，單相尺寸為長、寬、高分別為10m、8.5m、6m。由于實驗條件所限，僅對某750kV 變電站進行了現場實測，為使研究結果更具有通用性，對500kV、330kV、220kV 主變壓器，本文也進行面聲源和體聲源模型預測結果對比分析。根據調研國內外廠家變壓器外形尺寸，取其統計平均值作為主變聲源幾何尺寸參考值，詳見表1。

表1 220～500kV 主變壓器幾何尺寸值

2.3.3 聲源聲功率級測定

本文750kV 變電站主變壓器和高壓電抗器的聲源聲功率級采用文獻[10]推薦的方法獲取：

根據現場設備實際外形，將一條圍繞主變外輪廓線從箱蓋頂部垂直移動到箱底所形成的平面定義為主變噪聲基準發射面，將噪聲基準發射面所在平面內距離基準發射面邊緣線外x 米的點所連成的線定義為規定輪廓線，詳見圖3。本次實驗，取兩條規定輪廓線，高度分別位于主變油箱高度1/3 處、2/3 處的水平面上。在設備正常運行時開展測量，測試時，分別將聲級計均布于規定輪廓線和噪聲衰減測點方向上，主變壓器測點設置示意圖詳見圖3。

此外，還需對主變主要尺寸進行現場測量，包括：變壓器油箱高度、含風機在內的冷卻設備高度、規定輪廓線周長。根據噪聲測量值，按照式（2）、（3）及（4）計算主變聲功率級、A 計權聲功率級或各頻帶聲功率級。具體步驟見圖4 所示。

式（2）中：LWA為聲源設備的A 計權聲功率級，單位dB（A）；S0為基準參考面積，單位m2，取值為1；S 為測量表面積，單位m2，由式（2）獲得；為A 計權表面聲壓級，單位dB（A），由式（3）獲得。

式（3）中：h 為變壓器油箱高度或包括風機在內的冷卻設備高度，單位m；x 為設備噪聲基準發射面與規定輪廓線之間的距離，單位m，本次實驗取值為2；lm為規定輪廓線的周長。

式（4）中：N 為測點總數；LpAi為測點i 所測得的A 計權聲壓級，dB（A）；K 為環境修正因子，dB。

2.4 預測及結果分析

圖3 變壓器測點設置示意圖

在噪聲仿真預測中，基于SoundPLAN 軟件對各電壓等級主變壓器聲源類型均設置三種模型，模型1、2、3 分別為單一面聲源、四面體聲源、五面體聲源。同時，模型中考慮主變防火墻對噪聲預測的影響。

對于500kV、330kV、220kV 主變的聲源模型，聲源幾何尺寸按照表1 中推薦尺寸選取，聲功率級根據DL/T 1518[9]中表B.1 和表B.2 數據。對于750kV 主變的聲源模型，根據2.3.3 小節所述方法進行現場測量，聲源幾何尺寸按照該變電站中實際主變壓器設備尺寸選取，聲功率級根據式（2）、（3）及式（4）計算所得作為模型輸入值。SoundPLAN 預測模型中測點設置與現場實測設置原則一致，即距離主變基準發射面每隔4m 置一個測點，測點高度為1.5m。基于上述仿真條件，采用SoundPLAN 軟件進行噪聲預測，預測結果見圖5（a）、5（b）、5（c）、5（d）。

分析圖5 可知，主變噪聲實測結果和預測結果都基本符合幾何發散衰減規律。面聲源與體聲源預測結果有一定的差異，體聲源更加接近實測值，且五面體聲源比四面體聲源更加接近真值，這是因為變壓器在實際運行中，每個面都是噪聲發射面，將總聲功率分配到每個面上可以更加準確地模擬聲源的噪聲特性。分析圖5（b）、5（c）、5（d），可以看出面聲源與體聲源預測結果差異顯著。

圖5 各電壓等級下不同聲源模型噪聲預測對比圖

3 實例分析

為驗證上述不同聲源模型的噪聲預測差異及其準確性程度，本文以已建成的某750kV 變電站為例進行實測分析。該750kV 變電站位置偏僻，測試條件良好，實測過程無明顯外部聲源干擾。該站戶外布置1 組三相分體變壓器，型號為ODFPS-70000/750GY，強迫油循環強迫風冷；戶外布置2 組三相分體電抗器，型號為BKD2-100000/800-110，油浸自冷式。根據圖4 所述方法分別得到主變和高抗的聲功率級，詳見表2，站內主要建（構）筑物高度見表3。此外，還進行了廠界噪聲水平測試。

圖4 聲源聲功率級測定流程圖

表2 變電站主要噪聲源設置

3.1 噪聲預測模型設置

為對比變電站預測值與已得到的實測值之間的差異，本小節基于SoundPLAN 軟件建立變電站噪聲水平預測模型，根據主變和高抗聲源類型不同設計3 種不同案例：案例1 主變和高抗聲源類型為單一面聲源，案例2 為四面體聲源，案例3 為五面體聲源。除此之外，預測模型其他輸入條件均保持一致，聲源參數信息見表2，主要建筑物建模見表3，廠界測點設置位置和高度同實測點。

表3 變電站主要建筑物高度

3.2 噪聲預測及結果分析

分別對3 種案例下變電站噪聲模型進行仿真模擬預測，得到變電站廠界噪聲水平預測結果。分析結果發現，3種案例下全站噪聲輻射趨勢大體相同，因此本文僅給出案例3 下該變電站噪聲輻射模擬，詳見圖6；不同案例下廠界噪聲預測值與實測值對比詳見圖7。

圖6 案例3 下變電站噪聲輻射模擬圖

分析圖6、圖7 可知，不同案例下不同測點的噪聲預測值與實測值變化趨勢基本保持一致，噪聲測量結果基本接近，說明基于3 種聲源設備建模類型的噪聲模型都能夠完整地反應出變電站真實的噪聲分布情況；相比單一面聲源模型，體聲源模型預測總體誤差控制在±5dB（A）范圍內；同時，五面體聲源模型較四面體聲源模型結果更為精確，差異在2dB（A）左右。

圖7 不同案例下廠界噪聲預測值與實測值對比

4 結論

本文分別建立了主變的單一面聲源、四面體聲源和五面體聲源模型，通過對基于SoudPLAN 軟件建模噪聲預測值和現場實測數據對比分析，得出如下結論：

（1）基于SoudPLAN 軟件建模可以完整地仿真模擬變電站運行時站區噪聲分布情況。

（2）相比面聲源，體聲源模型預測結果更接近實測值，其中五面體聲源模型較四面體聲源模型更為精確，差異在2dB（A）左右。

（3）工程可行性研究、初步設計階段主變和高抗模型建議采用單一面聲源，并在預測結果中適當增加裕度；施工圖設計階段建議結合中標廠家的實際設備外形，采用五面體聲源模型進行復核。

研究結論可為后續不同設計階段變電站噪聲預測提供技術支持和參考。