特高压变电站厂界环境噪声测量与评估探讨

杜杰伟，于慧彬，倪 园，汤其森，张廷佑

（1.齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；2.山东省海洋仪器仪表科技中心，山东 青岛 266001；3.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074；4.浙江大学 生仪学院仪器科学与工程学系，杭州 310013）

目前我国已建成了多条以晋东南－南阳－荆门为示范工程的1 000 kV特高压交流输电线路和以向家坝－上海800 kV为示范工程的特高压直流输电线路[1-2]。拥有更高电压等级、更大输送容量的变电站/换流站在我国东西部地区建设起来。随着电压等级的提高，由此带来的变电站附近环境噪声问题日渐凸显，它不仅影响人的工作和睡眠，而且影响人的心理和生理特征[3]。为进一步从振动机理和根源上降低变电站/换流站内外噪声，国内外科研机构在这个领域的研究仍在继续。然而，无论是评估变电站/换流站的声辐射水平还是验证噪声控制方案的降噪效果，都需要准确测量变电站的厂界辐射噪声水平[4-5]。

变电站辐射噪声的评估主要依据GB3096-2008《声环境质量标准》[6]、GB12348-2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》[7]和GB/T15190-2014《声环境功能区划分技术规范》[8]。由于工业企业厂界的差异，为了不失一般性，标准中对于测量细节的规定比较少。环评部门及业内科研工作者在具体组织实施测量时，测量方案的不同导致站界噪声测试产生一些误差，进而影响到分析评估的准确性。综合考虑文献[9-10]中列举的影响工业企业厂界噪声测量准确性的因素，基于边界元法研究噪声的传播机理，采用实验法研究背景噪声的测算及修正、声压测点的优化以及变电站厂界噪声的合理评价等问题。以前述三个国家标准[6-8]为依据，结合某1 000 kV正常营运变电站的厂界噪声测量结果和仿真分析结果，对变电站厂界噪声测量的技术细节展开详细的研究。

1 障碍物下点声源声场传播衰减分析

当变电站厂界外无受影响的噪声敏感建筑物时，变电站厂界噪声测试按照国标应选在围墙外1 m远处，通常会使测点水平位置距离变压器、高抗等噪声源较远，因此，作为其噪声传播机理初步研究，可将其简化为点声源。研究点声源在有障碍围墙下的衰减规律，对于准确评估厂界噪声具有重要的作用。

采用边界元数值法进行计算，所建立的模型如图1所示。

点声源距离围墙3 m，声源高度为3 m，在给定声源强度（声功率级为101.6 dB）和频率（100 Hz）的初始条件下，通过改变水泥围墙的高度，观察围墙外部水平方向和竖直方向上距离围墙不同距离的声压值，分析其衰减规律。

当水泥围墙的高度为8 m时，通过边界元法计算出的声压云图如图2所示。

图1 点声源声场衰减计算模型示意图

图2 墙高为8 m时的声压分布

在水平方向上，围墙外3 m高处各点的声压级如表1所示。

从图2可以看出，墙外声场各分析点的声压并非严格按照距离的平方衰减，而是存在一定的波动。从围墙四周绕射到观测点的声压分布并不规律。

表1 墙高为8 m时水平方向的声压值

从表1可知，虽然整体来看远处观测点的声压是在衰减，但其衰减速率不定。例如，从5 m观测点到6 m处降低很多，而1 m到2 m处却仅降低0.6 dB。墙外1 m处竖直方向上的声压值如表2所示，在空气中竖直方向上不同高度处的声压值并不恒定。因此，靠近围墙顶部的声压级较底部大，更能反映墙内声源的辐射声功率。

表2 墙高为8 m时垂直方向的声压值

当厂界围墙的高度调整为6 m、4 m和2 m时，通过边界元法计算出的声压云图如图3（a）、图3（b）和图3（c）所示。从图2、图3（a）至图3（c）4种不同高度下相同测点声压的分布对比可以看出，围墙高度可以对墙外声场的分布产生很大影响。

其原因可归结为声波在不同声学边界下的绕射以及在墙体末端的散射。此外，相同测点（高3 m）的声压级在围墙高度不同时差别最大可达9 dB。因此，当变电站厂界为一定高度的实心围墙时，测点位置的选择能够很大程度上影响站界噪声水平的评估。

实际厂界围墙的高度和类型差异会对噪声的评估产生误差，这是建造过程带来的。在实验过程中由于地形和仪器的限制，选择测量点的位置、方向和距离对于噪声值的大小也会有影响。所以，要想提高厂界噪声评估的准确度，应该在满足国标要求的前提下，尽量规范和细化测量步骤，减少上述影响因素对测量结果的影响。

图3 厂界围墙高度不同时墙外声压分布

2 变电站背景噪声的测算与修正

GB12348-2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》中规定：工业企业厂界环境噪声在0类功能区昼间的噪声排放限制值为50 dB(A)，夜间的噪声排放限制值为40 dB(A)，从1类功能区到4类功能区昼间的噪声限制值分别在0类功能区限制值的基础上依次增加5 dB(A)；在夜间，从1类功能区到4类功能区的噪声排放限制值分别为45 dB(A)、50 dB(A)、55 dB(A)、55 dB(A)。该标准中的噪声排放限定值是变电站环境噪声评测的依据。另外，标准中给出了环境噪声评估中的背景噪声的定义，即除被测噪声源以外的其它声源发出的噪声的总和。按照噪声排放标准，背景噪声需要在被测变电站/换流站停止对外排放噪声时采集，但变电站/换流站正常输变电运行时很难因噪声测量工作而暂停运行。针对此问题，在电力企业厂界噪声监测中背景噪声测量和修正的探讨中指出，可以用噪声监测点的累计百分声级L90作为该点的背景噪声值。然而，对于稳态运行的变电站/换流站，电力设备噪声持续工作，L90的声级包含大量的非背景噪声成分。以此作为背景噪声修正厂界声压测量结果，势必造成变电站/换流站辐射噪声被低估。

变电站的主要噪声源是变压器、高压电抗器、冷却风扇等。换流站的主要噪声源是换流变压器、电抗器、交直流滤波器、冷却风扇、变电构架及金具等。这些主设备辐射噪声的频谱中都含有明显的100 Hz基频及其谐频成分，如图4所示，其为某变电站在昼间的厂界噪声平均声压级频谱图。

图4 某变电站站界昼间平均A计权声压级

从图中可看出，变电站站界噪声的主要能量集中在100 Hz及其倍频成分，且在100 Hz处的声压级最高，约41.9 dB(A)。在少数离散频率处，如584 Hz处，有明显来源于旋转设备如风机、风扇噪声的周期噪声，除此以外，其它频段的噪声峰值均较小，且声源的频谱特征不明显。

以变电站的噪声为例，从声能量的角度来看，厂界测点的声能密度由变压器、高压电抗器、风机、变电构架和金具噪声的声波能量密度组成，可表示为

式中：ω表示角频率；Etotal(ω)表示总的声能量；Et(ω)表示变压器辐射噪声贡献的声能量；Ef(ω)表示冷却风扇辐射噪声贡献的声能量；Er(ω)表示高压电抗器声辐射贡献的声能量；Eb(ω)表示背景噪声贡献的声能量；Eother(ω)表示变电构架和金具等贡献的声能量。

变压器、高压电抗器的声辐射特征明显，均为100 Hz及其倍频成分，而高压电抗器噪声主要集中在100 Hz。风机噪声和变电构架及金具的噪声，频率成分丰富带宽较宽。此两部分噪声源的频率成分与背景噪声的频率部分相似，较难分离。但是，考虑到变电站噪声的主要贡献来于变压器、电抗器设备，且站址大多在村庄地区，在站址附近很少存在能够产生100 Hz及其倍频成分背景噪声的声源。因此，可将变电站主设备噪声分离，用其100 Hz及其谐频的总和作为变电站的辐射噪声。由于厂界测量各处背景噪声不同，需要考虑厂界四周的空间平均，按照表达式（2）计算厂界A计权声压级[11]。

全频带噪声的厂界总声压级表示为

式中：ωn、ω0分别表示分析频段的上下限频率。

而考虑100 Hz及其倍频成分THC（Total Harmonic Component）的站界总声压级可表示为

以图4所示变电站的厂界噪声评估为例，由表达式(3)和式(4)计算得到的和分别为52.6 dB(A)和44.8 dB(A)。采用直接测量噪声的方法和采用特征频率100 Hz及其谐频求和计算出来的值相差7.8 dB(A)，根据GB12348-2008规定的厂界噪声修订值，其厂界噪声应至少修正-3 dB(A)。在厂界噪声测量评估中，信号的信噪比是影响评估精度的重要因素。假设背景噪声是均值为0方差为0.2的随机噪声（h(w)），声源为宽频高斯白噪声（S(w)），那么分析频带0～2 000 Hz的实测噪声和背景噪声的频谱可表示为图5所示形式。此时，有效信号和背景噪声在分析频带内的总声压级分别为0.7 dB(A)和 -13.2 dB(A)。

现假设在同一背景噪声下，声源换成信噪比大于10 dB的单频噪声两组仿真信号的频谱比较如图6所示。

此时，实测噪声和背景噪声在分析频带内的总声压级分别为-11.2 dB(A)和-13.2 dB(A)。对于此种单频噪声的声源，若对实测信号按照GB12348-2008的规定进行修正，则会出现背景噪声比实测噪声还要大的反常情况，这是由声压级计算频带比主噪声频带宽造成的。对于谐波噪声源为主的变电站/换流站噪声更是如此，主噪声能量仅集中在少数几个离散频率，但是离散频率却分布在较宽的频带内。然而，从信号测量的角度考虑，在噪声频率100 Hz处的信噪比高达约50 dB，在信噪比较高的情况下，完全不需要修正。因此，在对变电站进行厂界噪声实测时，建议使用高信噪比对噪声信号进行测量。

图5 两组宽频仿真声压信号的频谱比较

图6 谐频噪声信号和背景噪声信号的频谱对比

3 厂界声压测点的选取规范分析

通常，由于变电站高压运行，站界周围噪声敏感点的距离都相对较远。因此，站界噪声的评估需要测点整周的声压数据。由于受到变电站容量、地形地貌差异等因素的影响，站界测点的具体布置方案尚没有统一且比较详细的参考。图7所示为几种没有采取噪声控制的站界围墙的类型，3种站界围墙分别为砖混结构围墙、部分砖混结构围墙和栅栏及栅栏式伸缩门。根据GB12348-2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》的规定，噪声评估测点应选在工业企业厂界外1 m、高度1.2 m以上、距任一反射面距离不小于1 m的位置，当厂界有围墙且周围有受影响的噪声敏感建筑物时，测点应选在厂界外1 m、高于围墙0.5 m以上的位置。依据国标，对常见厂界围墙形式进行分析，站界常见围墙型式见图7。图7（a）所示围墙一般高度大于2.0 m，该种围墙声压测点高度保持在墙顶部大于0.5 m处。图7（b）所示的围墙底部水泥矮墙若不足0.7 m，测量高度保持在1.2 m以上。若底部水泥矮墙高于0.7 m，按照矮墙实际高度加0.5 m作为测点高度。图7（c）所示的围墙声压测点布置原则同图7（b）。

图7 变电站常见的厂界围墙形式

对应各类围墙的测点高度确定后，厂界噪声达标与否的判定是以测点处最大等效连续A声级是否超过GB12348-2008规定的限值为依据。图8为变电站厂界不同位置处284个测点一周的A计权声压级。

图8 变电站厂界284个测点的A计权声压级

由图8可知，在第243个测点处的声压级为60.5 dB(A)，是厂界噪声最大值所在位置。声压测点布置的原则是能够覆盖最大声压级测点区域［12］。实测经验表明，适当增大测点密度，可以提高厂界噪声评测的准确性。

4 变电站厂界噪声评估实例分析

根据以上变电站厂界噪声测量方案的探讨，对实际运行的特高压变电站进行噪声评估分析，所测量的变电站为1 000 kV高压交流输变电线路中的安吉变电站，该变电站是淮南—芜湖—安吉—上海（皖电东送）输电工程中重要的枢纽，也是浙江省首座特高压交流变电站。皖电东送工程也是世界上第一个商业化运行的同塔双回路特高压交流输电工程，线路全长656 km，铁塔1418基，包括4站6线，浙江省设有铁塔383基、输电线路178 km。该工程的额定电压为1 000 kV，最高运行电压为1 100 kV。变电站内主设备分布如图9所示。

图9 安吉站主设备分布示意图

噪声测量工作所用的仪器为丹麦Brüel&Kjær公司生产的Type 3050-A-040数据采集卡。厂界所测量的137个点的A计权平均声压级频谱、A计权声压级空间分布分别如图10、图11所示。

图10 变电站厂界噪声A计权平均声压级频谱

图11 变电站厂界噪声A计权声压级空间分布

从图中可得出，变电站厂界平均声压级为54.1 dB(A)，噪声的主要能量集中在100 Hz及其倍频部分，且在100 Hz处的声压级最高为44.74 dB(A)，该位置位于安兰高抗附近处。在少数离散频率处，如79 Hz、112处，有明显来源于旋转设备如风机、风扇噪声的周期噪声，其噪声值分别为26.14 dB(A)、25.19 dB(A)。

变电站厂界噪声频率为100 Hz、200 Hz、300 Hz时未计权的声压级分布如图12所示。

图12 变电站厂界噪声在不同频率处声压级分布

图中标出了主变以及高抗在站内的相对位置，从图中可看出，厂界噪声中100 Hz处的噪声值明显高于200 Hz、300 Hz处，也就是声源发出的噪声到达站界的衰减较小，相对较难控制，且在靠近主变压器和高压电抗器的位置处，噪声声压级明显高于其它位置，因此在噪声评估中合理选择测点尤为重要，在靠近变电站主噪声源的位置或者变电站高压母线进出位置，得到的声压级较高，更容易捕捉到声压最大值所在的位置。

5 结语

（1）基于声学边界元的方法计算了障碍物下点声源的声场传播衰减规律，讨论了厂界实体围墙高度对墙外噪声的影响，为厂界噪声测量提供理论支撑。

（2）通过实地测量和数据分析，基于声压测量信噪比的概念，解释了变电站厂界噪声测量过程中的背景噪声问题，在对变电站进行实测厂界噪声时，建议使用高信噪比对噪声信号进行测量。

（3）通过对变电站厂界噪声评估的实例分析得出如下结论：在变电站噪声评估中合理选择测点尤为重要，在靠近变电站主噪声源的位置，或者变电站高压母线进出位置得到的声压级较高，更容易捕捉到声压级最大值所在的位置。声压测点布置的原则是能够覆盖最大声压级测点区域，实测经验表明，若适当增大测点密度，可以提高厂界噪声评测的准确性，从而进行合理评估。