500 kV变电站厂界低频噪声控制指标适用性调查分析

林旗力，宋 凯，陈文杰

(1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200001；2.浙江大学环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

0 前言

随着电网设施的发展，变电站的低频噪声问题越来越受到关注[1]。以往的研究较关注变电站声源设备或者站内特定区域的噪声[2]。在噪声特性方面，文献[3-8]对国内500、750和1 000 kV变电站的变压器、高压电抗器和变电构架等噪声进行了实测分析，结果表明：变压器和高压电抗器噪声一般以500 Hz以下的低频噪声为主，并在100 Hz和200 Hz等处存在峰值；变压器噪声频谱受冷却风扇影响较大，而高压电抗器噪声的峰值更为明显；变电构架下的电晕噪声频率分布较广，在高频段和低频段均有分布。由此可见，变电站不同设备或区域的噪声频率特性存在一定差异，但总体上具有低频特性的声源的贡献占有优势。在噪声效应方面，Di等[9-10]和Li等[11]对变电站内变压器等设备产生的低频噪声的心理效应开展了大量研究，并建立了相应的剂量-效应关系曲线。

实际环境中，公众接触的一般是站外噪声。相对于站内设备或者区域噪声，关于站外噪声特性和效应的系统性研究却较为少见。变电站声源多且复杂，尤其是超、特高压变电站，其传播至厂界外的噪声是各声源综合作用的结果。与中高频噪声相比，低频噪声具有在空气中传播时衰减更慢，遇到孔缝或障碍物时更易产生衍射声能等特点[1]，使得变电站声源噪声传播至站外后，低频噪声的影响可能更加突出。

当前我国《声环境质量标准》：GB 3096-2008[12]和《工业企业厂界环境噪声排放标准》：GB 12348-2008[13]均以LAeq(等效连续A声级)作为评价和控制指标，然而世界卫生组织(WHO)在2000年指出A计权网络对低频噪声的影响有所低估[14]，所以直接采用LAeq评价变电站低频噪声存在一定缺陷。国内外在研究和制定室内噪声控制指标时较为重视各频带声能量的平衡问题[15-17]。对于低频噪声控制指标，声样本低频段声能量比例θlow和LCeq-LAeq(LCeq表示等效连续C声级)都可一定程度反映各频带声能量平衡情况。θlow是一个相对客观的参量，不少研究在评价低频声源频率特性时采用了θlow[10,18-19]。Kjellberg等[20]则从主观感受的角度提出LCeq-LAeq可作为低频噪声的评价指标，并认为当噪声的LCeq-LAeq大于15 dB时，LAeq需获得6 dB的补偿值才能较好地反映受声者的主观烦恼。变电站厂界低频噪声作为一种室外噪声，在实际环境中可能会受到较多因素的影响，而θlow和LCeq-LAeq是否适用却不得而知。因此，对变电站站外低频噪声特性进行测量，基于实测结果来分析低频噪声控制指标的适用性是非常必要的。

本文以已投入运营的9座500 kV变电站为对象，通过对厂界处低频噪声的实地采样获得基础数据，分析确定其频率特性，并对典型500 kV变电站实体围墙上下方和主变附近采取降噪措施前后的厂界噪声进行了比较，基于实测数据对θlow、LCeq-LAeq作为变电站厂界低频噪声控制指标的适用性进行了分析，并对指标的后续研究工作提出了建议。

1 厂界低频噪声特性分析

1.1 测量方法

1.1.1 测量对象

对华东地区已投入运营的500 kV变电站进行梳理，按照如下原则筛选出9座500 kV变电站作为测量对象：

(1)主变压器等主要声源设备采用户外布置形式；

(2)稳定运行；

(3)背景噪声低于35 dB(A)；

(4)具备测点布置条件。

表1给出了各测量对象的建设规模。

表1 测量对象建设规模Table 1 Construction scale of measuring objects

1.1.2 测量过程

整个测量过程如图1所示。

图1 测量过程示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement process

1.1.3 测点布置

前文提到，变电站不同设备或区域的噪声频率特性存在一定差异，所以不同位置处的变电站厂界噪声频率特性也存在差异。若厂界距离声源较远，厂界噪声受声源的影响较小。因此，在变电站厂界低频噪声测量过程中，首先应准确识别低频噪声。Berglund等[21]的综述中提到，低频噪声是可以被人体听觉器官清楚地识别出来的，而且本文的研究目的是分析公众可以感受到的低频噪声。因此，在测量前，先由3位专业人员在变电站厂界外一定范围内通过主观感受来识别低频噪声。

测点的具体布置方式参考GB 12348-2008，其中测点高度为1.5 m[13]。待专业人员确认该区域的噪声为低频噪声后，现场人员通过声级计确定LAeq为55、50和45 dB(A)(分别对应GB 3096-2008规定的3、2、1类声环境功能区夜间限值[12])的位置作为测点。由于测点噪声LAeq需要符合相应要求，所以测点与围墙的距离并未严格保持1 m，但都在0.8～1.5 m范围内。

1.1.4 其他

测量仪器采用AWA6228+型声级计。测量仪器和测量条件均满足GB 12348-2008的要求[13]。每个站都参照《环境噪声监测技术规范噪声测量值修正》：HJ 706-2014[22]选取一个合适的背景噪声对照点。测量前后采集对照点处的噪声，确保背景噪声在35dB(A)以下时才能开展测量工作。在测量过程中，如发现背景噪声异常，需及时停止测量，并删除受影响的声样本。

1.2 背景噪声测量结果和声样本分组

1.2.1 背景噪声

根据对照点处的测量结果，背景噪声在29.5～34.0 dB(A)范围内，典型频谱如图2所示。

图2 典型背景噪声1/3倍频带声压级Fig.2 Sound pressure levels in different 1/3 octave bands of typical background noises

1.2.2 声样本分组

根据声样本的LAeq，将其分为55、50和45 dB(A)三组。考虑到现场采样的复杂性，本文默认可接受的误差范围为±0.4 dB(A)。本次测量共获得符合条件的声样本155个，分组情况如表2所示。

表2 声样本分组情况Table 2 Grouping situation of noise samples

1.3 声样本频率特性

1.3.1 各组声样本频率特性

对各组声样本1/3倍频带声压级进行分析，得出平均值及标准差，详见图3。由图3可知，各组声样本低频段声能量比较占优势，且中心频率为100 Hz和200 Hz的2个1/3倍频带上存在峰值，其中中心频率为100 Hz的1/3倍频带上的峰值最为明显。变压器本体噪声主要分布在100 Hz(基频)及其若干整数倍的频率上[4-7]，并且低频噪声在空气中传播时衰减较慢，所以变电站厂界处的噪声在中心频率为100 Hz的1/3倍频带上最为突出。

图3 声样本1/3倍频带声压级平均值及标准差Fig.3 Average values and standard deviations of sound pressure levels in different 1/3 octave bands of noise samples

1.3.2 声样本低频段声能量比例

声学界一般将可听声的频率下限20 Hz作为低频噪声的频率下限。对于低频噪声的频率上限，因其不涉及次声和可听声的边界问题，所以声学界还没有统一的定论。研究者根据需要将其定为100、150和200 Hz等，但一般不高于250 Hz[1,9-10,18,21]。实际环境噪声的频域一般较宽，所以可将声源频谱中最大声压级对应频率处于低频段的噪声判定为低频噪声，或者将总能量中低频段声能量占主导的噪声判定为低频噪声[1]。

为了和倍频程谱各频段上下限频率保持一致，本文以20～355 Hz(中心频率为250 Hz的倍频带上限频率)作为划分低频噪声的频率范围[18]，并通过式(1)计算得到各声样本θlow：

式中，Elow和plow分别表示低频段声能量和声压；Et和pt分别表示声样本所有频段声能量和声压。

声压级Lp(dB)的定义式为

式中：p0表示基准声压，在空气中p0=2×10-5Pa。通过式(2)，得到：

将式(3)代入式(1)，得到：

式中：Llow表示低频段声压级；Lt表示所有频段声压级。

图4给出了声样本θlow分析结果。结果表明，各声样本θlow平均值为87.2%，最大值为99.6%，最小值为57.0%，且各组声样本θlow平均值随其LAeq的降低而增大。可见，低频段声能量在这些声样本中占有绝对优势。进一步在显著性水平α=0.01下对各组间声样本θlow进行单因素方差分析，得F=41.3，在F检验中，通过查表得到在显著性水平α=0.01下的临界值F0.01=4.75，所以F>F0.01。因此，各组间声样本θlow存在显著差异。可见，各组声样本θlow随其LAeq的降低而增大，即LAeq较低的声样本的θlow却较大。

图4 声样本低频段声能量比例(θlow)分析结果Fig.4 Analysis results of low-frequency sound energy proportion(θlow)of noise samples

1.3.3 声样本LCeq-LAeq

图5为各声样本的LCeq-LAeq分析结果。结果表明，各声样本LCeq-LAeq平均值为11.0 dB，最大值为21.8 dB，最小值为3.5 dB，其中有9.7%的声样本LCeq-LAeq超过15 dB。各组声样本LCeq-LAeq平均值随其LAeq的降低而增大。进一步在显著性水平α=0.01下对各组间声样本LCeq-LAeq进行单因素方差分析，得F=40.6，所以F>4.75(F0.01临界值)。因此，各组间声样本LCeq-LAeq存在显著差异。可见，各组声样本LCeq-LAeq随着其LAeq的降低而增大，这与声样本低频段声能量比例分析结果表现出一致的规律。

图5 声样本LCeq-LAeq分析结果Fig.5 Analysis results of LCeq-LAeqof noise samples

图6进一步给出了声样本θlow与LCeq-LAeq之间的关系。由图6可知，声样本θlow与LCeq-LAeq之间呈正相关，拟合曲线y=0.000 07e0.1881x+7.487 7的决定系数R2达到了0.919 4。

图6 声样本低频段声能量比例θlow与LCeq-LAeq之间的关系Fig.6 Relationship between low-frequency sound energy proportion(θlow)and LCeq-LAeqof noise samples

2 典型降噪措施对变电站厂界噪声低频特性影响

户外变电站厂界噪声治理最常用的思路为：(1)在厂界处设置实体围墙；(2)在主变附近采取措施(如设置声屏障、防火墙敷设吸声体)。基于上述两种治理思路，本文各选取了一座500 kV变电站进行实测分析。

2.1 实体围墙对变电站厂界噪声低频特性影响分析

变电站实体围墙一般与主体工程同步建成，所以很难对比同一变电站实体围墙设置前后的厂界噪声。为此，本文选择一座典型500 kV变电站，通过实测比较同一厂界测点处围墙上下方噪声来分析实体围墙的影响。G变电站500 kV主变现有规模为4×1 000 MVA，其总平布置如图7所示，图中◎表示监测点。该站地处平原农村地区，周边平坦且开阔。厂界围墙高为2.2 m，厚为0.24 m，采用混凝土空心砌块和M5号砂浆砌筑。

图7 G变电站总平布置示意图Fig.7 Diagram of general layout of G Substation

参照GB 12348-2008对G变电站厂界噪声进行实测[13]，测点位置如图7所示，其与围墙水平距离为1 m。每个测点都在1.5 m和2.8 m两个高度布置传声器进行同步测量，如图8所示。由图8可见，传声器I高于围墙0.5 m以上(围墙上方)，而传声器Ⅱ低于围墙且距地面1.2 m以上(围墙下方)。这样围墙可对传声器Ⅱ起到类似声屏障的效果，对传声器I则基本无法起作用。测量期间主变风机启动1/2。

图8 G变电站传声器布置示意图Fig.8 Diagram of microphone arrangement of G substation

表3给出了G变电站各测点处的测量结果。由表3可知，所有6个测点处围墙下方的LAeq均小于围墙上方，并且其中5个测点处围墙下方的L100Hz小于围墙上方，但是所有6个测点处围墙下方的θlow和LCeq-LAeq都大于围墙上方。

表3 G变电站厂界测点噪声测量结果Table 3 Noise measurement results at boundary points of G substation

2.2 主变附近措施对厂界噪声低频特性影响分析

Y变电站500 kV主变现有规模为2×801 MVA，其总平布置如图9所示，图中◎表示监测点。由于声环境敏感目标主要分布于西北侧厂界外且地势较高，所以确定了在主变附近设置声屏障(见图10，图中表示声屏障)并在防火墙内侧敷设吸声体的方案。声屏障及防火墙吸声体采用了10 mm聚酯纤维+100 mm空腔结构[23]，其材料吸声性能如图11所示。

图10 Y变电站声屏障布置示意图Fig.10 Diagram of sound barrier layout in Y substation

图11 材料吸声系数(混响室法)Fig.11 The sound absorption coefficient of the material tested by reverberation chamber method

参照GB 12348-2008对Y变电站厂界噪声进行实测[13]，测点位置见图9。传声器与围墙水平距离为1 m，测量高度为1.5 m。采取措施前后测量期间的变电站工况相近，主变风机均全部启动。

图9 Y变电站总平布置示意图Fig.9 Diagram of general layout of Y substation

表4为Y变电站各测点处的测量结果。由表可知，采取措施后，所有7个测点处的LAeq和L100Hz均降低，但是所有测点处的LCeq-LAeq均增大，并且其中6个测点处的θlow也增大。由图11可看出，Y变电站降噪措施采用的材料对中心频率在200～1 250 Hz的1/3倍频带范围的吸声性能较好(吸声系数>0.6)，但是当频率低于200 Hz时其吸声性能随着频率减小而迅速下降，这对噪声治理效果产生了明显影响。以1#测点为例，图12给出了其在治理前后的噪声频谱。由图12可看出，降噪措施对100 Hz以上频段的作用较明显，但是对100 Hz以下的频段却几乎没有效果。

图12 Y变电站采取措施前后1#测点噪声测量结果Fig.12 Noise measurement results at Point 1#of Y substation before and after adopting noise control measures

表4 Y变电站厂界测点噪声测量结果Table 4 Noise measurement results at boundary points of Y substation

3 讨论

在变电站厂界低频噪声特性实测分析中，总体上LAeq较低的声样本的θlow和LCeq-LAeq却较大，这主要与低频噪声在空气中传播时以及遇到障碍物时衰减相对较慢有关。对于以500 kV变电站为代表的大型户外变电站，占地面积大，厂界长，所以测点与声源设备的相对位置以及声波传播途径上的障碍物对噪声的低频特性影响都很大。

通过对变电站实体围墙上下方和主变附近采取措施前后厂界噪声的对比分析也得到了相似的规律。变电站围墙下方的厂界噪声LAeq和L100Hz通常小于围墙上方，但θlow和LCeq-LAeq却可能更大。其原因主要为低频噪声遇到障碍物时衰减较慢。采取站内降噪措施后，在厂界噪声LAeq和L100Hz得到有效控制的情况下，θlow和LCeq-LAeq也可能比原来更大。其原因除了低频噪声遇到障碍物时衰减较慢外，还跟降噪措施材料吸声性能的频率特性有关。需要说明的是，由于材料的限制，该情况在实际工程中非常普遍，很难避免。

在环境保护标准制订工作中，控制指标的适用性非常重要，应兼具科学性和可实施性。虽然θlow和LCeq-LAeq这类指标可一定程度反映各频带声能量平衡情况，但是通过上述调查可知，对于大型户外变电站，直接引入θlow和LCeq-LAeq指标来评价其厂界低频噪声存在一定缺陷。

由于变电站低频噪声的主要影响频带较为固定，在后续工作中，变电站厂界低频噪声评价方法研究可考虑对变电站噪声提出分频控制限值(例如中心频率为100 Hz的1/3倍频带)，或者通过引入类似噪声评价曲线(NR曲线)来确定各频带控制限值。

4 结论

本文通过以上的分析，得到了以下结论：

(1)变电站厂界低频噪声样本的低频段声能量占有绝对优势，其比例θlow的平均值为87.2%，声样本的LCeq-LAeq平均值为11.0 dB。总体上，LAeq较低的声样本的θlow和LCeq-LAeq却较大。声样本θlow与LCeq-LAeq之间呈正相关，拟合曲线决定系数R2达到0.919 4。

(2)围墙下方的厂界噪声LAeq和L100Hz通常小于围墙上方，但θlow和LCeq-LAeq却可能更大。通过主变附近采取降噪措施，在厂界噪声LAeq和L100Hz得到有效控制的情况下，θlow和LCeq-LAeq也可能比原来更大。

(3)对于大型户外变电站，直接引入反映各频带声能量平衡情况的指标(例如θlow和LCeq-LAeq)来评价其厂界低频噪声存在一定缺陷。后续研究建议对变电站噪声提出分频控制限值，或者通过引入类似NR曲线来确定各频带控制限值。