变电站声环境影响预测中声源虚拟中心点的确定

朱艺婷　周 峰　徐春燕

(浙江省辐射环境监测站， 杭州　310012)



变电站声环境影响预测中声源虚拟中心点的确定

朱艺婷周 峰徐春燕

(浙江省辐射环境监测站， 杭州310012)

摘要：在变电站声环境影响评价中，未满足声源中心到预测点之间的距离超过声源最大几何尺寸2倍的情况下，仍简化为点声源进行预测会产生一定的偏差。以杭州地区1台220 kV已投运的变压器为例，使用包络表面法测量其正常运行时的A计权声压级和背景声压级，计算该台主变的声功率级。根据半自由场声源声压级与声功率级的数量关系，推导声源虚拟中心点的位置，并通过实测数据与两种不同衰减距离取值下的理论预测值进行比较分析。结果表明，在测点距离声源较近区域内，衰减距离的取值应为测点至声源虚拟中心点的距离，不能简单使用测点至外廓边界距离。

关键词：变压器；噪声预测；包络表面法；虚拟中心点；衰减

近年来，国家以扩能、成网为主导，规划并建设了一大批基础电力设施，建成并投运了多条特高压、超高压的交流、直流输电线路，输配电网逐渐完善，供电服务范围进一步深入负荷区域，极大地完善了电能供给。

在此背景下，作为输变电设施中不可或缺的变电站，其环境影响成为公众关注的热点。电压等级110 kV及以上的变电站在开工建设前均需履行环保审批手续，这其中，除电磁环境影响外，噪声也成为不可忽视的一个影响因子。因此，应选取合理的预测参数和计算方法，对变电站主要声源变压器产生的噪声影响程度进行科学预测。

1变压器噪声的声源解析

变压器在正常运行情况下，产生的噪声包含了机械噪声和气流噪声。其中，变压器铁心励磁时产生的磁致伸缩会引起空气振动，冷却风机叶片旋转时产生气流漩涡，这些均能产生气流噪声；线圈导体间的吸力和斥力，变压器油箱壁和散热管的振动，这些均能产生振动噪声。

因此，变压器是一个包含多种类型噪声的复合声源，本体辐射的噪声属于中、低频噪声，频段在100～500 Hz为噪声水平贡献值最大[1]，通风散热系统的风机噪声则以中高频噪声为主[2]。

2变电站声环境影响预测中存在的问题

对变电站进行噪声环境影响评价时，主要评价依据为HJ 2.4—2009《环境影响评价技术导则声环境》，评价标准包括GB 12523—2011《建筑施工场界环境噪声排放标准》、GB 3096—2008《声环境质量标准》、GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》等。

对变电站运行期声环境影响进行评价的过程中，在确定评价等级后，首先应了解变电站内主要的噪声源种类、数量、源强、分布情况、至厂界距离等参数，并进行工程分析。同时，调查变电站周围500 m评价范围内的环境保护目标，包括类型、数量、相对位置、建筑物情况等。

取得上述基本资料后，选择合适的预测模式对声源进行简化，通过类比分析或理论计算，预测声源正常运行的情况下，厂界及周边环境保护目标受噪声影响的程度。必要情况下，根据声环境技术导则一级、二级评价等级的要求，绘制等声线图，用以直观显示工程投运后噪声影响的程度和范围。遇到高度较高、楼层数较多的环境保护目标时，还应对垂直方向上噪声变化趋势进行预测分析。

环评单位在进行噪声衰减的计算时，一般都直接将变压器简化为点声源，利用设计单位或主变压器生产厂家提供的数据，即距离主变1 m或2 m处的声压级直接进行计算。该方法对于整个评价范围内的预测来说，是可行的，因为与整个变电站和评价范围比较可知，主变的尺寸相对较小，这种简化是合理的。但对于近距离范围来说，这种简化存在一定的不准确性。根据HJ 2.4—2009《环境影响评价技术导则声环境》中点声源的定义，在声环境影响评价中，声源中心到预测点之间的距离超过声源最大几何尺寸2倍时，可将该声源近似为点声源[3]。

在满足以上距离要求的前提下，可将主变视作点声源，点声源几何发散衰减公式是：

Adiv=20lg(r/ro)

(1)

式中：Adiv—几何衰减量，dB；

r—预测点至声源的距离，m；

r0—参考距离，m。

但在距离主变较近的区域，如仍按照点声源进行计算，会产生一定的误差。若主变安装位置靠近厂界，可能引起厂界噪声预测结果的偏差。因此，在预测过程中，不应直接将r0取作1 m或2 m，而应找出其声源虚拟中心点，以该虚拟中心点到厂界、环境保护目标处的距离进行计算，能尽量避免偏差，使计算结果较为准确。

本文以浙江省杭州地区某220 kV变电站内已投运的1台变压器(1#主变)为范例，对其进行了详细测量，讨论声源虚拟中心点的取值方法，并与实际测量结果进行了比较和分析。

3利用包络表面法计算声源声功率级

设计单位一般给出的是距离主变1 m或2 m处的声压级，为求得声功率级，采用包络表面法计算声源声功率级[4]。

该1#主变位于某220 kV变电站西南角，主变全户外布置，主控楼等建筑物集中布置在变电站北侧，2#主变尚未进场安装，因此1#主变周围可以认为是空旷地带，且没有会产生明显干扰的噪声源。经实地测量，1#主变外形尺寸约为9.2 m×7.6 m×7.5 m(L×W×H)。

考虑布设监测点位的可操作性，在距离主变4侧1 m处，设置3条轮廓线，3条轮廓线在垂直方向上等间距分布(包络线3离地约1.9 m，包络线1、2、3间距1.9 m)。各个测点等间距布设在轮廓线上，每个测点间隔1 m。轮廓线示意见图1。

每个测点的监测时间为30 s。可以近似认为，上述测点将主变围成了一个包络面，用包络面上测得的数据计算该主变的声功率级LWA。

图1　轮廓线及监测布点示意

3.1测量表面平均A计权声压级的计算

测量表面平均A计权声压级和测量表面平均背景噪声A计权声压级用以下公式计算。

(2)

(3)

N—传声器数量，即测点个数。

3.2背景噪声修正

修正值KA用下式计算：

KA(dB)=-10lg(1-10-0.1△LA)

(4)

若，△LA>10dB不需修正，当△LA在3~10dB之间，应根据公式(4)加以修正。

3.3声功率级的计算

(5)

声功率级按式(6)计算：

(6)

S—包络面包含的表面积，m2；

S0—1m2。

由上述公式得1#主变的声压级为94.2 dB(A)。

4声源预测虚拟中心点的确定方法

主变可视作放置在刚性地面上的声源，声源处于半自由声场，声音只能向半空间辐射，用声压级表示，可得r处的声压级：

Lp=Lw-20lgr-8

(7)

式中：Lp—声源声压级，dB；

Lw—声源声功率级，dB；

r—预测点至声源的距离，m。

采用包络面法计算声功率级时的监测数据和计算结果，取高度居中的轮廓线上，主变东侧和西侧同一条直线上的各一个测点的测量结果Lp1和Lp2，由于Lw固定不变，可知：

Lp1+20lgr1+8=Lp2+20lgr2+8

(8)

式中：r1、r2—虚拟中心点至变压器外廓东侧和外廓西侧的距离，m；

Lp1、Lp2—在同一直线上测得的声压级，dB。

(r1+r2-2)m即为设备外廓宽度，对确定型号的主变设备来说，该值为固定值。

计算方法示意见图2。

图2　声源虚拟中心点的确定方法示意

由上述方法求解二元一次方程组，可求得r1、r2，则虚拟中心点的位置可近似确定。

主变可将其视作由多个小体声源组合而成的一个大体声源，且排列组合不均匀。因此，虚拟中心点的位置往往不是主变的几何中心点。

将Rc定义为虚拟中心点至设备实体边界的距离，受限于本次测量工作的测量组数，计算得到1#主变虚拟中心点Rc为3.95 m，离地高度为3.80 m。

在同一条直线两侧取点测量、建立二元一次方程组时，考虑到各小体声源布置的位置和密度，应尽量将实测点位设置在主变中间高度的水平面上。而虚拟中心点的精确确定，还需要增加测量组数，逐渐缩小范围，最后得到较为准确的结果。

5衰减距离不同取值情况下比较分析

根据上述计算方法，在与Rc相同的直线方向上布点测量噪声衰减情况，测点至设备边界距离记为D，测量项目为连续等效A声级LAeq，每个测点的监测时间1分钟，测量结果记为Lp。

根据式(2)，Lw已由包络面法求得，r的取值分两种情况进行计算：(1) r=Rc+D；(2)r=D。因此，每个测点均可分别求得两种不同的计算结果，记为Lm和Ln，与实测结果的差值分别为(Lm-Lp)和(Ln-Lp)。计算及比较结果见表1。

表1　r不同取值情况下计算结果与实测结果比较

由上表的比较分析结果可知，在距离小于20 m的测量区域内，声源不能被视作点声源，衰减距离r的取值应为Rc+D，计算结果与实测数据误差结果相对较小，最大误差值为1.0 dB(A)；产生误差值可能是如下两个原因：(1)计算确定的虚拟中心点位置仍有偏差，可通过增加测量组数来获得较为准确的位置；(2)主变噪声在传播过程中的反射、吸收作用。

如直接以测点至设备外廓距离D作为r代入计算，误差较大，最大可达6.3 dB(A)。

在距离20 m之外的区域，声源可简化为点声源，此时，衰减距离可直接取值为D，计算结果与实测值较为接近。

6结论

本文通过包络面法计算出声源声功率级，并根据点声源衰减公式，比较了r不同取值情况下，计算结果与监测结果的差值大小。

在测点距离声源较近，尚不能视作点声源的情况下，r 的取值应为测点至声源虚拟中心点的距离，不能简单使用测点至外廓边界距离作为r，否则会使预测结果偏大。

在满足大于声源最大尺寸2倍距离的要求下，衰减距离r可直接使用测点至外廓边界距离，计算结果与实测值较为接近。

在实际环境影响评价中，设备尚未安装投运，本文使用的声源虚拟中心点的计算方法较难实现。为提高预测准确度并简化预测步骤，可参考同电压等级、相同主变容量、相似型号的主变，选取已经投运的主变，通过多组不同方向直线上的测量确定虚拟中心点至设备实体边界的距离即Rc进行预测分析。

参考文献

[1] 闫维明, 李振海, 张志强, 等. 高压输变电设施低频噪声特性研究与限值的确定[J]. 噪声与振动控制, 2013, 33(1):168-172.

[2] 周建飞, 周年光, 阳金纯, 等. 城区变电站噪声控制典型技术[J]. 噪声与振动控制, 2011, 31(5):173-177.

[3] 环境保护部. HJ 2.4—2009环境影响评价技术导则 声环境[S].2009.

[4] 国家技术监督局. GB/T 3768—1996声学声压法测定噪声源声功率级反射面上方采用包络测量表面的简易法[S]. 1996.

Determination of virtual center point of the acoustic source: electric substation

Zhu Yiting，Zhou Feng，Xu Chunyan

(Zhejiang Radiation Environmental Monitoring Center，Hangzhou 310012，China)

Abstract:In the evaluation of the acoustic environment of the substation, the result was often unsatisfying when the distance between the center of the sound source and the prediction point was less than 2 times the maximum geometrical dimension of the sound source. This paper used the enveloping surface method to measure A- weighted sound pressure level and background sound pressure level to calculate the sound power level of the 220kV substation in Hangzhou. According to the quantitative relation between sound pressure level and the sound power level of semi free field sound source, we derived the acoustic source virtual center position, and compared the predicted data with two different attenuation distance values. The results showed that when the measuring points were close to the sound source, it is better to select the sound source's virtual center for the calculation of attenuation distance, rather than the boundary of the acoustic source.

Keywords:substation; noise prediction; enveloping surface method; virtual center point of acoustic source; attenuation

中图分类号：X828

文献标志码：A

作者简介：朱艺婷，女，1984年生，硕士，研究方向：噪声与电磁环境影响分析与评价。E-mail：zhuyt0701@126.com

收稿日期：2015-10-08；2015-11-30修回