750 kV变电站噪声测量与特性分析

王 莹,孙海涛,薛彦登,易 航,成育红,马江涛

(1.西安理工大学 水利水电学院,陕西 西安 710048;2.西安市国光电力工程有限责任公司,陕西 西安 710000; 2.国网陕西省电力公司检修公司,陕西 西安 710054)

0 引 言

随着社会经济的不断发展,各行业的用电负荷也在大幅度增长,常规电压等级的输变电已经无法满足人们的需求,超/特高压输变电技术得以快速发展。超/特高压变电站产生较大噪声的主要原因是电压等级高,设备容量大。因此,为了能够有效控制和治理超/特高压变电站的噪声,分析站内主要电气设备的噪声特性具有重要意义[1-3]。

文献[4]对不同电压等级的9座变电站和13频段输电线路的可听噪声进行了现场测量和分析。目前,针对750 kV及以上电压等级的超/特高压变电站的噪声测量方法大多仅限于对站内设备噪声值的测量,但所测数据量少,无法对其噪声的频谱特性进行具体分析[5],以致对变电站设备的噪声无法全面的了解及掌握,进而导致相应的噪声控制和治理方法缺乏针对性。文献[6]通过对某750 kV变电站的噪声进行分析,对变电站噪声防范与治理提出了一些措施,但是没有对变电站噪声值进行实际测量,无法与实际情况进行对比,只能作为定性分析；文献[7]分析了特高压GIS变电站主电设备的可听噪声特性,为噪声预测和控制提供一些统计数据,但是仅仅对可听噪声值进行了分析,存在局限性。由于750 kV及以上电压等级的超/特高压变电站的声源参数没有统一的标准,在进行噪声预测时结果不尽相同,因此,此类测量方法仅能定性分析变电站的噪声分布情况[8-9]。为了更加准确、详细掌握750 kV及以上电压等级的超/特高压变电站的噪声分布以及噪声特性,获得主要设备的声源参数,最直接的办法就是对于其站内的噪声进行全面测量和分析[10-15]。在后续对噪声进行控制和治理时,可以采用改进的反向粒子群和小波分析等算法来对噪声进行进一步分析[16-17]。

本文以西北电网某750 kV变电站作为测量和研究分析对象,对于站内已经投运的主变压器和高压电抗器等主噪声源的噪声进行全面的测量,将得到的实测噪声值进行处理及分析,最终得出变电站内主要设备的噪声声压级和声纹的频谱特性,可以为750 kV及以上电压等级的超/特高压变电站的噪声控制和治理提供一些建议。

1 理论依据

随着工业的发展以及城市居住人数的增多,噪声污染已经逐渐开始影响人们的日常生活和居住环境。变电站的噪声对于站内工作人员以及周边居民的影响也受到公众和社会关注。我国很多750 kV及以上电压等级的超/特高压变电站在修建时,由于国土资源日趋紧张,在选择变电站的建造位置时变得十分困难,很多工程不得不将站址选在距离居民居住地较近的地方,因此噪声影响引起的纠纷逐步增多。就目前而言,国内许多变电站在选择建设时并未仔细考虑工程投运后对周围居住居民的噪声污染问题,也没有具体设定出一个厂界噪声的控制区,这样导致了日后出现许多纠纷并且难以很好地解决。对变电站噪声特性进行分析,为变电站噪声治理方法提供了理论依据,对控制变电站的噪声污染,提高居民生活质量和保护现有环境有着非常重要的现实意义。

在对噪声特性进行评价时,为了可以让声音的客观评价和人耳对于声音的感受近乎一样,一般需要将不同频率的声压级经过某一特定的加权修正处理,然后对其叠加计算后,可以得到噪声总的声压级,也称之为计权声级，其中,A计权的频率响应和人耳对于声音的灵敏度最为符合[18]。现行的环保文件中关于变电站噪声排放限值的规定是基于A计权之后的结果。变电站所产生的噪声往往是由几个不同声源叠加而成的。对于变电站所产生的噪声,衡量噪声水平时采用噪声能量按时间平均的方法更为适合,因此采用等效连续A声级来进行噪声的特性分析。变电站主要设备的平均等效A计权声压级可以通过下面的式子求解得到[19]:

(1)

式中:LAi为第i个测点的等效A计权声级;N为变压器某一方向上的总测点数。

对于变电站噪声特性进行评价时,还需要对噪声声纹频谱进行分析。频谱分析是通过研究声音的频谱,了解声源的特性及声音对听者的影响等问题,可以为控制和治理噪声提供参考[18]。若2个频率分别为f1,f2,令

(2)

式中:f1为任一频程的下限截止频率,Hz;f2为任一频程的上限截止频率,Hz。

对于式(2),当n=1时,称为倍频程;当n=1/3时,称之为1/3倍频程。在实际中对于变电站噪声声纹频谱特性进行分析时,采用1/3倍频程来划分频率区间进行处理。

2 噪声测量方案

为了所得测量数据的有效性,测量时应该在没有雨雪和没有雷电的天气下进行,且风速不超过5 m/s;测量应在被测设备正常运行时间进行,同时还需要标明当时设备的工况[20-21]。本次噪声测量采用的仪器是AWA6228+型多功能声级计,为了减少风速对于测试结果的影响,将防风罩安在传声器上,测试时将声级计的时间计权特性设为F档,分别在昼、夜2个时段进行不间断的测量。

结合本次进行实测的某750 kV变电站的现场实际情况与测量预期目标,共需测量设备有主变压器3台和750 kV高压电抗器2组,所测设备皆长期投入使用。变电站内的平面测量布置简图见图1。

图1 750 kV变电站测量平面示意图Fig.1 Measuring layout of the 750 kV substation

站内包含3台三相变压器,结合现场实际情况和设备的运行状态,选定轮廓线的位置为距离变压器基准面2 m处,轮廓线距地面高度为1.3 m,每条轮廓线包含24个测点。主变压器南北两侧均设置7个测点,东西两侧均为5个测点。主变压器周围测点布置简图见图2。

图2 主变压器观测点示意图Fig.2 Measurement-point layout of the main transformer

选取测量顺序为1#主变压器、2#主变压器、3#主变压器。对于1#主变压器,A，B，C三相均选择图示东北侧拐点为起始测量点开始测量,每个测量点测量3组数据,每组数据测量时间间隔为1 min,将所测得的3组数据汇总,求得平均值,以示测量结果的准确性。对于2#主变压器,A相与B相选取西北侧拐点为起始测量点,C相选取东北侧拐点为起始测量点开始测量;对于3#主变压器,A相选取东北侧拐点为起始测量点,B相和C相选取西北侧拐点为起始测量点开始测量。2#主变压器和3#主变压器数据获取方法与1#主变压器所用方法相同。每次测量需要有20 Hz～20 kHz共计31个频率分级的噪声,经过统计,共获得3×3×24×3×31=20 088个主变压器噪声测量数据。

所测试的变电站内投入运行的有2组三相高压电抗器,结合现场实际情况和设备的运行状态,选定轮廓线的位置为距离电抗器基准面2 m处,轮廓线距地面高度为1.3 m,每条轮廓线包含16个测点。高压电抗器东、南、西、北4个侧面均为4个测点。图3为高压电抗器周围测点布置简图。选取测量顺序为1#高压电抗器、2#高压电抗器。对于1#高压电抗器,A相和B相选取东北侧拐点为起始测量点,C相选取西北侧拐点为起始测量点开始测量;对于2#高压电抗器,A相和B相选取西北侧拐点为起始测量点,C相选取东北侧拐点为起始测量点开始测量。高压电抗器数据获取方法与主变压器所用方法相同。每次测量需要有20 Hz～20 kHz共计31个频率分级的噪声,经过统计,共获得2×3×16×3×31=8 928个高压电抗器噪声测量数据。

图3 高压电抗器观测点示意图Fig.3 Measurement-point layout of the high-voltage reactor

3 变电站主要设备噪声特性分析

3.1 主变压器噪声特性分析

以1#主变压器为例,每个测点需要连续测量3次数据,共24个测点,可获得72个A计权声压级数据。为能更加直观体现各测点之间的A计权声压级数据波动情况,选择每点3次测量后求得的平均值绘制成折线图,具体见图4。

图4 1#主变压器三相各测点A计权声压级折线图Fig.4 Three-phase measuring point A weighted sound pressure level line diagram of the No.1 main transformer

表1为变压器三相声压级处理结果。1#主变压器三相附近噪声值在68.3～74.7 dB之间变化。由表1可得,1#主变压器A，B，C三相的南侧和北侧的噪声水平较高,其中北侧的噪声水平最高,且B相各个侧面的声压级相对较高。A，B，C三相工作时冷却风扇运行方式一样,北侧都是2#和4#风扇打开,南侧是6#和8#风扇打开。主变压器防火墙位于东侧和西侧,而南侧和北侧是开放侧,且冷却风扇也位于这两侧,可以看出南北两侧的噪声明显比东西两侧要高,故750 kV主变压器的噪声较多的来自于冷却风扇侧与油泵,且防火墙对于变压器噪声声压级也有一定影响。因为北侧面靠近66 kV设备区,对变压器北侧面的噪声影响较大。另外,由于主变压器的B相居于A，C两相之间,会受到两侧声场叠加的影响,故而声压级较高。

图5为1#主变压器A相的噪声声纹频谱图,B、C两相噪声声纹频谱图与A相基本相似。如图5所示,频谱图整体呈对称分布,噪声频带分布较宽,在20 Hz～20 kHz的频带范围内,都可以测得其对应的噪声值。在630 Hz以下的中低频段,随着频率值的增加,噪声值也在随之增加。在100～800 Hz频带范围内的噪声声压级普遍较高,变压器的三相噪声值在630 Hz时达到最大。在630 Hz～16 kHz的频率范围内,变压器的噪声和频率呈反比关系。频率分量的噪声值在200 Hz处相较于其它频率分量的噪声值更为明显,主要原因是由于铁芯发生磁致伸缩,其产生的振动中励磁电源的两倍频率占主导地位,因此在以两倍工频作为基频分析时,变压器的噪声特性表现最为明显。根据变压器自身的特性,当频率为100 Hz左右时，主要是油泵与冷却风扇的噪声,这也是变压器本身的基频噪声。由此可见,变电站在设计或者选择主变压器时,要考虑冷却系统的噪声影响,这样可以有效减小变压器的本体噪声。

表1 1#主变压器三相声压级测量处理结果Table 1 Test processing results of three-phase sound pressure level of the No.1 main transformer 单位：dB

图5 1#主变压器A相噪声声纹频谱图Fig.5 Noise voice print spectrum of A phase of the No.1 main transformer

3.2 高压电抗器噪声特性分析

以1#高压电抗器为例,4个侧面的平均等效A计权声压级计算处理过程同主变压器噪声测量数据处理过程,其三相各个方向观测点的声压级处理结果见表2。每个测点需要连续测量3次数据,共16个测点,可获得48个A计权声压级数据。为能更加直观体现各测点之间的A计权声压级数据波动情况,选择每点3次测量后求得的平均值绘制成折线图,具体见图6。由表2得知,1#高压电抗器三相的噪声值在75.6～81.6 dB之间。将1#高压电抗器三相各侧面声压级测试处理结果作对比发现,C相的声压级值普遍低于A相;而B相的声压级相对于A、C两相的声压级普遍较高,其中B相北侧的声压级最大,为81.6 dB;高压电抗器三相中北侧面测点的声压级较大。

可以看出,高压电抗器比主变压器三相的噪声值要高。由于A相的西侧有中性点接地电抗器噪声叠加的影响,故所得噪声值比C相稍大;并且B相处于中间位置,会受到声场的叠加效应的影响,使得B相的声压级最大。高压带电架构离电抗器组的北面最近,对电抗器的北侧面噪声值影响较大。高压带电架构由于电晕现象会产生噪声,而防火墙会对声场起到反射的作用,因此A相北侧和东侧的噪声水平较大;A相南侧正对围墙,故该侧所测得的噪声值最低。由上述分析可见,在对变电站内的噪声进行预测分析和控制时,带电架构的噪声需要计算在内。

表2 1#高压电抗器三相声压级测量处理结果Table 2 Test processing results of three-phase sound pressure level of the No.1 high voltage reactor 单位：dB

图7为1#高压电抗器三相的噪声声纹频谱图,B、C两相噪声声纹频谱图与A相基本相似。由图7可得,频谱图基本符合对称分布,B相的频谱分布与其他两相有所差异,是由于B相受到A、C两相间声场叠加的影响,这与电抗器自身的设计有关。在100～500 Hz这个频带范围内,高抗的噪声值相较于100 Hz以下频率范围内的噪声值要高,且均在50 dB以上,其中,100 Hz处的噪声值最为突出;在500 Hz～2.5 kHz频带范围内,电抗器的噪声值起伏变化不是很大,并且在2～2.5 kHz的噪声值一直维持在较高的水平;频率高于2.5 kHz时,高抗的噪声值与频率呈明显反比关系,即频率越大噪声值越小,且衰减趋势较为明显,但是不会降至20 dB以下。高压电抗器和主变压器的噪声产生机理基本一致,不同之处在于被测量的高压电抗器采用油浸自冷的方式进行散热,因此,相较于主变压器的噪声声纹频谱,电抗器的100 Hz基频和相应的谐频噪声值更为明显,而100 Hz以下频率范围内的噪声值含量相对较少,也可以印证出高压电抗器的噪声频谱还是和冷却装置有很大关系。将高压电抗器的噪声值与主变压器的噪声值进行对比分析可知,高压电抗器的噪声值要高于主变压器的噪声值,需要重点对其进行控制和治理。

图6 1#高压电抗器三相各测点A计权声压级折线图Fig.6 Three-phase measuring point A weighted sound pressure level line diagram of the No.1 high voltage reactor

图7 1#高压电抗器A相噪声声纹频谱图Fig.7 Noise voice print spectrum of A phase of the No.1 high voltage reactor

3.3 环境噪声

因为变电站主要设备噪声可能会受到环境噪声的叠加影响,故需要对环境噪声进行测量及分析。由于该变电站所处位置周围比较空旷,在距离变电站围墙1 m处设置测量点,测点距地面高度为1.3 m,每个测点均测量3次取平均值,测量结果由于篇幅原因未列出。经过测量得到变电站环境噪声的最大值为46.3 dB,由此可知,该变电站内环境噪声较小,对变电站内主要设备发出的噪声基本没有干扰,不是主要的噪声源。当2个不同的声压级进行比较时,总声压级近似的等于其中较大的声压级,而较小的声压级可以忽略不计。将变电站环境噪声的最大值与所测量所有设备的噪声值进行比较,相差值大部分在15 dB以上,按照声级合成理论,可以将环境噪声忽略不计。故测量所得的各个设备不同相不同测量点噪声值,环境噪声对其所带来的影响基本可以忽略。

4 结 论

本文对西北电网某750 kV变电站的主要电气设备的噪声进行测量,分析其噪声特性,确定了主变压器和高压电抗器为该变电站内的主要噪声源及噪声主要分布频段,环境噪声对变电站噪声的影响基本可以忽略,结论如下：

(1) 主变压器受到冷却风扇和防火墙的影响,每相南、北侧噪声相较于东、西侧的噪声水平普遍较高,其中B相会受到A、C相声场叠加的影响,声压级整体偏高。通过频谱分析得出主变压器各相的噪声值均在20～630 Hz范围内随频率的增加,整体呈上升趋势,在630 Hz～16 kHz范围内噪声值整体呈下降趋势。由于冷却风扇对噪声频谱分布影响较大,故在变压器选型时尽可能选取低噪声的冷却系统。

(2) 高压电抗器的噪声值普遍比主变压器的噪声值高,其中B相的声压级相对于A、C两相的声压级整体偏高。频率在100～500 Hz范围内高压电抗器的噪声水平较高且整体随频率升高呈上升趋势,其中100 Hz和200 Hz处的噪声值明显偏高;在500 Hz～2.5 kHz范围内,电抗器的噪声值变化不大;频率高于2.5 kHz时,高压电抗器的噪声值随频率的上升呈现下降趋势。

(3) 变电站内各个噪声源之间会相互干扰,因此在控制和治理变电站噪声时需要考虑多方面因素,如带电架构位于主变压器和高压电抗器之间,因此在对变电站内的噪声进行预测分析和控制时,其产生的噪声是需要考虑在内的。