考虑精细化主变声源模型的变电站噪声预测研究*

黄 英，康 鹏，吴 健，韩 文

（1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710075）

随着我国经济快速高质量发展，电能供需矛盾日益尖锐。为实现全国范围内资源优化配置和能源高效利用，我国超高压、特高压输变电工程正加快建设脚步。为积极响应国家“绿色环保和环境友好”的号召、强化电能资源环境利用约束[1]，变电站噪声污染控制[2-3]已成为输变电工程建设中的重要一环，在工程设计阶段实现更有效、更精准的变电站噪声建模与噪声水平预测显得尤为重要。

目前，国内外对变电站噪声预测方法已有一定的研究。文献[4]利用SoundPLAN 软件对750kV 变电站不同位置进行噪声分析；文献[5]采用SoundPLAN 软件对特高压交流实验基地进行建模，预测和评估了基地金具优化前后噪声分布情况；文献[6]在理论分析基础上，研究了变电站主要声源设备频率特性和噪声传播规律，采用噪声预测软件结合实测数据，对比分析变电站站界和敏感点噪声水平；文献[7]以500kV 主变为例，对其声功率级推导方法，以及500kV 变压器声源模型设置方法进行了研究，并通过实测值进行验证。尽管有少部分文章对主变声源模型设置方法进行了探究，但多数研究均未对不同工程建设阶段下的声源模型精细化程度进行探究。实际工作中，变电站噪声预测贯穿于项目可行性研究、初步设计及施工图设计整个工程建设始终，不同的工程设计阶段，获取的声源参数途径不同，所建模型精细化程度应有所差异。

基于以上分析，本文在分析影响变电站噪声精准预测主要因素的基础上，充分考虑主变压器的声源特性，分别建立了主变的单一面声源、四面体声源和五面体声源模型，并利用实测数据对比分析主变不同声源模型类型下的噪声变化规律。最后，基于SoudPLAN 软件，以已建成的某750kV变电站为例，建立了考虑精细化主变压器声源模型的交流变电站噪声预测模型，验证模型的实用性和有效性。

1 变电站噪声精准预测总体构思

在变电站设计阶段充方考虑站内声源设备及其建模方式，建立精准噪声预测模型，继而采取合理的降噪措施，对变电站噪声环境水平满足环境要求和实现工程利益最大化具有重要意义。如果变电站噪声预测过于保守，导致投资过大，而造成不必要的资源浪费；若噪声预测远小于实际值，则直接导致工程建设返工延长工期，更有甚者变电站可能直接被禁止投运，严重影响生产调度计划。因此，在变电站设计阶段，尤其是在施工图设计阶段，建立精准噪声预测模型尤为重要。

1.1 影响变电站噪声精准预测的主要因素分析

1.1.1 建模平台

在输变电工程领域，国内目前应用较为广泛的噪声预测软件有SoundPLAN、Cadna/A，两种预测软件在噪声传播原理及其传播过程中影响因子的描述、声源条件的界定及噪声计算模式与国际标准化组织和我国相关规范规定高度一致[6，8]。本文噪声仿真模拟基于SoundPLAN 软件进行。

1.1.2 声源建模方法选型和参数选取影响分析

变电站噪声精准预测的主要因素可归结为两个方面：一是合理确定变电站内声源设备和声屏障模型，对于交流变电站，站内声源设备主要为主变压器、电抗器及其他散热通风设备，必要情况下高压导体产生的噪声影响也不可忽视，站内声屏障主要包括站址围墙、建筑物、防火墙等；二是合理确定声源设备的建模类型，参数选取不同、建模方式不同，预测结果可能会有很大差异。因此，合理确定声源设备的建模方式、合理选取声源设备及其参数是提高变电站噪声精准预测的关键。

1.2 变电站噪声预测框架

基于上述分析，本文拟根据现场实测值和模型预测值对比，分析不同精细化程度的声源类型对主变噪声分布和变电站厂界噪声水平的差异，具体预测框架图如图1 所示。

2 声源建模及其噪声规律研究

2.1 声波传播原理

声源振动带动周围介质振动，能量以这种机械波的形式在介质中传播，形成声波。声音在空气介质中传播的波动方程为：

图1 考虑精细化主变声源模型的变电站噪声预测框图

式中，p 为声压，v0为空气中声传播速度，t 为时间。求解式（1）可得到声压随空间和时间变化的函数。在实际工程中，声场边界条件极其复杂，波动方程的准确通解获取困难，工程近似算法是采用等效源法来近似拟合实际声场。

2.2 主变、高抗声源特性分析

变电站噪声主要来源是主变压器和高压并联电抗器。变压器和电抗器噪声包括本体噪声和冷却器噪声。本体噪声主要由铁芯硅钢片磁致伸缩和绕组电磁力引起的振动产生，其噪声主要是100Hz 基频及其倍频的低频噪声，噪声频谱范围在100～500Hz 之间；冷却器主要由油泵和冷却扇所产生，以高中频噪声为主。研究成果表明，110～500kV 交流变压器可听噪声主要集中分布于60～80dB，电压等级增大，高噪声占比相应增加。影响交流变压器和电抗器平均噪声水平的主要因素有：（1）不同电压等级平均噪声水平不同，但差异并不明显；（2）不同厂商制造工艺及技术水平不同，变压器平均噪声也有一定的差异。此外，随着运行中负荷的变化，设备投入使用年限不同，均会导致变压器和电抗器平均噪声水平发生变化。

2.3 主变声源模型建立

变压器声源建模需要的主要参数包括声源类型、声源几何尺寸、声功率级、倍频程频谱或1/3 倍频程频谱。在变电站工程设计中，可行性研究和初步设计阶段声源设备尚未招标，仅能确定变电器型式及主要技术参数，无法给出变压器的具体外形尺寸值，此时主变声源几何尺寸数据可依据变电器型式及主要技术参数调研国内外厂家所提供的变压器外形尺寸值，统计后取其平均值作为主变声源几何尺寸参考值，也可按照文献[9]中相应数据作为模型输入条件；在变电站施工图设计阶段声源设备已招标，声源参数可取自设备厂家的同型号设备。

本文为研究不同声源类型对噪声预测结果准确性的影响，声源参数源于已建成的某750kV 变电站现场实测数据，根据主变实测数据计算出声功率级，将得到的声功率级作为软件模型输入条件进行噪声仿真预测，通过比较预测结果和实测结果研究不同声源模型类型下的噪声变化规律。由于电抗器和变压器声源特性类似，在变电站中的布置方式也大同小异，因此，本小节仅给出基于主变压器的研究成果，电抗器以此类推不再赘述。

2.3.1 声源类型

SoundPLAN 软件声源类型包括点声源、线声源、面声源，可以通过组合面声源建立体声源模型。为研究声源类型对噪声预测准确性的影响程度，本文将主变声源分别设置为如图2 所示三种声源类型。

图2 三种声源类型

（1）单一面声源：设置一个与地面平行的水平面声源，水平面声源的高度取声源总高的1/2。

（2）四面体声源：设置四个与地面垂直的垂直面声源，即长方体声源的四个侧面。

（3）五面体声源：设置四个与地面垂直的垂直面声源和一个与地面平行的水平面声源，水平面声源的高度取声源总高，即长方体声源的四个侧面和一个上顶面。

2.3.2 声源几何尺寸

声源模型的几何尺寸对噪声预测准确性起重要作用。根据现场实测，某750kV 变电站主变压器为分体式变压器，单相尺寸为长、宽、高分别为10m、8.5m、6m。由于实验条件所限，仅对某750kV 变电站进行了现场实测，为使研究结果更具有通用性，对500kV、330kV、220kV 主变压器，本文也进行面声源和体声源模型预测结果对比分析。根据调研国内外厂家变压器外形尺寸，取其统计平均值作为主变声源几何尺寸参考值，详见表1。

表1 220～500kV 主变压器几何尺寸值

2.3.3 声源声功率级测定

本文750kV 变电站主变压器和高压电抗器的声源声功率级采用文献[10]推荐的方法获取：

根据现场设备实际外形，将一条围绕主变外轮廓线从箱盖顶部垂直移动到箱底所形成的平面定义为主变噪声基准发射面，将噪声基准发射面所在平面内距离基准发射面边缘线外x 米的点所连成的线定义为规定轮廓线，详见图3。本次实验，取两条规定轮廓线，高度分别位于主变油箱高度1/3 处、2/3 处的水平面上。在设备正常运行时开展测量，测试时，分别将声级计均布于规定轮廓线和噪声衰减测点方向上，主变压器测点设置示意图详见图3。

此外，还需对主变主要尺寸进行现场测量，包括：变压器油箱高度、含风机在内的冷却设备高度、规定轮廓线周长。根据噪声测量值，按照式（2）、（3）及（4）计算主变声功率级、A 计权声功率级或各频带声功率级。具体步骤见图4 所示。

式（2）中：LWA为声源设备的A 计权声功率级，单位dB（A）；S0为基准参考面积，单位m2，取值为1；S 为测量表面积，单位m2，由式（2）获得；为A 计权表面声压级，单位dB（A），由式（3）获得。

式（3）中：h 为变压器油箱高度或包括风机在内的冷却设备高度，单位m；x 为设备噪声基准发射面与规定轮廓线之间的距离，单位m，本次实验取值为2；lm为规定轮廓线的周长。

式（4）中：N 为测点总数；LpAi为测点i 所测得的A 计权声压级，dB（A）；K 为环境修正因子，dB。

2.4 预测及结果分析

图3 变压器测点设置示意图

在噪声仿真预测中，基于SoundPLAN 软件对各电压等级主变压器声源类型均设置三种模型，模型1、2、3 分别为单一面声源、四面体声源、五面体声源。同时，模型中考虑主变防火墙对噪声预测的影响。

对于500kV、330kV、220kV 主变的声源模型，声源几何尺寸按照表1 中推荐尺寸选取，声功率级根据DL/T 1518[9]中表B.1 和表B.2 数据。对于750kV 主变的声源模型，根据2.3.3 小节所述方法进行现场测量，声源几何尺寸按照该变电站中实际主变压器设备尺寸选取，声功率级根据式（2）、（3）及式（4）计算所得作为模型输入值。SoundPLAN 预测模型中测点设置与现场实测设置原则一致，即距离主变基准发射面每隔4m 置一个测点，测点高度为1.5m。基于上述仿真条件，采用SoundPLAN 软件进行噪声预测，预测结果见图5（a）、5（b）、5（c）、5（d）。

分析图5 可知，主变噪声实测结果和预测结果都基本符合几何发散衰减规律。面声源与体声源预测结果有一定的差异，体声源更加接近实测值，且五面体声源比四面体声源更加接近真值，这是因为变压器在实际运行中，每个面都是噪声发射面，将总声功率分配到每个面上可以更加准确地模拟声源的噪声特性。分析图5（b）、5（c）、5（d），可以看出面声源与体声源预测结果差异显著。

图5 各电压等级下不同声源模型噪声预测对比图

3 实例分析

为验证上述不同声源模型的噪声预测差异及其准确性程度，本文以已建成的某750kV 变电站为例进行实测分析。该750kV 变电站位置偏僻，测试条件良好，实测过程无明显外部声源干扰。该站户外布置1 组三相分体变压器，型号为ODFPS-70000/750GY，强迫油循环强迫风冷；户外布置2 组三相分体电抗器，型号为BKD2-100000/800-110，油浸自冷式。根据图4 所述方法分别得到主变和高抗的声功率级，详见表2，站内主要建（构）筑物高度见表3。此外，还进行了厂界噪声水平测试。

图4 声源声功率级测定流程图

表2 变电站主要噪声源设置

3.1 噪声预测模型设置

为对比变电站预测值与已得到的实测值之间的差异，本小节基于SoundPLAN 软件建立变电站噪声水平预测模型，根据主变和高抗声源类型不同设计3 种不同案例：案例1 主变和高抗声源类型为单一面声源，案例2 为四面体声源，案例3 为五面体声源。除此之外，预测模型其他输入条件均保持一致，声源参数信息见表2，主要建筑物建模见表3，厂界测点设置位置和高度同实测点。

表3 变电站主要建筑物高度

3.2 噪声预测及结果分析

分别对3 种案例下变电站噪声模型进行仿真模拟预测，得到变电站厂界噪声水平预测结果。分析结果发现，3种案例下全站噪声辐射趋势大体相同，因此本文仅给出案例3 下该变电站噪声辐射模拟，详见图6；不同案例下厂界噪声预测值与实测值对比详见图7。

图6 案例3 下变电站噪声辐射模拟图

分析图6、图7 可知，不同案例下不同测点的噪声预测值与实测值变化趋势基本保持一致，噪声测量结果基本接近，说明基于3 种声源设备建模类型的噪声模型都能够完整地反应出变电站真实的噪声分布情况；相比单一面声源模型，体声源模型预测总体误差控制在±5dB（A）范围内；同时，五面体声源模型较四面体声源模型结果更为精确，差异在2dB（A）左右。

图7 不同案例下厂界噪声预测值与实测值对比

4 结论

本文分别建立了主变的单一面声源、四面体声源和五面体声源模型，通过对基于SoudPLAN 软件建模噪声预测值和现场实测数据对比分析，得出如下结论：

（1）基于SoudPLAN 软件建模可以完整地仿真模拟变电站运行时站区噪声分布情况。

（2）相比面声源，体声源模型预测结果更接近实测值，其中五面体声源模型较四面体声源模型更为精确，差异在2dB（A）左右。

（3）工程可行性研究、初步设计阶段主变和高抗模型建议采用单一面声源，并在预测结果中适当增加裕度；施工图设计阶段建议结合中标厂家的实际设备外形，采用五面体声源模型进行复核。

研究结论可为后续不同设计阶段变电站噪声预测提供技术支持和参考。