基于Cadna/A的500 kV变电站噪声预测模型优化

孙和泰 华 伟 邱勇军 李浩然 李慧奇 杨 光

1(江苏方天电力技术有限公司 江苏 南京 211100) 2(华北电力大学电力工程系 河北 保定 071000)

0 引 言

随着中国经济高速发展、城市化进程不断加快，为了改善供电质量、提高城市供电的可靠性，城市附近需修建更多的变电站。因此，变电站建设呈现出选址越来越接近居民区、远景规模越来越大等特征[1]。不可避免地，站内大型电力设备的运行会给居民区带来严重噪声污染。近年来，随着人们环境保护意识增强、国家环境治理力度加大，变电站的环境噪声影响日益受到重视[2-4]。现有变电站的高噪声面临着严重的环保投诉问题，新建变电站须通过环保部门的环境评价后才能批准建设和投入使用，因此针对变电站环境噪声的分析与预测研究具有非常重要的现实意义。

为准确分析与预测变电站环境噪声，针对噪声源建模是关键，500 kV变电站的主要噪声来源是主变压器[4-6]，所以研究变压器的辐射声场对于变电站噪声的分析与控制尤为重要。对于变压器的噪声计算模型，国内外都有一定的研究[7-8]。目前，国家有关部门已出台的相关变电站噪声评价技术规范中对主变压器的建模均采用单个平行于地面的面声源，并给出了推荐的尺寸及频谱[9]。然而，实际上主变压器具有多个面的立体声源，且噪声各个方向分布并不均匀，考虑到工程上常采用上述概化的噪声模型，预测结果往往与实际情况有一定差距。本文结合国内某典型500 kV变电站的工程特点和环境特点，基于Cadna/A噪声预测软件构建了更切合实际的考虑方向性的主变噪声模型，并结合变电站其他源的噪声模型，可较准确地预测500 kV变电站的噪声分布。

1 噪声预测基本理论

目前在对变电站等工业企业进行环境噪声预测时，最常用的是根据噪声产生与传播的物理原理所提出的理论计算加实测验证的方法。

为了便于构建模型，以及便于Cadna/A计算，点声源声强采用声功率级来表示，其辐射声场中各点的声压级的计算公式[10]如下：

Lp=Lw-20lgr-11

(1)

式中：Lp为场点的声压级，单位为dB；Lw为点声源的声功率级，单位为dB；r为声源与场点的距离，单位为m。

对于变压器的各侧面，可将每个侧面认为是一个平面声源。当平面声源界面声压处处相等时，面声源的声场计算公式[10-11]如下：

(2)

式中：a、b分别为面声源的长度和宽度，单位为m；d为场点与面声源的距离，单位为m；Lp为场点的声压级，单位为dB；Lpav为面声源的平均声压级，单位为dB。

声源在自由空间中辐射声波时，其强度分布的一个主要特性是指向性。常用指向性因数Rθ来表征声源的指向性：

Rθ=Iθ/Im

(3)

式中：Rθ为某一方向θ上的指向性因子；Im为在离声源中心相同距离处测量球面上各点的声强而求得的所有方向上的平均声强；Iθ为某一方向θ上的声强。一般在空气中，可以认为声强级LI约等于声压级Lp[10]，所以可用更容易测量的声压级来考虑指向性。

考虑到声源辐射的指向性，需要对声压级的计算公式进行适当修正。对于自由场空间的点声源，其在某一θ方向上距离r处的声压级为：

Lp,θ=Lw-20lgr+DI-11

(4)

式中：DI为指向性指数，DI=10lgRθ。

据此，声场中某一预测点的总声压级LpT为:

(5)

式中：Lp,i为第i声源在预测点产生的声压级，单位为dB；n为声源个数。

2 变电站噪声预测模型

2.1 主变压器模型

主变压器电磁噪声来源于电磁场引起的内部部件的磁致伸缩，其振动能量主要由变压器外壳向外传播，故可将变压器噪声看作来源于变压器外壳的振动[11]。忽略变压器顶部的辐射噪声，变压器噪声可认为来自四个侧壁的振动。变压器声功率级Lw可按文献[12]的国家标准推荐的方法进行测定，则各侧壁的声功率级大小可根据其所在侧面的面积大小按式(6)计算得出。

(6)

式中：S侧为所在侧面的面积；S总为四个侧壁的总面积。

对于每个侧壁，其声场朝向外法线方向0°～180°范围传播，且具有指向性，0°～90°的指向性因子矩阵如式(7)所示，90°～180°与其对称分布，该矩阵可根据实测值算出。

R=[R0°R15°R30°R45°R60°R75°R90°]

(7)

进一步地，由文献[13-14]可知，分布在声辐射体靠近其闭合表面的多个等效源的声场加权叠加可近似等效实际声场。据此，通过点声源与面声源的等效替代，可将变压器等效为多点声源模型。该模型中，较长的箱壁面由3×3个等间距布置的等效点声源等效，较短的箱壁面由2×2个等间距布置的等效点声源等效，且在由这些等效点声源组成的4个虚拟等源面内嵌一建筑物，每个虚拟等源面与建筑物表面之间距离很小(相当于贴合在表面上)，该模型的尺寸及高度均为主变的实际几何参数，如图1所示。测量变压器附近少量场点的噪声值，由式(8)可得各等效点声源的声功率级，且为其赋予式(7)的指向性。

j=1,2,…,M,M≥N

(8)

式中：Lpm(j)为在变压器附近场点j测得的声压级，单位为dB；Lwe(i)为第i个等效源的声功率级，单位为dB；rj(i)为第i个等效源与场点j之间的距离。

图1 多点等效源主变压器模型示意图

2.2 其他模型

对于500 kV变电站，其他噪声源主要包括高压电抗器和低压电抗器。对于高压电抗器可采用具有实际长度和宽度的平面声源构建，低压电抗器可采用点声源构建，高度均为实际几何中心高度，声源参数均为实测值。主控楼等站内主要建筑物及围墙均按实际尺寸建立。

3 模型的验证与预测分析

本文采用Cadna/A噪声预测软件进行模型的验证与预测分析。Cadna/A广泛适用于多种噪声源的预测、评价、工程设计和研究，其理论基础与文献[15]的要求相一致，且功能全面，操作简单，预测结果直观可靠。在Cadna/A中分别构建主变的现行标准模型[9]、现有研究中常用的体声源模型，以及多点等效源模型进行对比。体声源模型如图2所示，对于变压器的各个侧面，认为该面上各处的声压是相同的。与多点等效源模型类似，这里也内嵌一个建筑物，尺寸及高度也取实际几何参数。本文选取江苏某500 kV变电站行建模及预测分析。变电站的简化平面图及厂界测点分布如图3所示，其在Cadna/A中的三维模型如图4所示。

图2 体声源主变压器模型示意图

图3 江苏某500 kV变电站平面及测点示意图

图4 江苏某500 kV变电站三维模型示意图

模型建立后，设置计算区域范围，选取2台主变西侧中心轴线上不同距离处的噪声衰减预测点及厂界四周围墙外1 m处噪声预测点进行预测。全站声场计算高度及各预测点高度均为1.5 m，三种主变模型的仿真结果分别如图5-图7所示。预测点的实测值与各种模型下的仿真值对比如图8、图9、图10和表1所示。

图5 现行标准主变模型的仿真结果图

图6 体声源主变模型的仿真结果图

图7 多点等效源主变模型的仿真结果图

图8 #1主变西侧衰减实测值与各模型预测值对比图

图9 #2主变西侧衰减实测值与各模型预测值对比图

图10 厂界四周实测值与各模型预测值偏差对比图

表1 厂界四周实测值与各模型预测值对比

续表1

由图9、图10可知，在主变一侧衰减方向，体声源主变模型与实测值的误差最大，而多点等效源主变模型与实测值较为接近，误差基本在2 dB(A)以内。由表1及图10可知，采用多点等效源主变模型，厂界四周除个别预测点仿真值与实测值相差2.5 dB(A)左右以外，绝大多数仿真值与实测值相差均在2 dB(A)以内；采用现行标准主变模型，厂界四周部分仿真值与实测值相差超过2 dB(A)，甚至超过3 dB(A)；采用体声源主变模型，厂界四周多数仿真值与实测值相差超过了2.5 dB(A)。可见仿真结果与实测值相比偏保守，原因分析如下：(1) 受背景噪声、气候、监测设备及方法等因素影响现场实测值存在一定误差；(2) 软件声源值输入为声功率级，而现场实测均为声压级，换算存在一定的计算误差；(3) 为加快仿真速度，软件“计算设定”中“反射次数”设定值不是很大。综合来看，采用多点等效源主变模型的变电站噪声仿真结果与实测值更接近。因此，使用本文提出的声源具有指向性的多点等效源主变模型可较为准确地预测500 kV变电站噪声。此外，利用多点等效源主变模型的变电站噪声预测模型进行噪声预测时，应结合实际变压器的大小选择对应合适的等效点声源的个数。

4 结 语

本文通过对500 kV变电站环境噪声的调查分析和主变压器噪声指向性的研究，提出了声源具有指向性的多点等效源主变模型，并在Cadna/A中分别建立了以声源没有指向性的现行标准平面源主变模型、声源具有指向性的体声源模型和声源具有指向性的多点等效源主变模型为主的500 kV变电站噪声预测模型并进行仿真。通过与现场实测数据对比分析，证明了其在较小的误差范围内采用声源具有指向性的多点等效源主变模型可较为准确地预测500 kV变电站的环境噪声。这对今后开展变电站环境噪声仿真分析、预测及环境噪声影响评价具有重要的意义。