基于SoundPLAN的变电站噪声预测

崔相宇，谢连科，李乐丰，耿萍，侯肖邦

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东电力研究院，山东 济南 250003；3.国家知识产权局，北京 100088）

0 引言

随着城镇化的不断推进和大电网建设的快速发展，变电站与民众生活区越来越近，甚至成为民众“近邻”［1］。与此同时，随着民众环保意识增强，变电站噪声污染问题成为公众关注的焦点。500 kV 变电站噪声源主要是以低频噪声为主的主变压器和电抗器噪声，及以高频噪声为主的散热风机噪声等［2-4］。因此，在工程建设前期规划、运行期噪声治理等环节，噪声预测是电网环保不可或缺的一部分。

近年来，众多学者利用SoundPLAN 软件对变电站进行噪声预测。张新宁应用SoundPLAN 软件对特高压交流变电站主变压器、电抗器等声源设备进行噪声预测，并对变电站建模提出优化建议［5］。刘辉基于SoundPLAN 对110 kV 户外变电站噪声治理方案进行仿真模拟，并优化治理方案［6］。刘君利用SoundPLAN 建立220 kV 变电站噪声预测模型，并基于模型预测结果提出噪声防控方案［7］。在该领域研究中，500 kV 变电站声源特性及噪声防控的研究案例较多，但基于SoundPLAN 对500 kV 变电站预测案例较少，缺少声源频谱及其他参数的参考。

变电站噪声预测一般采用常见的SoundPLAN和Cadna/A 两种声学预测软件。SoundPLAN 采用扇面计算方法，可将声源周围的声线全部覆盖，具有精度高、计算准确的优点［8-9］。参照GB/T1094.10—2003《电力变压器 第10 部分：声级测定》的方法对山东某500 kV 变电站主变压器进行检测，基于SoundPLAN 反向计算主变压器声功率，利用反推声源和DL/T1518—2016《变电站噪声控制技术导则》的推荐声源对变电站噪声建模预测。

1 500 kV变电站噪声声源分析

变电站共规划4 台主变压器，目前有3 台主变压器（2 号、3 号、4 号主变压器）投入运行，风机安装于主变压器北侧，主变压器型号如表1 所示。该变电站主变压器和配电装置户外布置，4 台主变压器位于站中央一字布置，3 号、4 号主变压器偏东侧，并与1 号（规划）、2 号主变压器相隔于继电器室。220 kV 配电装置布置于站址北侧，500 kV 配电装置布置于站址南侧，电容器位于220 kV 配电装置与主变压器之间，该变电站平面布置如图1所示。

图1 变电站平面布置

表1 主变压器信息表

3号、4号主变压器距离较近，近声场相互影响相对较大。因此，选择远离3 号、4 号主变压器的2 号主变压器作为声源研究对象。分别在2 号主变压器北侧5 m 处、电容电抗器区、220 kV 配电装置区进行布点，3 处点位频谱对照如图2所示；2号主变压器南侧5 m处点位、500 kV配电区、南侧厂界点位频谱对照如图3所示。

图2 2号主变压器北侧点位频谱

图3 2号主变压器南侧各点位频谱

由图2 和图3 可知，2 号主变压器北侧的电容电抗器区和220 kV 配电装置区点位与2 号主变压器北侧点位具有相似的噪声频谱特征，其中最大声压级主要分布在100 Hz 和315 Hz 处，在315 Hz 后声压级逐渐降低。500 kV 配电区和南侧厂界点位噪声频谱特性与2 号主变压器南侧相似，因此，主变压器噪声是变电站噪声的主导声源。以主变压器作为主要研究对象，低压电抗器（偶发声源）、配电装置和电容等声源不再考虑。

主变压器噪声布点及现状检测情况如图4 和图5所示。由图4噪声检测结果可知，2 号、3 号、4 号主变压器风机侧（北侧）噪声值最大，南侧噪声值最小，东侧和西侧噪声值相差不超过2 dB（A）。主变压器风机侧噪声值大，且相对其他三侧中高频段噪声凸出。因此，本文在建模过程中，将主变压器视为体声源，并根据主变压器声源特性，将侧面的4 个测量面分别计算声功率。

图4 主变压器噪声现状检点位

图5 主变压器噪声检测结果

2 噪声预测模型建立

采用SoundPLAN 噪声预测软件对变电站进行建模、预测和实测值对比验证。SoundPLAN 可以对声源、障碍物进行自由组合，并集成地面吸声计算、建筑物透声计算、声传播计算以及声场合成计算等综合模拟运算程序［10-11］，可覆盖近声场的所有声线，广泛用于发电厂、变电站、化工厂等工业场所的噪声预测。

2.1 主变压器声源

根据GB/T 1094.10—2003《电力变压器 第10 部分：声级测定》中主变压器噪声检测方法，在2 号主变压器各侧布设测试位置。采用四方位投影的方式计算声源测量面面积，并根据式（1）和式（2）计算主变压器每个测量面的声功率级，最后，根据测量面面积得到该侧的单位面积声功率级。

式中：LWA为A 计权声功率级为平均A 计权声压级；S为测量面面积，S0=1 m2。

将每侧频谱和对应的声功率级输入SoundPLAN中进行计算和校正。主变压器声源计算结果如表2所示。

表2 主变压器声源计算结果

根据DL/T 1518—2016《变电站噪声控制技术导则》推荐的强迫油循环风冷式变压器声压级、声功率级和频谱，建立基于导则给定值的主变压器声源模型。推荐值如表3 所示。形成包括实测值反推的主变压器声源模型和导则给定值的主变压器声源模型在内的2 种声源，分别建立预测模型。

表3 DL/T 1518—2016推荐值

2.2 站内建筑物及设备

噪声传播距离和衰减情况受声源本身的声功率密度和声场屏障的影响［12］，在声源一定的条件下，建立完整的声屏障对噪声预测值准确度有重要影响。变电站声场中，通常只考虑主控楼、继电器室、消防棚、水泵房等建筑对主变压器噪声的衰减作用。电容器、配电装置以及电抗器等实体设备分区设置，单体设备体积小，其对噪声的遮蔽作用通常被忽略。

受主变压器噪声影响，该变电站电容器、配电装置以及电抗器等设备本体噪声可忽略。这些设备一般分布于主变压器周围，设备密度较大（部分设备如图6 所示），且距离主变压器较近，作为对站内声场影响相对较低的实体，其对主变压器噪声具有很强的衰减作用。以该站220 kV 配电装置为例，在1.5～2 m高度范围的平面内，其有效遮蔽体积达到860 m3，约为继电器室体积的65%。

图6 变电站配电设备现场

利用SoundPLAN 对站内所有建筑物按照1∶1 比例进行建模，同时，对密集型设备按照正投影及地面投影的有效面积计算其有效遮蔽体积，并等效为建筑物对其进行建模。

2.3 其他参数

按照现场检测时的气象条件，将湿度、温度及风速等参数输入系统。根据实验室混凝土墙面对500 Hz频段的噪声吸声系数测量，变电站外墙吸声系数取值0.03；主变压器之间防火墙吸声系数取值0.02。主变压器与防火墙距离约为4.5 m，根据经验声线反射次数取值3 次。变电站多为水泥的硬质地面，模型地面因素取值0.6。

3 噪声预测结果及分析

模型中在电容电抗器区、220 kV 配电装置区和500 kV 配电装置区布设3 个接收点，厂界四周布设7个接收点，并与现场检测点位对应。两种声源预测结果如图7和图8所示，接收点反推声源预测值和推荐声源预测值如图9 所示，预测值与实测值对比结果如表4所示。

图7 反推声源预测结果

图8 推荐声源预测结果

图9 预测结果比对

表4 预测值与实测值比对 单位：dB（A）

由图8 可知，反推主变压器声源的预测结果与实测结果较接近，误差基本在2 dB（A）以内。导则给定声源的厂界预测结果与实测值的误差较大，误差都在2 dB（A）以上，部分点位预测值与实测值偏差可达5.5 dB（A）；但变电站内的接收点预测结果与实测值误差相对较小。根据数据分析及推测，出现以上结果的原因是推荐声源的声功率级较小，且未给定1/3倍频程其他频段数值，由此建立的声源在近声场预测结果误差较小，在经过障碍物衰减后的远声场预测值误差较大。

由表4 可知，导则给定声源的预测结果普遍偏小。反推主变压器声源的厂界噪声预测结果均大于实测结果，噪声预测值相对较保守，原因为：1）利用2号主变压器测点反推主变压器声功率时，测点噪声值受到3号和4号主变压器一定程度的影响，导致反推声源声功率偏高，预测值随之偏大；2）站内配电设备和电容器组等站内设备，所在布置区设备密度大或单体体积大，成为类似于建筑物的声屏障，虽考虑到设备遮蔽影响，但对其体积等效时取值保守，导致噪声衰减相对减少，预测值偏高。

4 结语

利用测点噪声值反向计算声源的声功率级，并考虑密集设备对噪声的屏蔽作用，基于SoundPLAN噪声预测软件对变电站噪声建模预测。通过反推声源预测值、推荐声源预测值与实测数据对比，发现在有声屏障的复杂声场中，反推声源预测值与实测值接近，可较为准确的预测变电站噪声。反推声源建模方法对今后变电站环境影响评价、噪声治理等噪声预测工作具有重要意义。