户外变电站噪声预测及优化控制设计

徐禄文

（重庆市电力公司 电力科学研究院，重庆 401123）

尽管变电站对城市的发展和人们生活水平的提高起到了极大的促进作用，但是变电站噪声可能对环境造成的影响问题不能忽视，特别是随着城市变电站的逐渐增多，变电站噪声问题也越发突出，噪声投诉和纠纷时有发生[1―3]。电力企业非常重视变电站噪声的环境问题，国家电网公司已提出了“十二五”期间噪声超标扰民治理目标。然而，目前不论是在新建变电站的规划设计还是在运行变电站的噪声治理方案设计中都缺乏一套科学、系统和行之有效的方法，进行噪声控制设计时带有一定的随机性和盲目性[4]。因此本文通过对户外变电站噪声控制优化方法仿真分析研究，为变电站噪声工程控制设计提供技术参考和借鉴，促进变电站更加绿色环保，促进社会更加和谐稳定。

1 基础理论

噪声控制技术包括声源控制、传播途径控制以及被保护者的控制[5]，这三方面控制技术都是建立在噪声传播理论基础之上的。通过隔声、吸声等多种技术手段使噪声衰减，降低对环境的影响[6]。引起噪声传播过程中声衰减的主要物理效应包括：几何发散、大气吸收、地面效应以及障碍物引起的屏蔽等[7]，如图1所示。变电站噪声主要来自于变压器、电抗器和风机等[8―11]。本文主要以变压器为例进行分析。根据有关标准中噪声户外传播声级衰减计算的基本方法[12―14]，预测点的倍频带声压级按公式（1）计算

图1 声衰减的主要物理效应示意图Fig.1 Main physical effect sketch map of acoustical attenuation

其中

Loct（r）——预测点等效连续倍频带声压级；

Loctref（s）——由声源产生的倍频带声功率级；

Aoctdiv——几何发散引起的衰减；

Aoctbar——屏障引起的衰减；

Aoctatm——大气吸收引起的衰减；

Aoctgr——地面效应引起的衰减；

Aoctexc——其它多方面效应引起的衰减。

公式（2）（3）（4）（5）中

r——声源与预测点的距离，单位为m；

hm——声源与预测点平均离地高度，单位为m；α——大气衰减系数，可从国标查得；

N i——菲涅耳数，N i=2×δi/波长；

δ i——声程差，单位为m，

对于如图2（a）所示的单屏障

对于如图2（b）所示的双屏障

其中a是SR连线在图2（b）投影方向上的投影长度（m）。

图2 声音绕过声屏障示意图Fig.2 Sound diffract barriers sketch map

2 软件开发与校验

通过对变电站声环境状况的调研和数学模型的建立，开发了“变电站环境噪声分析及优化控制仿真系统”软件，能广泛应用于变电站的规划设计与噪声治理。本软件具有如下特点：(1)以点、线、面及空间等形式对变电站及周边复杂环境进行全方位的噪声分析；(2)在场景建模和三维场景漫游等方面以图形、图像、声音等多媒体形式展示与输出；(3)采用全中文界面，建模快速、计算准确、操作简洁；(4)与国外软件相比在可视化和优化计算方面进行了较大的提升，包括更加直观的建模场景，专业性更强，更加全面的三维漫游设计，增加了国家现行标准等级划分功能，屏障高度优化计算功能、多方案比选功能、噪声衰减曲线、空间平面和等值面输出功能。

为了验证该软件计算结果的准确性，将其与目前国家环保局推荐的噪声预测软件CadnaA进行对照，如表1所示，可以看到，本软件与CadnaA计算的结果基本接近。同时，也将本软件的计算结果与现场实测进行了对照，如表2所示，可以看到实测数据与计算值基本吻合，证明了该软件计算结果的可信度高。

表1 本软件与CadnaA计算的结果对照Tab.1 Contrast between the software and CadnaA calculation

表2 计算值与实测值对比Tab.2 Contrast between calculation and actual measurement

3 户外变电站噪声控制优化

户外变电站噪声控制优化就是将变电站内的所有声源、建筑物、敏感点、声屏障及所处的声环境区域等相关参数进行综合计算，优化设计方案，实现新建站的合理布局，运行站的治理方案优化比选等。

3.1 新建变电站的噪声控制优化

变电站噪声控制应从规划设计时就加以考虑，避免出现“先污染后治理”或“边污染边治理”的问题。合理地设计声源与建筑物的相对位置可降低声源对变电站周围声环境的影响，减小变电站后期噪声治理的难度和资金投入。如图3所示为某110 kV变电站平面布局图，变电站周边共有四户居民，设为四个敏感点。根据标准规定可知该区域属2类声环境功能区域，标准限值为：昼间60 dB(A)、夜间50 dB(A)[15，16]。变电站内主要噪声源为两台40 000 kVA主变，冷却方式均为自然油循环风冷（ONAF），基座安装了减震垫。将主变设置为点声源，离主变1 m处的噪声在74～76 dB(A)范围内，变电站内建筑物1、2高度都为10 m，门岗房高4 m。表2给出了各敏感点的计算数据，计算结果表明敏感点1（53.3 dB(A)）和敏感点 2（53.7 dB(A)）夜间超标，敏感点 3（49.2 dB(A)）接近夜间超标值。通过分析发现变电站布局不合理，没有与周边敏感点进行综合考虑，于是进行了重新布局，给出了四种方案：第1种方案是将变电站内两栋房子作为声屏障，挪动其位置，即利用房1挡住敏感点1、2，房2挡住敏感点3，如图4所示；第2种方案是将主变位置下移，房1挡住敏感点4，房2挡住敏感点3，敏感点1、2利用空间距离衰减加以降低；如图5所示；第3、4种方案都是在第一种方案的基础上调整；方案3是将大门的位置改变，利用门岗室挡住敏感点4；方案4是利用种植高大、枝叶密实的树木带挡住敏感点4，实现降噪目的。然后对4种方案进行计算分析，结果如表3所示，几种方法都较原布局好，方法3和4都更为合理可行。

图3 某110 kV变电站原布局平面图Fig.3 Primary plane layout of a 110 kV substation

3.2 运行变电站的噪声优化治理

在运行变电站的噪声治理中，最常用的方法是采用声屏障进行噪声屏蔽。运用“变电站环境噪声控制优化仿真分析系统”软件进行噪声治理方案优化分析，通过“声屏障高度优化”和“多方案比选”功能，辅助相关设计人员选择最优的噪声治理方案。

（1）声屏障高度及位置优化

图4 第1种布局调整方案Fig.4 The 1st readjustment plan of the layout

图5 第2种布局调整方案Fig.5 The 2nd readjustment plan of the layout

表3 不同布局4个敏感点噪声大小值Tab.3 Noise level of 4 sensitive points in different layouts

如图6为某110 kV变电站平面布置图，变电站内有两台主变，其噪声分别为74.2 dB、71.6 dB，三个敏感点高均为5 m，加声屏障前3个敏感点的噪声值如表4所示。该变电站所处环境区域为1类，夜间噪声标准限值为45 dB(A)[15]。在主变2旁边加一声屏障，如图6所示，并对声屏障进行优化计算，得到优化曲线，如图7所示。图中三根曲线分别代表敏感点1—3的噪声大小与声屏障高度的变化关系。从图7中可以看到声屏障在低于2.5 m时对三个敏感点没有任何影响；当声屏障高度在2.5～7 m范围内，对敏感点1、2的屏蔽效果十分明显；当声屏障高度超过7 m后，屏蔽效果逐渐减弱。

对敏感点3，声屏障高度从2.5～4 m阶段的降噪效果十分显著，超过4 m后，增加声屏障高度后降噪效果不明显，且难于达到45 dB的环保标准要求。要降低敏感点3的噪声，必须得将声屏障下移，经分析只要将声屏障在水平方向下移动3 m，重新进行计算，就可以做出如图8所示的声屏障优化曲线。通过该图可以看到当声屏障高度增加到4 m时，三个敏感点都能低于45 dB(A)。为了较好地满足了环保要求，工程实际中高度可考虑为5 m；

表4 加声屏障前3个敏感点的噪声值Tab.4 Noise level of 3 sensitive points before adding acoustical barrier

图6 某110 kV变电站平面布置图Fig.6 The plane layout of a 110 kV substation

（2）多方案优化比选

在噪声治理过程前，往往会根据现场实际情况（声源点的位置，房屋建筑以及敏感点的位置等）进行方案初设，要在短时间内选出既能满足环保标准又能降低工程费用的方案，就需要通过多方案优化比选来实现。

现以某110 kV变电站为例进行仿真分析说明。变电站外右侧共有三户居民，设为三个敏感点，该变电站所处环境区域为1类，噪声标准限值为：夜间45 dB(A)，昼间55 dB(A)[15]。治理前初步确定了三种降噪方案，都采用声屏障进行降噪处理，声屏障形状分别为：“一”字形和“L”字形，其对应位置如图9—11所示。通过该噪声软件计算出三种方案下各敏感点降噪效果和成本大小，由此比选出降噪效果好和成本相对较低的方案，（声屏障价格可根据市场价格自行设定，此处按2 500元/m2计算）。三种方案的降噪效果及成本如表5所示。通过对三种方案的比较选择方案1较为合适。

图7 声屏障高度优化曲线Fig.7 Optimal curves of the acoustical barrier height

图8 声屏障向下移动3 m后高度优化曲线Fig.8 Optimal curves of height after acoustical barrier moving 3 m downward

图9 变电站第1种方案布局图Fig.9 The 1st layout scheme of substation

图10 变电站第2种方案布局图Fig.10 The 2 nd layout scheme of substation

图11 变电站第3种方案布局图Fig.11 The 3 rd layout scheme of substation

表5 多方案降噪效果与成本对比Tab.5 More scheme of noise reduction effect and cost plan contrast

4 结语

综上所述，利用仿真分析及控制优化对解决变电站噪声环境影响具有非常重要的现实意义，具有可操作性和推广应用价值，能够确保变电站在设计之初就能够将噪声控制到一个对环境影响最小的程度；同时能够在变电站噪声治理中获取最优的声屏障设计方案，提高噪声控制效果，降低工程造价，避免噪声控制过程中的随意性和盲目性，有利于促进社会的和谐与稳定。

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