高压输变电设施低频噪声特性研究与限值的确定

2013-12-05闫维明李振海张志强陈崇明

噪声与振动控制 2013年1期

闫维明,李振海,张志强,陈崇明

（河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021）

高压输变电设施的噪声存在较大的低频分量，主要是由于工频交变电压和电流及其谐波，在正负波峰处容易产生较为显著的电晕放电和铁芯震动，而形成100 Hz及其倍数频率类似“嗡嗡声”的纯音[1]。研究表明，在好天气下，由交流输电线路电晕产生的可听噪声并不大；在雨天，导线下方的水珠使电晕放电强度增加，可听噪声会增大，雨天时的可听噪声比晴天时的约大15～20 dB。但由于输电线路可听噪声的频率较低，与同一声压的一般环境噪声相比，通常更加令人厌烦。

世界卫生组织的“公共噪声导则”根据噪声科学研究提出噪声标准，是以800 Hz作为基准噪声频率，其它频率噪声分量通过乘以计权系数叠加在基准频率分量上的计权法，要求在白天不使人烦躁的情况下不超过50 dBA，夜间睡眠则不应超过45 dBA[2]。目前我国执行的GB3096-1993《城市区域环境噪声标准》中也对各典型居住区域的噪声限值作出了规定，但近年来低频噪声对人体的特别烦恼影响已引起广泛重视，相关国际机构和中国环保部门已开始酝酿和起草专门针对800 Hz以下低频噪声的限值。

1 国内外相关技术现状

国外对输电线路噪声的研究始于20世纪60年代，和对特高压输电的研究几乎同步进行，研究涉及输电线路噪声的产生机理、声学特征、测试方法和降噪措施等。有的提出了预测特高压输电线路对称分裂导线可听噪声的公式，对非对称分裂导线的可听噪声也进行了实测，但未得到有效的预测公式。各国对输电线路噪声的研究也逐步从试验研究转向构筑理论分析的数学模型，各国对交直流特高压输电线路的可听噪声也制定了相应的限值，但是还没有统一的标准。近年来，国网电科院等科研机构对很多线路进行了可听噪声的预估计算和实测。我国对输电线路的可听噪声未制定有相关标准。

2 技术方案

2.1 现场测试

河北南部最高电压等级为500 kV，拥有500 KV等级变电站约12座，无直流输电。承担石家庄、保定、邯郸、邢台、衡水、沧州等6个地区供电任务。其中110 kV变电站涵盖户外和和半室内两种布置结构，半室内布置变电站地处市区，户外布置变电站地处郊区；220 kV变电站涵盖户外布置和室内布置两种典型布置结构，全室内布置变电站地处市区，户外布置变电站地处郊区；500 kV变电站均处于郊区，户外布置。根据河北南网实际情况，选择不同电压等级具有代表性的变电站进行测试。

选择110 kV、220 kV和500 kV三个电压等级的交流输电线路进行现场测试。根据河北南网实际情况，110 kV输电线路涵盖同塔双回和单回两种结构形式，220 kV输电线路涵盖同塔双回和单回两种结构形式，500 kV输电线路涵盖同塔双回、单回路紧凑型、单回三种结构形式。为减小背景噪声的影响，所选输电线路均位于郊区。

2.2 人体感受主观评价试验及处理

采用社会调查的方法，在调查并分析居民区低频噪声源的基础上，选择了具有不同特征代表的人员进行低频噪声烦恼度的调查。即选择具有不同水平低频噪声的输变电设施，以年龄、性别及其他身体特征选择大样本的感受试验参与者，结合现场感受和录音感受试验，调查不同特征人群对低频噪声生理承受水平[3]。在此基础上，提出输变电设施低频噪声限值水平。

人体感受试验在一个密闭的实验室室内进行，并对选取的噪声样本制定了实际感受调查统计表，分别采用等级评分法和语义细分法对选取的声音样本进行评价。表1、表2分别为试验时采用的调查表。

语义细分发数据处理，首先应对原始数据进行分析处理，这是一切试验性研究必不可少的重要步骤。为此，从试验设计的样本比较次数出发，提出针对语义细分法评价结果的两类误判分析方法与无效数据的剔除原则。依据正态分布假设，对处理后的数据进行有效性检验的结果表明:处理后的评价结果，能够较好地符合正态分布规律，即无效数据剔除依据以及可允许一致性误判的确定办法是合理且有效的。理论上，由于该方法的提出是基于试验设计本身的，因此不会受到各种特异性因素如，选用不同的评价尺度及评价指标等的影响，具备普遍适用性。

等级评分法是将声品质的某一属性划分为若干个等级，每个等级中又包含不同的分值，试验中评价者根据各自的主观感知程度给出对应的评价分值，对某声音样本的全部评分取算术均值，作为该噪声的声品质等级。这种方法简单快捷，评价工作量相对较小，而且所得结果为等级评分数值，便于进行后续的分析处理。显然，该方法的关键在于确定适宜的评分等级刻度。课题主要采用国际上惯用的人体心里感受水平等级划分，确定了5个等级。

2.3 测试仪器及要求

测量使用日本理音公司生产的NA－27型和丹麦2250精密噪声分析仪，仪器符合GB/T3222-1994《声学环境噪声测量方法》的要求，为I级积分式声级计，均具备1/3倍频程的噪声频谱分析功能，频谱范围为0～20 kHz，其性能符合GB3785《声级计电声性能及测量方法》的规定，具有数据连续采集功能。

表1 语义细分法统计调查表Tab.1 Statistical investigation forms with method of semantic segmentation

表2 等级评分法统计调查表Tab.2 Statistical investigation forms with method of ranking and scoring

噪声计距地面高度为1.5 m，传声器对准噪声源方向以测得最大值为原则[4]。读数时测试人员应距仪表0.5 m以远，测试人员手持仪器将手臂伸直，传声器对准噪声源方向，使仪表读数为最大，不将仪器靠近身体，以免影响测试的准确度。

统一使用10 s的等效连续A声级测试模式，单位为dB（A）。仪器动态特性为“慢”响应，采样时间间隔为5 s。每个测点都须测试等效连续A声级，测试次数每点不小于3次。每次测试时间间隔大于5 min。

3 数据结果统计及噪声频谱分析

3.1 变电站设备噪声水平测试统计分析

在变电站区内，噪声源主要设备有变压器、高压电抗器以及架构等，根据现场测试统计结果分析看出，设备噪声电压等级的高低而发生较大的变化，究其原因是由于变压器内部铁芯振动有较大的变化，同时运行负荷的变化也影响设备噪声水平。

测试结果显示，变电站设备(运行状态下)噪声水平基本在60～90 dB(A)等效声级之间，变压器及电抗器声级水平的高低主要与电压等级、运行年限、运行负荷以及生产厂家等有关联。从表3可以看出，不同电压等级的主变压器噪声整体水平不同，随电压等级的升高而增加，110 kV变压器的噪声水平在68 dB(A)左右，220 kV变压器噪声水平在70 dB(A)左右，而500 kV变压器噪声水平则达到了75 dB(A)；而站区内线路架构的噪声水平受负荷、气候的影响较大，单就架构的噪声水平基本维持在49～55 dB(A)之间；500 kV高抗设备的噪声水平为71 dB(A)左右。由此可以看出，变电站对外界噪声影响较大的主要噪声源即为变压器，其次对于500 kV变电站电抗器也是主要的噪声产生源。

从根本原因上分析，电抗器和变压器的本体噪声主要是由硅钢片的磁致伸缩和器体上的电磁力所引起的。所谓磁致伸缩就是硅钢片在励磁时，沿着磁力线方向的硅钢片尺寸要增加，而垂直于磁力线方向的尺寸要缩小，磁致伸缩使得铁心随着励磁的变化而周期地振动。这种噪声因频率低，衰减慢，传播远，实际应用中非常难以抑制。

3.2 变电站设备噪声频谱分析

在对噪声的研究中，噪声的频谱特性是最主要的测量项目，它能清晰地表示出一定频带范围内声压的分布情况，从而使我们能了解噪声的成分和性质，这就是频谱分析。频谱分析有助于了解声源的性质和识别主要噪声源，频谱中各峰值对应的频率(频带)就是由某种声源产生的，找到了主要峰值对应的声源(主噪声源)，就为噪声控制提供了依据，这就是频谱分析的意义所在。

图1―图4选取了不同电压等级变压器及500 kV电抗器的频谱分析图进行了对比。

由频谱分析图不难看出，变电站设备的噪声均属于中、低频噪声，频段在100 Hz～500 Hz为噪声水平贡献值最大。而高压电抗器则频率更低，在频率为100 Hz左右时可以达到最高值。可以确定变压器噪声主要以中低频噪声为主，高压电抗器和带电构架主频段在低频区，因此高压变压器和电抗器的噪声由本体振动产生的噪声影响较大。

图1 110 kV变压器噪声频谱图Fig.1 Spectrum diagram of noise for 110 kV transformer

图2 220 kV变压器噪声频谱图Fig.2 Spectrum diagram of noise for 220 kV transformer

图3 500 kV变压器噪声频谱图Fig.3 Spectrum diagram of noise for 500 kV transformer

图4 500 kV高压电抗器噪声频谱图Fig.4 Spectrum diagram of noise for High-pressure reactor

3.3 高压输电线路噪声测试分析

河北南网输电线路主要以交流输电为主，选取了三个电压等级交流输电线路作为测试对象。将不同电压等级输电线路的噪声测试数据汇总，分别计算出处于表3所列5个噪声水平区间的数据占全部数据量的百分比：

测试试验相关参数，按照电力行业标准DL 501-1992《架空送电线路可听噪声测试方法》要求，在选择的测量档距内，以最边相导线对地投影为起点，在导线对地最低点线路走向的横截面上，向输电线路外测确定测量点。表3数据均采用了距边相导线对地投影15 m处的数据,距离地面高度为1.5 m。所有测试均在晴天，风速小于5 m/s的天气情况下测试，下午14点之后线路基本处于满负荷运行。

3.4 高压输电线路可听噪声影响因素分析

高压输电线下可听噪声是由导线的电晕放电产生的，而输电线路导线的各种参数对电晕现象有非常直接的影响；因此，线路导线的各种参数对输电线下可听噪声的产生有非常重要的意义。从表3也可以看出，交流输电线路噪声等级与其运行电压等级有关系，但由于电压等级越高，线路安装高度越高，从距地面同一高度所测值，低压线路反而影响更大。

3.5 输变电设施低频噪声人体感受试验调查分析

（1）语义细分法等级评分法统计结果分析

采用语义细分法进行噪声评价时，尽管在试验前进行了培训，但评价者的个人评价尺度在整个评价过程中，仍处于不断调整变化的状态。通过调查评价者对整个评价过程的感受发现，虽然评价者普遍存在不轻易使用极限评价值的心理特点，但大多数评价者也反映能够充分利用调查表提供的评价尺度，在较短的时间内，进行低频噪声的相关语义评价；因此，本次试验完成评价任务的适宜度较好[5]。

参与本次评价人员共计23人，在试验前，对参与评价的人员进行了一定的声音感受培训，以尽量排除心理暗示，使得试验结果（见表4）更加合理真实。

由表4可以看出，本次调查结果合理，人体感受意愿随着声音级别的变化呈一定规律变化，因此其最终数据满足调查要求。在40 dB(A)、45 dB(A)、50 dB(A)以“有点感觉，无所谓”为主要的人体感受，分别占到被调查人数的78.3%、56.5%和56.5%，但是上述三个噪音级别下选择感受“勉强可以接受”的人数从3人增加到8人，而到了55 dB(A)级别时选择感受“勉强可以接受”的人数达到11人，占调查人数近一半。若以“勉强可以接受”的人体感受作为限值制订依据的话，从上表可以看出，该限值应在45～55 dB(A)之间进行选择。

表3 输电线路噪声等级分布统计表Tab.3 Investigation forms of the noise level for transmission line

表4 语义细分法试验结果统计表：Tab.4 Investigation forms of results with method of semantic segmentation

另外，需要特别注明的是，由于不可抗拒因素，根据前面所述的无效数据剔除原则，对表4中带“(*)”的数据予以了剔除；

（2）等级评分法统计结果分析

在进行语义细分法调查的同时，参与调查者按照表5的内容对不同噪音级别进行了等级评分，对评分结果进行算术平均值计算处理结果如下表5。

对照表5五个等级对应评分规律，由上表可以看出，40～50 dB(A)所得分值均处于第二个等级“有一点烦躁”，而从55 dB(A)开始，所得分值所处级别为“令人烦躁”级别以上。因此，由等级评分法进行的人体感受调查可以得出，很明显限值应在40～50 dB(A)之间进行选择。

表5 等级评分法感受结果统计表Tab.5 Investigation forms of results with method of ranking and scoring

同样，为保证试验结果的真实程度，我们对于等级评分法调查实验中出现的不稳定评价者得出的调查结果予以剔除[6]。其余数据进行算术平均值计算，以获得每个样本的最终结果。表5中所采用的噪声样品代表了具有低频特征的输变电设施低频噪声，具有典型性。

3.6 推荐限值分析

根据人体感受主观评价试验结果，结合国内相关噪声标准限值，推荐高压输变电设备低频噪声最高限值为40～55 dB(A)，参考GB 3096-2008标准中不同功能区的特点，在以上区间内进行选择。该限值区间从参考了国家标准以及项目中参与人体感受试验的结论出发，从噪声级水平和频谱分析两大方面进行了研究确立。