500 kV變電站廠界低頻噪聲控制指標(biāo)適用性調(diào)查分析

林旗力，宋 凱，陳文杰

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200001；2.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

0 前言

隨著電網(wǎng)設(shè)施的發(fā)展，變電站的低頻噪聲問題越來越受到關(guān)注[1]。以往的研究較關(guān)注變電站聲源設(shè)備或者站內(nèi)特定區(qū)域的噪聲[2]。在噪聲特性方面，文獻(xiàn)[3-8]對(duì)國內(nèi)500、750和1 000 kV變電站的變壓器、高壓電抗器和變電構(gòu)架等噪聲進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，結(jié)果表明：變壓器和高壓電抗器噪聲一般以500 Hz以下的低頻噪聲為主，并在100 Hz和200 Hz等處存在峰值；變壓器噪聲頻譜受冷卻風(fēng)扇影響較大，而高壓電抗器噪聲的峰值更為明顯；變電構(gòu)架下的電暈噪聲頻率分布較廣，在高頻段和低頻段均有分布。由此可見，變電站不同設(shè)備或區(qū)域的噪聲頻率特性存在一定差異，但總體上具有低頻特性的聲源的貢獻(xiàn)占有優(yōu)勢(shì)。在噪聲效應(yīng)方面，Di等[9-10]和Li等[11]對(duì)變電站內(nèi)變壓器等設(shè)備產(chǎn)生的低頻噪聲的心理效應(yīng)開展了大量研究，并建立了相應(yīng)的劑量-效應(yīng)關(guān)系曲線。

實(shí)際環(huán)境中，公眾接觸的一般是站外噪聲。相對(duì)于站內(nèi)設(shè)備或者區(qū)域噪聲，關(guān)于站外噪聲特性和效應(yīng)的系統(tǒng)性研究卻較為少見。變電站聲源多且復(fù)雜，尤其是超、特高壓變電站，其傳播至廠界外的噪聲是各聲源綜合作用的結(jié)果。與中高頻噪聲相比，低頻噪聲具有在空氣中傳播時(shí)衰減更慢，遇到孔縫或障礙物時(shí)更易產(chǎn)生衍射聲能等特點(diǎn)[1]，使得變電站聲源噪聲傳播至站外后，低頻噪聲的影響可能更加突出。

當(dāng)前我國《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》：GB 3096-2008[12]和《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》：GB 12348-2008[13]均以LAeq(等效連續(xù)A聲級(jí))作為評(píng)價(jià)和控制指標(biāo)，然而世界衛(wèi)生組織(WHO)在2000年指出A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)對(duì)低頻噪聲的影響有所低估[14]，所以直接采用LAeq評(píng)價(jià)變電站低頻噪聲存在一定缺陷。國內(nèi)外在研究和制定室內(nèi)噪聲控制指標(biāo)時(shí)較為重視各頻帶聲能量的平衡問題[15-17]。對(duì)于低頻噪聲控制指標(biāo)，聲樣本低頻段聲能量比例θlow和LCeq-LAeq(LCeq表示等效連續(xù)C聲級(jí))都可一定程度反映各頻帶聲能量平衡情況。θlow是一個(gè)相對(duì)客觀的參量，不少研究在評(píng)價(jià)低頻聲源頻率特性時(shí)采用了θlow[10,18-19]。Kjellberg等[20]則從主觀感受的角度提出LCeq-LAeq可作為低頻噪聲的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并認(rèn)為當(dāng)噪聲的LCeq-LAeq大于15 dB時(shí)，LAeq需獲得6 dB的補(bǔ)償值才能較好地反映受聲者的主觀煩惱。變電站廠界低頻噪聲作為一種室外噪聲，在實(shí)際環(huán)境中可能會(huì)受到較多因素的影響，而θlow和LCeq-LAeq是否適用卻不得而知。因此，對(duì)變電站站外低頻噪聲特性進(jìn)行測(cè)量，基于實(shí)測(cè)結(jié)果來分析低頻噪聲控制指標(biāo)的適用性是非常必要的。

本文以已投入運(yùn)營的9座500 kV變電站為對(duì)象，通過對(duì)廠界處低頻噪聲的實(shí)地采樣獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析確定其頻率特性，并對(duì)典型500 kV變電站實(shí)體圍墻上下方和主變附近采取降噪措施前后的廠界噪聲進(jìn)行了比較，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)θlow、LCeq-LAeq作為變電站廠界低頻噪聲控制指標(biāo)的適用性進(jìn)行了分析，并對(duì)指標(biāo)的后續(xù)研究工作提出了建議。

1 廠界低頻噪聲特性分析

1.1 測(cè)量方法

1.1.1 測(cè)量對(duì)象

對(duì)華東地區(qū)已投入運(yùn)營的500 kV變電站進(jìn)行梳理，按照如下原則篩選出9座500 kV變電站作為測(cè)量對(duì)象：

(1)主變壓器等主要聲源設(shè)備采用戶外布置形式；

(2)穩(wěn)定運(yùn)行；

(3)背景噪聲低于35 dB(A)；

(4)具備測(cè)點(diǎn)布置條件。

表1給出了各測(cè)量對(duì)象的建設(shè)規(guī)模。

表1 測(cè)量對(duì)象建設(shè)規(guī)模Table 1 Construction scale of measuring objects

1.1.2 測(cè)量過程

整個(gè)測(cè)量過程如圖1所示。

圖1 測(cè)量過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement process

1.1.3 測(cè)點(diǎn)布置

前文提到，變電站不同設(shè)備或區(qū)域的噪聲頻率特性存在一定差異，所以不同位置處的變電站廠界噪聲頻率特性也存在差異。若廠界距離聲源較遠(yuǎn)，廠界噪聲受聲源的影響較小。因此，在變電站廠界低頻噪聲測(cè)量過程中，首先應(yīng)準(zhǔn)確識(shí)別低頻噪聲。Berglund等[21]的綜述中提到，低頻噪聲是可以被人體聽覺器官清楚地識(shí)別出來的，而且本文的研究目的是分析公眾可以感受到的低頻噪聲。因此，在測(cè)量前，先由3位專業(yè)人員在變電站廠界外一定范圍內(nèi)通過主觀感受來識(shí)別低頻噪聲。

測(cè)點(diǎn)的具體布置方式參考GB 12348-2008，其中測(cè)點(diǎn)高度為1.5 m[13]。待專業(yè)人員確認(rèn)該區(qū)域的噪聲為低頻噪聲后，現(xiàn)場(chǎng)人員通過聲級(jí)計(jì)確定LAeq為55、50和45 dB(A)(分別對(duì)應(yīng)GB 3096-2008規(guī)定的3、2、1類聲環(huán)境功能區(qū)夜間限值[12])的位置作為測(cè)點(diǎn)。由于測(cè)點(diǎn)噪聲LAeq需要符合相應(yīng)要求，所以測(cè)點(diǎn)與圍墻的距離并未嚴(yán)格保持1 m，但都在0.8～1.5 m范圍內(nèi)。

1.1.4 其他

測(cè)量儀器采用AWA6228+型聲級(jí)計(jì)。測(cè)量儀器和測(cè)量條件均滿足GB 12348-2008的要求[13]。每個(gè)站都參照《環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范噪聲測(cè)量值修正》：HJ 706-2014[22]選取一個(gè)合適的背景噪聲對(duì)照點(diǎn)。測(cè)量前后采集對(duì)照點(diǎn)處的噪聲，確保背景噪聲在35dB(A)以下時(shí)才能開展測(cè)量工作。在測(cè)量過程中，如發(fā)現(xiàn)背景噪聲異常，需及時(shí)停止測(cè)量，并刪除受影響的聲樣本。

1.2 背景噪聲測(cè)量結(jié)果和聲樣本分組

1.2.1 背景噪聲

根據(jù)對(duì)照點(diǎn)處的測(cè)量結(jié)果，背景噪聲在29.5～34.0 dB(A)范圍內(nèi)，典型頻譜如圖2所示。

圖2 典型背景噪聲1/3倍頻帶聲壓級(jí)Fig.2 Sound pressure levels in different 1/3 octave bands of typical background noises

1.2.2 聲樣本分組

根據(jù)聲樣本的LAeq，將其分為55、50和45 dB(A)三組?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)采樣的復(fù)雜性，本文默認(rèn)可接受的誤差范圍為±0.4 dB(A)。本次測(cè)量共獲得符合條件的聲樣本155個(gè)，分組情況如表2所示。

表2 聲樣本分組情況Table 2 Grouping situation of noise samples

1.3 聲樣本頻率特性

1.3.1 各組聲樣本頻率特性

對(duì)各組聲樣本1/3倍頻帶聲壓級(jí)進(jìn)行分析，得出平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，詳見圖3。由圖3可知，各組聲樣本低頻段聲能量比較占優(yōu)勢(shì)，且中心頻率為100 Hz和200 Hz的2個(gè)1/3倍頻帶上存在峰值，其中中心頻率為100 Hz的1/3倍頻帶上的峰值最為明顯。變壓器本體噪聲主要分布在100 Hz(基頻)及其若干整數(shù)倍的頻率上[4-7]，并且低頻噪聲在空氣中傳播時(shí)衰減較慢，所以變電站廠界處的噪聲在中心頻率為100 Hz的1/3倍頻帶上最為突出。

圖3 聲樣本1/3倍頻帶聲壓級(jí)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差Fig.3 Average values and standard deviations of sound pressure levels in different 1/3 octave bands of noise samples

1.3.2 聲樣本低頻段聲能量比例

聲學(xué)界一般將可聽聲的頻率下限20 Hz作為低頻噪聲的頻率下限。對(duì)于低頻噪聲的頻率上限，因其不涉及次聲和可聽聲的邊界問題，所以聲學(xué)界還沒有統(tǒng)一的定論。研究者根據(jù)需要將其定為100、150和200 Hz等，但一般不高于250 Hz[1,9-10,18,21]。實(shí)際環(huán)境噪聲的頻域一般較寬，所以可將聲源頻譜中最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)頻率處于低頻段的噪聲判定為低頻噪聲，或者將總能量中低頻段聲能量占主導(dǎo)的噪聲判定為低頻噪聲[1]。

為了和倍頻程譜各頻段上下限頻率保持一致，本文以20～355 Hz(中心頻率為250 Hz的倍頻帶上限頻率)作為劃分低頻噪聲的頻率范圍[18]，并通過式(1)計(jì)算得到各聲樣本θlow：

式中，Elow和plow分別表示低頻段聲能量和聲壓；Et和pt分別表示聲樣本所有頻段聲能量和聲壓。

聲壓級(jí)Lp(dB)的定義式為

式中：p0表示基準(zhǔn)聲壓，在空氣中p0=2×10-5Pa。通過式(2)，得到：

將式(3)代入式(1)，得到：

式中：Llow表示低頻段聲壓級(jí)；Lt表示所有頻段聲壓級(jí)。

圖4給出了聲樣本θlow分析結(jié)果。結(jié)果表明，各聲樣本θlow平均值為87.2%，最大值為99.6%，最小值為57.0%，且各組聲樣本θlow平均值隨其LAeq的降低而增大。可見，低頻段聲能量在這些聲樣本中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步在顯著性水平α=0.01下對(duì)各組間聲樣本θlow進(jìn)行單因素方差分析，得F=41.3，在F檢驗(yàn)中，通過查表得到在顯著性水平α=0.01下的臨界值F0.01=4.75，所以F>F0.01。因此，各組間聲樣本θlow存在顯著差異。可見，各組聲樣本θlow隨其LAeq的降低而增大，即LAeq較低的聲樣本的θlow卻較大。

圖4 聲樣本低頻段聲能量比例(θlow)分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of low-frequency sound energy proportion(θlow)of noise samples

1.3.3 聲樣本LCeq-LAeq

圖5為各聲樣本的LCeq-LAeq分析結(jié)果。結(jié)果表明，各聲樣本LCeq-LAeq平均值為11.0 dB，最大值為21.8 dB，最小值為3.5 dB，其中有9.7%的聲樣本LCeq-LAeq超過15 dB。各組聲樣本LCeq-LAeq平均值隨其LAeq的降低而增大。進(jìn)一步在顯著性水平α=0.01下對(duì)各組間聲樣本LCeq-LAeq進(jìn)行單因素方差分析，得F=40.6，所以F>4.75(F0.01臨界值)。因此，各組間聲樣本LCeq-LAeq存在顯著差異?？梢?，各組聲樣本LCeq-LAeq隨著其LAeq的降低而增大，這與聲樣本低頻段聲能量比例分析結(jié)果表現(xiàn)出一致的規(guī)律。

圖5 聲樣本LCeq-LAeq分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of LCeq-LAeqof noise samples

圖6進(jìn)一步給出了聲樣本θlow與LCeq-LAeq之間的關(guān)系。由圖6可知，聲樣本θlow與LCeq-LAeq之間呈正相關(guān)，擬合曲線y=0.000 07e0.1881x+7.487 7的決定系數(shù)R2達(dá)到了0.919 4。

圖6 聲樣本低頻段聲能量比例θlow與LCeq-LAeq之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between low-frequency sound energy proportion(θlow)and LCeq-LAeqof noise samples

2 典型降噪措施對(duì)變電站廠界噪聲低頻特性影響

戶外變電站廠界噪聲治理最常用的思路為：(1)在廠界處設(shè)置實(shí)體圍墻；(2)在主變附近采取措施(如設(shè)置聲屏障、防火墻敷設(shè)吸聲體)?；谏鲜鰞煞N治理思路，本文各選取了一座500 kV變電站進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。

2.1 實(shí)體圍墻對(duì)變電站廠界噪聲低頻特性影響分析

變電站實(shí)體圍墻一般與主體工程同步建成，所以很難對(duì)比同一變電站實(shí)體圍墻設(shè)置前后的廠界噪聲。為此，本文選擇一座典型500 kV變電站，通過實(shí)測(cè)比較同一廠界測(cè)點(diǎn)處圍墻上下方噪聲來分析實(shí)體圍墻的影響。G變電站500 kV主變現(xiàn)有規(guī)模為4×1 000 MVA，其總平布置如圖7所示，圖中◎表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)。該站地處平原農(nóng)村地區(qū)，周邊平坦且開闊。廠界圍墻高為2.2 m，厚為0.24 m，采用混凝土空心砌塊和M5號(hào)砂漿砌筑。

圖7 G變電站總平布置示意圖Fig.7 Diagram of general layout of G Substation

參照GB 12348-2008對(duì)G變電站廠界噪聲進(jìn)行實(shí)測(cè)[13]，測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示，其與圍墻水平距離為1 m。每個(gè)測(cè)點(diǎn)都在1.5 m和2.8 m兩個(gè)高度布置傳聲器進(jìn)行同步測(cè)量，如圖8所示。由圖8可見，傳聲器I高于圍墻0.5 m以上(圍墻上方)，而傳聲器Ⅱ低于圍墻且距地面1.2 m以上(圍墻下方)。這樣圍墻可對(duì)傳聲器Ⅱ起到類似聲屏障的效果，對(duì)傳聲器I則基本無法起作用。測(cè)量期間主變風(fēng)機(jī)啟動(dòng)1/2。

圖8 G變電站傳聲器布置示意圖Fig.8 Diagram of microphone arrangement of G substation

表3給出了G變電站各測(cè)點(diǎn)處的測(cè)量結(jié)果。由表3可知，所有6個(gè)測(cè)點(diǎn)處圍墻下方的LAeq均小于圍墻上方，并且其中5個(gè)測(cè)點(diǎn)處圍墻下方的L100Hz小于圍墻上方，但是所有6個(gè)測(cè)點(diǎn)處圍墻下方的θlow和LCeq-LAeq都大于圍墻上方。

表3 G變電站廠界測(cè)點(diǎn)噪聲測(cè)量結(jié)果Table 3 Noise measurement results at boundary points of G substation

2.2 主變附近措施對(duì)廠界噪聲低頻特性影響分析

Y變電站500 kV主變現(xiàn)有規(guī)模為2×801 MVA，其總平布置如圖9所示，圖中◎表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于聲環(huán)境敏感目標(biāo)主要分布于西北側(cè)廠界外且地勢(shì)較高，所以確定了在主變附近設(shè)置聲屏障(見圖10，圖中表示聲屏障)并在防火墻內(nèi)側(cè)敷設(shè)吸聲體的方案。聲屏障及防火墻吸聲體采用了10 mm聚酯纖維+100 mm空腔結(jié)構(gòu)[23]，其材料吸聲性能如圖11所示。

圖10 Y變電站聲屏障布置示意圖Fig.10 Diagram of sound barrier layout in Y substation

圖11 材料吸聲系數(shù)(混響室法)Fig.11 The sound absorption coefficient of the material tested by reverberation chamber method

參照GB 12348-2008對(duì)Y變電站廠界噪聲進(jìn)行實(shí)測(cè)[13]，測(cè)點(diǎn)位置見圖9。傳聲器與圍墻水平距離為1 m，測(cè)量高度為1.5 m。采取措施前后測(cè)量期間的變電站工況相近，主變風(fēng)機(jī)均全部啟動(dòng)。

圖9 Y變電站總平布置示意圖Fig.9 Diagram of general layout of Y substation

表4為Y變電站各測(cè)點(diǎn)處的測(cè)量結(jié)果。由表可知，采取措施后，所有7個(gè)測(cè)點(diǎn)處的LAeq和L100Hz均降低，但是所有測(cè)點(diǎn)處的LCeq-LAeq均增大，并且其中6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的θlow也增大。由圖11可看出，Y變電站降噪措施采用的材料對(duì)中心頻率在200～1 250 Hz的1/3倍頻帶范圍的吸聲性能較好(吸聲系數(shù)>0.6)，但是當(dāng)頻率低于200 Hz時(shí)其吸聲性能隨著頻率減小而迅速下降，這對(duì)噪聲治理效果產(chǎn)生了明顯影響。以1#測(cè)點(diǎn)為例，圖12給出了其在治理前后的噪聲頻譜。由圖12可看出，降噪措施對(duì)100 Hz以上頻段的作用較明顯，但是對(duì)100 Hz以下的頻段卻幾乎沒有效果。

圖12 Y變電站采取措施前后1#測(cè)點(diǎn)噪聲測(cè)量結(jié)果Fig.12 Noise measurement results at Point 1#of Y substation before and after adopting noise control measures

表4 Y變電站廠界測(cè)點(diǎn)噪聲測(cè)量結(jié)果Table 4 Noise measurement results at boundary points of Y substation

3 討論

在變電站廠界低頻噪聲特性實(shí)測(cè)分析中，總體上LAeq較低的聲樣本的θlow和LCeq-LAeq卻較大，這主要與低頻噪聲在空氣中傳播時(shí)以及遇到障礙物時(shí)衰減相對(duì)較慢有關(guān)。對(duì)于以500 kV變電站為代表的大型戶外變電站，占地面積大，廠界長，所以測(cè)點(diǎn)與聲源設(shè)備的相對(duì)位置以及聲波傳播途徑上的障礙物對(duì)噪聲的低頻特性影響都很大。

通過對(duì)變電站實(shí)體圍墻上下方和主變附近采取措施前后廠界噪聲的對(duì)比分析也得到了相似的規(guī)律。變電站圍墻下方的廠界噪聲LAeq和L100Hz通常小于圍墻上方，但θlow和LCeq-LAeq卻可能更大。其原因主要為低頻噪聲遇到障礙物時(shí)衰減較慢。采取站內(nèi)降噪措施后，在廠界噪聲LAeq和L100Hz得到有效控制的情況下，θlow和LCeq-LAeq也可能比原來更大。其原因除了低頻噪聲遇到障礙物時(shí)衰減較慢外，還跟降噪措施材料吸聲性能的頻率特性有關(guān)。需要說明的是，由于材料的限制，該情況在實(shí)際工程中非常普遍，很難避免。

在環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制訂工作中，控制指標(biāo)的適用性非常重要，應(yīng)兼具科學(xué)性和可實(shí)施性。雖然θlow和LCeq-LAeq這類指標(biāo)可一定程度反映各頻帶聲能量平衡情況，但是通過上述調(diào)查可知，對(duì)于大型戶外變電站，直接引入θlow和LCeq-LAeq指標(biāo)來評(píng)價(jià)其廠界低頻噪聲存在一定缺陷。

由于變電站低頻噪聲的主要影響頻帶較為固定，在后續(xù)工作中，變電站廠界低頻噪聲評(píng)價(jià)方法研究可考慮對(duì)變電站噪聲提出分頻控制限值(例如中心頻率為100 Hz的1/3倍頻帶)，或者通過引入類似噪聲評(píng)價(jià)曲線(NR曲線)來確定各頻帶控制限值。

4 結(jié)論

本文通過以上的分析，得到了以下結(jié)論：

(1)變電站廠界低頻噪聲樣本的低頻段聲能量占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其比例θlow的平均值為87.2%，聲樣本的LCeq-LAeq平均值為11.0 dB?？傮w上，LAeq較低的聲樣本的θlow和LCeq-LAeq卻較大。聲樣本θlow與LCeq-LAeq之間呈正相關(guān)，擬合曲線決定系數(shù)R2達(dá)到0.919 4。

(2)圍墻下方的廠界噪聲LAeq和L100Hz通常小于圍墻上方，但θlow和LCeq-LAeq卻可能更大。通過主變附近采取降噪措施，在廠界噪聲LAeq和L100Hz得到有效控制的情況下，θlow和LCeq-LAeq也可能比原來更大。

(3)對(duì)于大型戶外變電站，直接引入反映各頻帶聲能量平衡情況的指標(biāo)(例如θlow和LCeq-LAeq)來評(píng)價(jià)其廠界低頻噪聲存在一定缺陷。后續(xù)研究建議對(duì)變電站噪聲提出分頻控制限值，或者通過引入類似NR曲線來確定各頻帶控制限值。