特高壓換流站噪聲源測(cè)試與預(yù)測(cè)技術(shù)研究

陽(yáng)金純，吳曉文，呂建紅，黃 韜，周建飛

國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007

特高壓直流工程建設(shè)在我國(guó)飛速發(fā)展，目前，國(guó)家電網(wǎng)公司已投運(yùn)4項(xiàng)±800 kV特高壓直流輸電工程，2017年有5項(xiàng)±800 kV特高壓直流輸電工程投產(chǎn)運(yùn)行，其中4項(xiàng)列入我國(guó)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃[1]，±1 100 kV準(zhǔn)東-皖南特高壓直流工程也獲得了國(guó)家發(fā)改委核準(zhǔn)[2]，具備開工條件。特高壓直流工程的建設(shè)在減少污染物排放方面作出了突出貢獻(xiàn)，但不可避免地帶來(lái)一些新的環(huán)境問(wèn)題，主要環(huán)境影響之一為噪聲對(duì)環(huán)境的影響。

環(huán)保部高度重視噪聲的科研和成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，并對(duì)噪聲聲功能區(qū)的劃分和調(diào)整工作提出了新的要求[3]。特高壓換流站噪聲源種類和數(shù)量眾多，高度、尺寸差異較大，且各種噪聲源特性不同，導(dǎo)致?lián)Q流站聲場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜。主要的噪聲源(如換流變壓器、平波電抗器、濾波電抗器、濾波電容器)源強(qiáng)相對(duì)較大，對(duì)環(huán)境的影響最為顯著。如何在復(fù)雜的聲場(chǎng)環(huán)境中獲取各種噪聲源的特性數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)換流站的噪聲分布進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，提出相應(yīng)的噪聲防護(hù)方法或措施，具有重要的實(shí)際意義。

目前，對(duì)交流輸變電項(xiàng)目噪聲監(jiān)測(cè)和分析較多[4]，而特高壓換流站主要噪聲源測(cè)試數(shù)據(jù)缺乏，大部分采用聲壓法測(cè)量，在復(fù)雜聲場(chǎng)環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性不能滿足實(shí)際要求；采用聲強(qiáng)法測(cè)試，在一定條件下結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，但測(cè)試方法繁瑣，無(wú)法對(duì)帶電設(shè)備(如交流濾波器場(chǎng)電容器組、電抗器等)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。因此，采用先進(jìn)的測(cè)試方法和手段，獲取噪聲源的特征參數(shù)，顯得十分迫切。大部分特高壓換流站換流變壓器采用box-in設(shè)計(jì)[5]，即換流變壓器兩側(cè)為防火墻，后面緊靠換流站閥廳墻壁，頂部和前面采用隔聲板進(jìn)行封閉，散熱風(fēng)機(jī)布置在前端面板之外，把換流變壓器本體裝在一個(gè)相對(duì)封閉空間，進(jìn)風(fēng)口采用消聲百葉進(jìn)風(fēng)，頂部采用風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，因此對(duì)其進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)分析較為復(fù)雜，而國(guó)內(nèi)對(duì)封閉空間的噪聲研究較少，對(duì)室外聲屏障的繞射衰減測(cè)量進(jìn)行過(guò)研究[6]。交流濾波器場(chǎng)電容器組、電抗器數(shù)量多，其發(fā)聲機(jī)理各不相同，且兩者相鄰布置在隔離區(qū)內(nèi)，無(wú)法開展近距離測(cè)試。而直流場(chǎng)平波電抗器高達(dá)20 m之多，對(duì)其進(jìn)行噪聲測(cè)試也存在很大的困難。同時(shí)站內(nèi)線路構(gòu)架的電暈噪聲與電容器、電抗器噪聲交織一起，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成一定的干擾。

本文采用相對(duì)先進(jìn)和實(shí)用的測(cè)試方法獲取噪聲源特征信號(hào)，剔除干擾信號(hào)，對(duì)無(wú)法直接測(cè)試的噪聲源設(shè)備、采用理論分析、聲成像等手段進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)換流站噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 內(nèi)容與方法

本次實(shí)驗(yàn)涉及A、B、C 3個(gè)換流站換流變壓器、交流濾波器場(chǎng)電抗器和電容器組、變電架構(gòu)等主要噪聲源的噪聲測(cè)試與分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)換流站噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，并通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果。A、B、C 3個(gè)換流站相應(yīng)的布置方式及主要噪聲源見表1。

表1 A、B、C換流站布置方式及主要噪聲源

傳統(tǒng)的噪聲測(cè)試方法有聲壓法和聲強(qiáng)法。聲壓法測(cè)試時(shí)受外界干擾影響較大，同時(shí)在復(fù)雜的聲場(chǎng)環(huán)境中，不能剔除背景噪聲的干擾。聲強(qiáng)測(cè)試法可以排除外界背景噪聲的干擾，在自由場(chǎng)或半自由場(chǎng)聲環(huán)境中測(cè)試較準(zhǔn)確，但是在反射面距測(cè)試包絡(luò)面較近時(shí)，測(cè)試結(jié)果受到影響[7]，而且在換流站內(nèi)無(wú)法對(duì)換流變、電容器組、電抗器進(jìn)行包絡(luò)面測(cè)試，因此，聲強(qiáng)測(cè)試法在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試中不可行。

采用現(xiàn)場(chǎng)錄波法對(duì)被測(cè)對(duì)象及背景噪聲信號(hào)進(jìn)行收集，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行頻譜分析，剔除或排除背景噪聲影響，識(shí)別出被測(cè)對(duì)象特征譜。采用激光振動(dòng)測(cè)試法、聲成像法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電設(shè)備在安全距離外進(jìn)行測(cè)試，適用于不能靠近測(cè)試的帶電設(shè)備的測(cè)量。振動(dòng)測(cè)試法根據(jù)聲振耦合理論，噪聲可通過(guò)結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)速度級(jí)及其輻射效率來(lái)表征?！堵晫W(xué)一振速法測(cè)定噪聲聲功率級(jí)用于封閉機(jī)器的測(cè)量》(GB/T 16539—1996)[8]適用于那些由于背景噪聲很高或其他環(huán)境影響較大而不可能用聲壓法直接準(zhǔn)確測(cè)定空氣噪聲的場(chǎng)合。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

A、C換流站換流變壓器聲壓級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)6個(gè)，A換流站換流變壓器噪聲與振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)5組，A換流站交流濾波器場(chǎng)電容器組噪聲與振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)2組，A換流站變電架構(gòu)聲成像數(shù)據(jù)1組，B換流站電抗器噪聲與振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)2組，C換流站站界噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)5個(gè)及預(yù)測(cè)噪聲1組。

2 結(jié)果與討論

2.1 換流變壓器噪聲測(cè)試結(jié)果與特性分析

目前我國(guó)換流站換流變壓器的噪聲防護(hù)主要采用2種方法：一種是在換流變壓器前端加隔聲屏；另一種是采用box-in技術(shù)將換流變壓器本體封閉，由于變壓器本體處在封閉的有限空間中，噪聲在各個(gè)面之間經(jīng)過(guò)多次反射疊加，實(shí)際測(cè)試結(jié)果較露天布置的同類型換流變壓器測(cè)試結(jié)果高出約20 dB(A)。

測(cè)試時(shí)測(cè)點(diǎn)避開換流變壓器風(fēng)機(jī)側(cè)，距換流變壓器本體水平距離為0.5 m，測(cè)試高度為1.8 m(以下對(duì)換流變壓器的測(cè)點(diǎn)布置同)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 A、C換流站換流變壓器噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)表2實(shí)測(cè)結(jié)果，在對(duì)換流變壓器進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，需考慮換流變壓器噪聲在其周圍壁面的多次反射疊加，而采用box-in布置的換流變壓器噪聲疊加明顯，至少應(yīng)考慮2次反射疊加。

以A換流站為例，同時(shí)采用3種方法對(duì)換流變壓器本體噪聲頻譜特性進(jìn)行分析。

第一種方法為傳統(tǒng)聲壓測(cè)試法，為減少反射聲等背景噪聲的影響，采用聲級(jí)計(jì)靠近本體表面的方法測(cè)得1/3倍頻程頻譜，見圖1。

圖1 A換流站高端換流變壓器聲壓級(jí)頻譜Fig.1 The sound pressure spectrum of the high-end converter transformer in A converter station

第二種方法為現(xiàn)場(chǎng)錄波法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)近距離采集聲源的各種時(shí)域信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，識(shí)別噪聲源特征，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT離散分析，頻譜圖見圖2。

圖2 A換流站高端換流變壓器傅里葉離散分析結(jié)果Fig.2 Fourier transform analysis results of the high-end converter transformer in A converter station

由圖1和圖2可知，換流變壓器的特征頻點(diǎn)為400 Hz，該頻率點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)值占90%以上。

第三種方法為激光振動(dòng)測(cè)試法，將聚焦好的激光瞄準(zhǔn)換流變壓器本體，激光經(jīng)換流變壓器反射后，信號(hào)被接收，根據(jù)多普勒原理，可獲取換流變壓器的振動(dòng)速度、位移等，并通過(guò)計(jì)算機(jī)分析處理，獲取振動(dòng)頻譜進(jìn)行進(jìn)一步分析。測(cè)試結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖3 A換流站高端換流變壓器振動(dòng)頻譜測(cè)試結(jié)果Fig.3 High-end converter transformer vibration spectrum test results in A converter station

圖4 A換流站高端換流變壓器(Y/Y)振動(dòng)頻譜測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of the high-end converter transformer (Y/Y) vibration spectrum in A converter station

從圖3和圖4可見，換流變壓器振動(dòng)頻譜中400 Hz為優(yōu)勢(shì)頻點(diǎn)，與圖1和圖2聲壓頻譜中的優(yōu)勢(shì)頻點(diǎn)具有明顯的相關(guān)性。進(jìn)一步證明了換流變壓器的特征譜為400 Hz，從而識(shí)別出了換流變壓器的低頻噪聲特征。因此在建模計(jì)算時(shí)，對(duì)換流變壓器噪聲源強(qiáng)賦值時(shí)，應(yīng)保證400 Hz譜點(diǎn)處的值占整個(gè)頻譜噪聲貢獻(xiàn)的90%以上，這樣能更加科學(xué)預(yù)測(cè)低頻噪聲的影響。

box-in換流變壓器采用消聲百葉進(jìn)風(fēng)，頂部風(fēng)機(jī)抽風(fēng)方式散熱，換流變壓器本體處在相對(duì)封閉的空間，此時(shí)將換流變壓器等效為5個(gè)面源，再采用室內(nèi)噪聲往外透聲的模式進(jìn)行建模分析，頂部風(fēng)機(jī)等效為點(diǎn)源，box-in換流變壓器隔聲板的隔聲量按40 dB(A)計(jì)算，換流變壓器前部面板的散熱風(fēng)機(jī)按點(diǎn)源計(jì)算。采用其他方式布置的換流變壓器，也應(yīng)考慮周圍防火墻及其隔聲屏障的反射疊加效應(yīng)。

2.2 交流濾波器場(chǎng)電容器組噪聲測(cè)試結(jié)果與特性分析

由于換流站內(nèi)電容器組、電抗器均屬于帶電設(shè)備，被隔離在一定區(qū)域內(nèi)，此時(shí)無(wú)法近距離對(duì)其進(jìn)行聲壓或振動(dòng)測(cè)試，國(guó)內(nèi)部分研究?jī)H在實(shí)驗(yàn)室針對(duì)單個(gè)電容器進(jìn)行仿真或?qū)嶒?yàn)[9-11]，與現(xiàn)場(chǎng)電容器組的運(yùn)行狀況不同，此時(shí)應(yīng)采用激光振動(dòng)測(cè)試法，實(shí)現(xiàn)在安全距離外對(duì)帶電設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)開展現(xiàn)場(chǎng)錄波及聲壓級(jí)測(cè)試。

對(duì)±800 kV A換流站交流濾波器場(chǎng)電容器組同時(shí)開展激光振動(dòng)及聲壓級(jí)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)距電容器組水平距離為5 m，測(cè)試高度為1.8 m。聲壓級(jí)頻譜見圖5，振動(dòng)頻譜見圖6。

圖5 A換流站交流濾波器場(chǎng)電容器組聲壓級(jí)頻譜Fig.5 AC filter capacitor bank pressure spectrum testing in converter station A

圖6 A換流站交流濾波器場(chǎng)電容器組振動(dòng)頻譜圖Fig.6 AC filter capacitor bank vibration spectrum testing in converter station A

由圖5可知，聲壓級(jí)頻譜中以630 Hz為優(yōu)勢(shì)頻點(diǎn)，但不能確定是電容器組的特征譜點(diǎn)，因?yàn)闉V波電容器組緊鄰濾波電抗器布置，且電抗器噪聲要高于電容器組噪聲。由圖6可知，交流濾波器場(chǎng)電容器組振動(dòng)特征頻點(diǎn)不明顯， 200 Hz處振動(dòng)略占優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明2種方法的測(cè)試結(jié)果沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

交流濾波器場(chǎng)電容器組處于換流站內(nèi)隔離區(qū)內(nèi)，無(wú)法近距離進(jìn)行測(cè)量，且其運(yùn)行波動(dòng)較大，并受相鄰電抗器的干擾，因此，采用聲壓級(jí)方法測(cè)量不可取。但有必要改善振動(dòng)測(cè)量方法，第一種方法于檢修期間在電容器上貼上反光條，送電后再進(jìn)行測(cè)試，這樣可以增強(qiáng)激光反射信號(hào)，從而提高測(cè)試準(zhǔn)確性。第二種方法，在運(yùn)行條件許可時(shí)，對(duì)各種運(yùn)行工況下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試分析，研究其運(yùn)行規(guī)律與振動(dòng)特性之間的關(guān)系。

單個(gè)電容器的噪聲主要集中在其兩端[13]，而對(duì)電容器組兩端等效為線源，若電容器組有n層，則有2n個(gè)線源，線源之間的垂直距離即電容器組層之間的距離。由于電容器噪聲有明顯的指向性，采用本文建模方法明顯比將電容器組等效為一個(gè)垂直線源或等效為幾個(gè)面源的方法更加科學(xué)，在電容器組安裝時(shí)，可考慮將其端部避開換流站站界或周圍敏感點(diǎn)，達(dá)到不需要改造設(shè)備就可降低噪聲的影響目的。

2.3 電抗器噪聲特性分析

在B換流站交流濾波器場(chǎng)選取了2種不同型號(hào)的電抗器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，電抗器1主要用于濾除11次諧波，電抗器2主要用于濾除24次諧波，監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖見圖7。

圖7 B換流站監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖Fig.7 Monitoring layout of B converter station

測(cè)試時(shí)距電抗器水平距離為5 m，電抗器1測(cè)試離地高度為1.8 m，電抗器2測(cè)試離地高度為1.2 m。根據(jù)B換流站測(cè)試數(shù)據(jù)，交流濾波場(chǎng)電抗器1振動(dòng)特征譜約為550 Hz，為11次諧波頻率。由圖8和圖9可知，交流濾波場(chǎng)電抗器2振動(dòng)特征譜約為1 200 Hz，為24次諧波頻率。因此可以判斷，電抗器1的特征譜點(diǎn)為550 Hz，電抗器2的特征譜點(diǎn)為1 200 Hz，在以上頻率點(diǎn)噪聲與振動(dòng)具有較好的相關(guān)性。

圖8 交流濾波器場(chǎng)電抗器1照片及測(cè)試結(jié)果Fig.8 AC filter field reactor 1 photo and test result

圖9 交流濾波器場(chǎng)電抗器2照片及測(cè)試結(jié)果Fig.9 AC filter field reactor 2 photo and test result

因此，交流濾波器場(chǎng)電抗器振動(dòng)和噪聲特征頻率與其所承擔(dān)的濾除諧波頻率相對(duì)應(yīng)，具有較強(qiáng)的相關(guān)性，在建模計(jì)算時(shí)應(yīng)重點(diǎn)對(duì)其特征譜點(diǎn)正確賦值。

除交流濾波器場(chǎng)電抗器外，B換流站還有2臺(tái)油浸式平波電抗器，與換流變壓器平行布置在閥廳的兩側(cè)，其外形和普通變壓器類似，可以對(duì)其進(jìn)行近距離聲壓級(jí)測(cè)試，但未能對(duì)其振動(dòng)頻譜進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。而現(xiàn)今特高壓換流站不再使用油浸式平波電抗器，而是使用干式平波電抗器，該類型電抗器布置在直流場(chǎng)區(qū)域。根據(jù)干式平波電抗器的工作原理，其正常運(yùn)行時(shí)流過(guò)低端平波電抗器的電流很小甚至為零，因此低端平波電抗器的噪聲影響可以忽略，減少了建模計(jì)算量。

干式平波電抗器、交流場(chǎng)濾波電抗器、直流場(chǎng)電抗器均可等效為柱面源，若預(yù)測(cè)換流站站界噪聲，可以將其等效為點(diǎn)聲源。

2.4 變電架構(gòu)電暈噪聲特性分析

可采用聲成像法和小波分析法對(duì)換流站變電架構(gòu)電暈噪聲進(jìn)行識(shí)別。

第一種聲成像法即采用一定數(shù)量的聲傳感器組成一定的陣列，對(duì)噪聲源進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，以圖像顯示出結(jié)果。該方法適合于高大噪聲源的監(jiān)測(cè)和識(shí)別。

在對(duì)變電站架構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，可將其發(fā)聲最明顯的部位簡(jiǎn)化為點(diǎn)源，而其他部位的噪聲影響可以忽略，畢竟構(gòu)架的電暈噪聲明顯低于換流站內(nèi)其他噪聲。

另一種方法為小波分析法，首先在變電架構(gòu)附近錄取所有噪聲信號(hào)，利用變電架構(gòu)電暈噪聲的短時(shí)脈沖特性，采用小波分析法進(jìn)行電暈噪聲分離[12]。

2.5 C換流站噪聲計(jì)算結(jié)果分析

以C換流站為例，對(duì)換流站內(nèi)圍墻、建筑物和主要設(shè)備按實(shí)體尺寸建模。C換流站主要噪聲源源強(qiáng)見表3。

表3 C換流站主要噪聲源噪聲強(qiáng)度Table 3 Noise intensity of the main noise sources in C converter station

同時(shí)對(duì)C換流站大門側(cè)及4組交流濾波器電容器組側(cè)靠換流站圍墻內(nèi)側(cè)噪聲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距圍墻水平距離1 m，測(cè)點(diǎn)高度為1.8 m,監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖見圖10，監(jiān)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知，采用本文所提出的噪聲源識(shí)別與建模預(yù)測(cè)技術(shù)，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的吻合性。

圖10 C換流站噪聲實(shí)測(cè)布點(diǎn)圖Fig.10 Noise monitoring layout of C converter station

3 結(jié)論

成功識(shí)別了特高壓換流站內(nèi)換流變壓器噪聲特性，其優(yōu)勢(shì)頻點(diǎn)為400 Hz，占整個(gè)頻譜噪聲貢獻(xiàn)值的90%以上，且其聲壓級(jí)頻譜與振動(dòng)頻譜具有高度的相關(guān)性，從而識(shí)別出換流變壓器對(duì)環(huán)境的影響以低頻噪聲為主。成功識(shí)別了交流濾波器場(chǎng)電抗器噪聲特性，其優(yōu)勢(shì)頻點(diǎn)與其所濾除的諧波頻率相一致，如濾除24次諧波，則優(yōu)勢(shì)頻點(diǎn)為1 200 Hz，同樣其聲壓級(jí)頻譜與振動(dòng)頻譜具有高度相關(guān)性。對(duì)交流濾波器場(chǎng)電容器組的振動(dòng)測(cè)試方法提出了改進(jìn)方法。對(duì)換流變壓器的建模技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，將其等效為5個(gè)面源，并按其優(yōu)勢(shì)頻譜進(jìn)行賦值，再考慮其在有限空間內(nèi)的多次反射疊加效應(yīng)，使預(yù)測(cè)結(jié)果更加科學(xué)。根據(jù)交流濾波器場(chǎng)電容器組的兩端指向特性，將每排電容器組等效為兩端平行的線聲源建模，同樣提高了噪聲預(yù)測(cè)水平。

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