特高壓分裂導(dǎo)線中的電暈噪聲測量方法研究

劉元慶，馮濤，姜脈哲，史麗鵬，張景晨

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.北京工商大學(xué)，北京 100048）

為破解我國用電負(fù)荷中心和能源基地發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀，同時為滿足未來社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用電需求，我國提出并建設(shè)了多條特高壓交直流輸電工程。在特高壓直流輸電工程方面，國家電網(wǎng)公司已經(jīng)建成向家壩—上海、錦屏—蘇南、哈密—鄭州、溪洛渡—浙江等多條±800kV特高壓直流輸電工程并投入運(yùn)行，并已建成國際上首條±1100kV特高壓直流輸電工程。

對于特高壓直流輸電線路，線路電暈引起的電磁環(huán)境已成為決定特高壓線路結(jié)構(gòu)和走廊的制約性因素，特別是電暈產(chǎn)生的可聽噪聲，不僅直接決定了導(dǎo)線選型，更是環(huán)保部門和廣大民眾倍加關(guān)注的問題，對其研究具有重要的社會效益[1]。為研究我國的超/特高壓直流線路電暈效應(yīng)特性，國家電網(wǎng)公司在北京市昌平區(qū)建設(shè)了特高壓直流試驗基地。早期設(shè)計時，該試驗基地周邊的環(huán)境噪聲較小，隨著北京城市規(guī)模的擴(kuò)大和城市人口的不斷增加，該試驗基地周邊的環(huán)境越來越復(fù)雜，由此導(dǎo)致周邊的環(huán)境噪聲也日益復(fù)雜。特高壓直流電暈籠和試驗線段位于該基地內(nèi)，可聽噪聲試驗作為特高壓直流試驗的重要組成部分，其周圍環(huán)境噪聲情況將嚴(yán)重影響特高壓直流試驗線路的電暈可聽噪聲測試和研究工作。

在開展輸電線路的電暈可聽噪聲測試時，不可避免地會受到周圍環(huán)境噪聲的影響，其中包括周圍的汽車等交通運(yùn)輸聲，施工工地上的機(jī)器聲，家畜、鳥類和昆蟲的叫聲等。當(dāng)導(dǎo)線電暈產(chǎn)生的可聽噪聲比較小時，環(huán)境噪聲的存在將會嚴(yán)重影響可聽噪聲測試工作[2]。如測量位置盡量靠近聲源，其所測結(jié)果的信噪比肯定會更高，由此，本項目嘗試了使用分裂導(dǎo)線內(nèi)的電暈噪聲測量方法。在高壓分裂導(dǎo)線附近實現(xiàn)電暈噪聲測量，需要解決兩個關(guān)鍵問題，一是要采取相應(yīng)保護(hù)措施防止測量儀器被高壓擊穿；二是要實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的長時記錄。本次實驗為聲級計設(shè)計添加防擊穿保護(hù)措施，將其放置于導(dǎo)線附近，在高壓電纜附近完成電暈噪聲的測量，從而得到電暈噪聲的近場聲壓測量結(jié)果。

1 高壓輸電線路的電暈噪聲測量方法

傳統(tǒng)上對高壓輸電線路的電暈噪聲進(jìn)行測試時，傳聲器放置在垂直于輸電線路的檔距中央平面內(nèi)，離地面1.5m高，并朝向正極性導(dǎo)線。一般輸電線路電暈產(chǎn)生的噪聲較小，經(jīng)過空間衰減后很容易被環(huán)境噪聲影響，因而其測量值的可靠性得不到保證[3、4]。

本文提出了在分裂導(dǎo)線內(nèi)部測量線路產(chǎn)生可聽噪聲的方法，見圖1，電暈近場噪聲的測量通過B&K2250聲級計完成，為防止儀器被高壓擊穿，將其放置于雙層金屬籠內(nèi)，防擊穿金屬籠置于八分列高壓導(dǎo)線纜的中間位置。

圖1 電暈噪聲近場測量裝置示意圖

將聲級計和電腦的系統(tǒng)時間進(jìn)行設(shè)置，使其同步，并對聲級計內(nèi)部軟件定時器進(jìn)行設(shè)置，使其可以在無人狀態(tài)下進(jìn)行信號記錄。為驗證聲級計的記錄時間，曾將聲級計電量充滿后，設(shè)置定時器從晚11點開始記錄，記錄至第二天早晨7點，共計8h，并將聲級計放置于室外約3℃的環(huán)境中進(jìn)行模擬測試，測試結(jié)束后聲級計電量剩余約1/3，說明在溫度較低的情況下聲級計工作8h是沒有問題的。

2 防電暈裝置設(shè)計

根據(jù)法拉第籠原理，將導(dǎo)體放在電場強(qiáng)度為E1的外電場中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場力的作用下，會逆電場方向運(yùn)動。這樣，導(dǎo)體的負(fù)電荷分布在一邊，正電荷分布在另一邊，這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。由于導(dǎo)體內(nèi)的電荷重新分布，這些電荷在與外電場相反方向形成另外一個電場，電場強(qiáng)度為E2。根據(jù)疊加原理，導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度等于E1和E2的疊加。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部總電場強(qiáng)度為零時，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再移動。物理學(xué)中將導(dǎo)體中沒有電荷移動的狀態(tài)叫做靜電平衡。處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部電場強(qiáng)度為零。由此可知，處于靜電平衡的導(dǎo)體，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面，所以可將籠內(nèi)的物體保護(hù)起來。因為項目方的工作環(huán)境是在高電壓下，而且實驗儀器含有金屬部分，不采取保護(hù)措施儀器將會被擊穿，所以根據(jù)法拉第籠原理，設(shè)計了一個金屬籠，將聲級計放在金屬籠內(nèi)，以防止被擊穿，從而保證試驗正常進(jìn)行。

根據(jù)法拉第籠原理，選擇了金屬網(wǎng)狀半球作為這次制作法拉第籠的主要組成部分，所選的金屬網(wǎng)狀半球網(wǎng)孔較密集，這樣就增大了安全及可靠性，而且外側(cè)帶有金屬環(huán)，方便最終實際測量時對金屬籠的固定。金屬網(wǎng)狀半球的底部帶有支撐腳，可以很大程度保持不同層金屬網(wǎng)狀半球之間的間隔相對均勻，方便多層設(shè)計，金屬網(wǎng)狀半球，見圖2。

圖2 網(wǎng)狀金屬半球面

聲級計固定在金屬網(wǎng)狀半球內(nèi)的方式是用銅絲將竹簽垂直固定在金屬網(wǎng)狀半球的最大切面上，然后用自鎖式尼龍扎帶將聲級計固定在竹簽上，盡量保證所固定的聲級計處于金屬籠的中央部位，使用自鎖式尼龍扎帶是因為其固定牢固，使用方便，裝卸聲級計簡單。聲級計固定在金屬網(wǎng)狀半球內(nèi)的狀態(tài)見圖3。然后把金屬籠另外一半的金屬網(wǎng)狀半球蓋上，組合成一個完整的金屬籠，兩半金屬網(wǎng)狀半球使用銅絲固定，為了增加金屬籠在實驗過程中的可靠性，以及加強(qiáng)對聲級計的保護(hù)，最終采用雙層的金屬籠設(shè)計方法，見圖4。

圖3 聲級計固定方式

圖4 雙層金屬籠

在現(xiàn)場測量時，將兩層金屬網(wǎng)狀半球的另一半采用銅絲固定在一起，盡量保證內(nèi)層與外層的金屬網(wǎng)狀球面間隔均勻。最終合并在一起的金屬籠實物圖見圖4。將聲級計的定時器設(shè)置好后固定在雙層球狀金屬籠中，放置于電暈籠的高壓電纜束的中央位置，從最近距離實現(xiàn)電暈噪聲聲壓測試。

3 防電暈罩對測量結(jié)果的影響

防擊穿罩的存在必然會對電暈噪聲的測量產(chǎn)生一定的影響，為研究這種影響的大小，設(shè)計了如圖5所示的實驗。傳聲器1距離聲源特定距離，分無防擊穿罩和有防擊穿罩兩種情況進(jìn)行測試，其中，有防擊穿罩的情況又按照傳聲器振膜與聲源的相對位置分為正對、背對、朝左和朝右4種情況。

圖5 實驗示意圖

測試實際裝置見圖6，聲源發(fā)出白噪聲信號，測量兩類工況下聲壓測量結(jié)果之間的傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)計算結(jié)果見圖7，從圖7中可看出，25kHz以下頻段，各種測量位置傳遞函數(shù)多小于0.5dB，只是在個別頻率處超過0.5dB，但20kHz以下的所有頻段，都沒有超過3dB。測試結(jié)果表明，防擊穿罩對測量結(jié)果的影響較小。

圖6 測試實際裝置

圖7 傳遞函數(shù)

4 實測結(jié)果分析

測試時間是2017年12月18日夜里，測試數(shù)據(jù)從前1天20:30開始，直至第二天5:54結(jié)束。在測試之前，完成測量裝置的設(shè)置和安裝，安裝位置見圖8。

圖8 近場測量安裝位置

將分裂導(dǎo)線內(nèi)聲級計的測量結(jié)果與籠體上自動測量系統(tǒng)的測量結(jié)果進(jìn)行對比，可得如圖9所示的結(jié)果。

圖9 分裂導(dǎo)線內(nèi)的測量結(jié)果與籠體上的測量結(jié)果對比

從圖9可以看出，分裂導(dǎo)線內(nèi)聲級計的噪聲測量結(jié)果比籠體上自動測量系統(tǒng)的噪聲測量結(jié)果大6.5～11dB（A）。由于籠體上的測量探頭與等效聲源的距離大約是分裂導(dǎo)線內(nèi)測量探頭與子導(dǎo)線距離的10倍，在此距離下的線聲源噪聲衰減量為10dB（A），與實測結(jié)果基本一致。因為分裂導(dǎo)線內(nèi)的噪聲測量結(jié)果的信噪比更高，但由于其與常規(guī)的噪聲測量結(jié)果的差值不固定，因而較難直接用于精確的線路噪聲測量中，本文所提出的特高壓分裂導(dǎo)線中的電暈噪聲測量方法可用于導(dǎo)線電暈噪聲的起暈研究中。

5 結(jié)語

本文研究了高壓直流輸電線路導(dǎo)線附近的電暈噪聲測量方法，解決了在高壓導(dǎo)線附近實現(xiàn)電暈噪聲測量的兩個關(guān)鍵問題，設(shè)計制作了防電暈罩，保護(hù)測量儀器不發(fā)生電暈放電，完成了防電暈罩對聲壓測試影響的研究，實際檢驗了聲級計的長時間記錄能力和低溫耐受能力，完成了高壓分裂導(dǎo)線近場電暈噪聲的測量，并與籠體上的測量結(jié)果進(jìn)行了對比分析。