750kV變電站電暈噪聲的影響與防治?

吳 健 趙亞林 耿明昕 劉志遠(yuǎn) 王 綠 薛志偉 王 帆

(1 西安交通大學(xué) 西安 710049)

(2 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院 西安 710054)

(3 國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司 銀川 750001)

(4 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 西安 710048)

(5 大唐寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司 寶雞 721000)

0 引言

西北地區(qū)已建成750 kV等級(jí)的骨干網(wǎng)架，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明部分750 kV 變電站電暈噪聲嚴(yán)重[1]。電暈噪聲的防治已經(jīng)成為750 kV 變電站噪聲控制的重要挑戰(zhàn)。

電暈噪聲由電暈放電引起，根本原因是導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度超過起暈場(chǎng)強(qiáng)，最終導(dǎo)致帶電導(dǎo)體向空氣中放電。電暈噪聲估算主要依托peek 公式，但該公式針對(duì)輸電線路，對(duì)于變電站內(nèi)分散的電暈點(diǎn)噪聲預(yù)測(cè)并不準(zhǔn)確，無法用于分析電暈噪聲對(duì)變電站聲環(huán)境的影響。目前電暈噪聲的研究使用最多的還是紫外成像測(cè)量[2?3]或者噪聲現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[4?5]，相關(guān)研究表明，500 kV 母線區(qū)電暈噪聲水平可達(dá)50 dB(A)，其中母線間隔棒、局部母線表面存在電暈放電[6]；1000 kV 變電站內(nèi)耐張絕緣子串金具和母線終端球表面場(chǎng)強(qiáng)較大，容易發(fā)生電暈[7]?？傮w而言，電暈噪聲問題主要集中在超高壓變電站中，尤其是750 kV變電站最為突出。變電站電暈噪聲的研究大都集中在聲源定位、起暈電壓計(jì)算等方面，缺乏電暈噪聲對(duì)變電站聲環(huán)境影響的整體認(rèn)知。對(duì)于因電暈噪聲引起的變電站噪聲超標(biāo)，目前仍缺乏系統(tǒng)的治理方法，特別是750 kV變電站多為樞紐變電站，不具備大范圍停電、大批量更換導(dǎo)線金具的條件，這使得750 kV變電站電暈噪聲防治成為制約綠色電網(wǎng)建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)。

本文以西北某750 kV變電站為例，使用紫外成像儀定位了36處主要電暈噪聲點(diǎn)，基于噪聲實(shí)測(cè)和全站聲場(chǎng)仿真分析，研究了電暈噪聲對(duì)變電站聲環(huán)境的影響。針對(duì)主要電暈點(diǎn)的實(shí)際情況，提出了具體的電暈噪聲防治措施。治理措施在該站750 kV I母第6 間隔電暈噪聲治理中獲得實(shí)際應(yīng)用，治理后I 母線下噪聲平均降低1.1 dB(A)，鄰近處廠界噪聲平均降低3.3 dB(A)，取得了較為明顯的效果。

1 電暈噪聲點(diǎn)定位及其影響分析方法

1.1 電暈噪聲點(diǎn)定位

使用OFIL Superb 紫外成像儀在全站共定位750 kV 電暈點(diǎn)36 處，330 kV 電暈點(diǎn)6 處，按照發(fā)聲體類型可分為以下4 類：(1)二分裂導(dǎo)線；(2)間隔棒；(3)均壓環(huán)；(4)終端球。

典型設(shè)備的定位圖如圖1所示。其中二分裂導(dǎo)線和間隔棒電暈點(diǎn)沿導(dǎo)線方向周期性出現(xiàn)，呈現(xiàn)典型的線聲源特性，均壓環(huán)和終端球呈現(xiàn)典型的點(diǎn)聲源特性。

圖1 電暈點(diǎn)定位結(jié)果Fig.1 Corona point location result

1.2 電暈噪聲影響分析方法

在不考慮變電站聲源指向性的情況下[8]，聲功率為L(zhǎng)W的噪聲源在廠界測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生的聲壓級(jí)Lp可以表示為

其中，Adiv為幾何發(fā)散引起的衰減；Aatm為大氣吸收引起的衰減；Agr為地面效應(yīng)引起的衰減；Abar為加屏障引起的衰減；Amusc為其他效應(yīng)引起的衰減。

對(duì)于均壓環(huán)和終端球等點(diǎn)狀電暈噪聲源，可以認(rèn)為是自由場(chǎng)中傳播的球面擴(kuò)展引起的。幾何發(fā)散衰減可以表示為

其中，d為電暈噪聲源到廠界測(cè)點(diǎn)處的距離，m；d0為參考距離，為1 m。

考慮到750 kV 變電站聲源眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文采取實(shí)測(cè)與仿真分析相結(jié)合的方法研究電暈噪聲對(duì)變電站聲環(huán)境的影響。在實(shí)測(cè)方法中，對(duì)比了極端情況下(存在/不存在電暈噪聲)變電站構(gòu)架區(qū)及廠界處噪聲的情況，分析了電暈噪聲的影響。在仿真分析方法中，本文采用soundPLAN7.4 建立了全站聲場(chǎng)模型，分析計(jì)算了主設(shè)備噪聲和電暈噪聲對(duì)變電站聲環(huán)境的影響，得出了主設(shè)備噪聲和電暈噪聲在廠界噪聲中的聲能量占比，仿真分析方法的框圖如圖2所示。

圖2 電暈噪聲影響的仿真分析方法Fig.2 Simulation analysis method for the influence of corona noise

2 電暈噪聲對(duì)聲場(chǎng)分布的影響

2.1 母線電暈噪聲影響實(shí)測(cè)

為分析電暈放電對(duì)變電站聲場(chǎng)分布[9]的影響，使用B&K2250聲級(jí)計(jì)分別實(shí)測(cè)了該750 kV變電站I母、II母投運(yùn)和停電期間的線下噪聲及鄰近處廠界噪聲。在晴好天氣下進(jìn)行測(cè)量，同一測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)量3 次1 min 等效連續(xù)A 聲級(jí)，以平均值作為該點(diǎn)的測(cè)量值。測(cè)點(diǎn)布置如圖3、圖4所示，其中線下噪聲測(cè)點(diǎn)選在母線與出線交跨點(diǎn)正下方，距離地面高度2 m。鄰近處廠界噪聲選在各導(dǎo)線正對(duì)位置，位于圍墻外1 m處，高度1.2 m。

圖3 I 母線下及鄰近處廠界噪聲測(cè)點(diǎn)Fig.3 Noise measurement points under bus I and nearby boundary

圖4 II 母線下及鄰近處廠界噪聲測(cè)點(diǎn)Fig.4 Noise measurement points under bus II and nearby boundary

各測(cè)點(diǎn)的噪聲值如圖5、圖6所示。

圖5 I 母線下及鄰近處廠界噪聲測(cè)量值曲線Fig.5 Noise value under bus I and nearby boundary

圖6 II 母線下及鄰近處廠界噪聲測(cè)量值曲線Fig.6 Noise value under bus II and nearby boundary

可見，停電前后線下噪聲和鄰近處廠界噪聲差別較大，其中停電后I 母線下噪聲平均降低8.2 dB(A)，鄰近處廠界噪聲平均降低7.0 dB(A)；II母線下噪聲平均降低5.4 dB(A)，鄰近處廠界噪聲平均降低2.9 dB(A)；充分說明電暈噪聲為該處噪聲的主要來源。

2.2 全站電暈噪聲影響仿真

考慮到在運(yùn)變電站構(gòu)架區(qū)停電困難，因此采用仿真模擬[10?11]的方法分析電暈噪聲對(duì)聲場(chǎng)分布的影響，在soundPLAN[12?14]中建立750 kV 變電站聲場(chǎng)仿真模型。其中變壓器、電抗器等主設(shè)備按照體聲源建模，各設(shè)備的聲功率級(jí)分別依照《電力變壓器第10部分：聲級(jí)測(cè)定》[15]的要求進(jìn)行測(cè)量及計(jì)算；42 處電暈點(diǎn)根據(jù)發(fā)聲體尺寸的不同，將軟母線、跳線、引下線、出線等線狀發(fā)聲體按照線聲源建模，將終端球、軟連接、均壓環(huán)、引下線二變一金具等按照點(diǎn)聲源建模，各聲源源強(qiáng)依照《高壓輸電線路和變電站噪聲的傳聲器陣列測(cè)量方法》的要求進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行聲功率計(jì)算。本文所建模型中參數(shù)取值如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

按照以上模型計(jì)算得出的考慮主設(shè)備和電暈噪聲的750 kV變電站綜合聲場(chǎng)分布如圖7所示。為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，將仿真計(jì)算得出的廠界噪聲與實(shí)測(cè)廠界噪聲對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

圖7 變電站綜合聲場(chǎng)分布Fig.7 Substation sound field distribution induced by main equipments and corona

由表2可知，本模型得出預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值差值基本控制在1.5 dB(A)以內(nèi)，保證了模型的準(zhǔn)確性，可以依據(jù)該模型開展聲場(chǎng)仿真分析。當(dāng)不考慮電暈噪聲時(shí)，全站主要噪聲源全部為主設(shè)備，包括2組主變壓器和2組高壓電抗器，此時(shí)全站聲場(chǎng)分布如圖8所示。

表2 預(yù)測(cè)噪聲與實(shí)測(cè)噪聲對(duì)比Table 2 Comparison of predicted noise and measured noise

圖8 僅考慮主設(shè)備時(shí)變電站聲場(chǎng)分布Fig.8 Substation sound field distribution induced by main equipments

僅考慮高空聲源時(shí)，全站聲源包括36處750 kV電暈噪聲源和6 處330 kV 電暈噪聲源，此時(shí)全站聲場(chǎng)分布如圖9所示。

圖9 僅考慮電暈噪聲時(shí)變電站聲場(chǎng)分布Fig.9 Substation sound field distribution induced by corona

部分廠界測(cè)點(diǎn)處綜合噪聲值、主設(shè)備噪聲貢獻(xiàn)值、電暈噪聲貢獻(xiàn)值如表3所示。

表3 部分廠界測(cè)點(diǎn)處噪聲值Table 3 Noise value at the boundary

對(duì)比圖7～9 發(fā)現(xiàn)，考慮電暈噪聲后變電站聲場(chǎng)分布顏色明顯加深，表明電暈噪聲對(duì)該站的聲場(chǎng)分布有較大影響，結(jié)合表3部分測(cè)點(diǎn)的噪聲值分析結(jié)果可知：(1)電暈噪聲在部分測(cè)點(diǎn)處貢獻(xiàn)占比可達(dá)85%以上，成為局部區(qū)域的主導(dǎo)噪聲源；(2)部分測(cè)點(diǎn)處僅考慮主設(shè)備噪聲時(shí)廠界噪聲達(dá)標(biāo)，疊加電暈噪聲后則可能出現(xiàn)超標(biāo)(如750 kV出線下)，因此在進(jìn)行噪聲分析及降噪方案編制中必須考慮電暈噪聲的影響，才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 不同電暈噪聲點(diǎn)的成因及防治

電暈放電由導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)超過起暈場(chǎng)強(qiáng)引起，因此電暈噪聲防治就是要采取一定的措施降低導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)，從而達(dá)到降低電暈的目的[16?19]。對(duì)于該站來說，引起導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度增高的原因不盡相同，治理措施也需要根據(jù)電暈成因進(jìn)行討論，具體的該站4類主要電暈點(diǎn)及其防治措施詳述如下。

3.1 二分裂導(dǎo)線

二分裂導(dǎo)線主要包括母線、進(jìn)出線等，在站內(nèi)呈三層交跨結(jié)構(gòu)布置，如圖10 所示。二分裂導(dǎo)線受鄰近帶電體的相互影響，表面電場(chǎng)強(qiáng)度高于導(dǎo)線單獨(dú)存在時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而出現(xiàn)電暈放電。對(duì)750 kV 二分裂導(dǎo)線進(jìn)行表面電場(chǎng)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，其最大表面場(chǎng)強(qiáng)約為28.5 kV/cm，綜合考慮到海拔等因素，實(shí)際上站內(nèi)二分裂導(dǎo)線已處于起暈狀態(tài)。

圖10 母線區(qū)域?qū)Ь€的三層交跨結(jié)構(gòu)Fig.10 Three-layer crossover structure in busbar area

二分裂導(dǎo)線的電暈噪聲防治采用等效擴(kuò)徑的方法，通過增大導(dǎo)線表面曲率半徑降低電場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低電暈噪聲。具體的，可以通過加裝預(yù)絞絲、刷防電暈涂料[20]等方式進(jìn)行處理。

3.2 間隔棒

間隔棒放電點(diǎn)主要集中在端部開口處，如圖11 所示。相關(guān)研究表明，電暈放電程度與開口角度直接相關(guān)，開口角度為15°時(shí)，表面場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)41.7 kV/cm，可造成嚴(yán)重電暈放電，帶來電暈噪聲[6]。

圖11 二分裂間隔棒端部存在間隙Fig.11 Gap at the end of the spacer

間隔棒的電暈噪聲防治有兩個(gè)方面：一是在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)選擇端部開口較小的間隔棒，二是在設(shè)備安裝時(shí)應(yīng)盡可能緊固螺絲，將開口間隙控制在1 mm以內(nèi)。

3.3 均壓環(huán)

均壓環(huán)放電點(diǎn)主要集中在環(huán)外側(cè)底端，圖12為更換下來的750 kV 均壓環(huán)，可見表面污穢嚴(yán)重[21?22]，且存在明顯燒蝕痕跡，分析原因有：(1)受雨污影響，污穢更易在底端聚集；(2)均壓環(huán)環(huán)徑或管徑過小。

圖12 750 kV 均壓環(huán)Fig.12 750 kV equalizing ring

為防治均壓環(huán)電暈噪聲，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮鄰近物體對(duì)均壓環(huán)表面電場(chǎng)的影響，在環(huán)徑和管徑選擇上留夠裕量，同時(shí)應(yīng)注意運(yùn)行期的檢修維護(hù)，保持表面清潔。

3.4 終端球

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，放電終端球均污穢嚴(yán)重，且存在一定程度的損傷，如圖13所示。

圖13 終端球表面存在損傷Fig.13 Surface damage of terminal ball

為防治終端球電暈噪聲，應(yīng)盡可能保持球面清潔，對(duì)因表面損傷導(dǎo)致電暈放電的終端球，應(yīng)及時(shí)更換。

4 工程應(yīng)用

以該變電站鄰近廠界的750 kV I 母第六間隔為例，采取本文所提出的噪聲控制方法進(jìn)行電暈噪聲治理，通過實(shí)測(cè)該間隔線下噪聲和鄰近處廠界噪聲，驗(yàn)證電暈噪聲控制方法的準(zhǔn)確性。

所采取的降噪措施匯總?cè)绫?所示。

表4 降噪措施匯總Table 4 Summary of noise reduction measures

治理前后I 母第6 間隔線下及鄰近處廠界測(cè)點(diǎn)噪聲實(shí)測(cè)值如圖14所示。

圖14 治理前后噪聲對(duì)比Fig.14 Noise comparison before and after treatment

治理后I 母線下噪聲平均降低1.1 dB(A)，鄰近處廠界噪聲平均降低3.3 dB(A)，效果較為顯著，證明了本文提出電暈噪聲治理方案的準(zhǔn)確性。進(jìn)一步分析可知，測(cè)點(diǎn)1～3 靠近第5 間隔(未采取降噪措施)，因此降幅較??；隨著測(cè)點(diǎn)距離其余未治理間隔的距離增大，本次治理的降噪效果逐漸顯現(xiàn)，其中測(cè)點(diǎn)4～6 平均降低1.3 dB(A)，測(cè)點(diǎn)7～9 平均降低1.7 dB(A)，廠界測(cè)點(diǎn)受治理間隔影響最大，平均降低3.3 dB(A)。

5 結(jié)論

本文基于西北某750 kV 變電站紫外成像和噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果，分析了電暈噪聲對(duì)變電站聲場(chǎng)的影響。針對(duì)主要電暈點(diǎn)的實(shí)際情況，分析了電暈產(chǎn)生的原因，提出了具體的電暈噪聲防治措施。治理措施在該站750 kV I母第6 間隔電暈噪聲治理中獲得實(shí)際應(yīng)用，取得了較為明顯的效果，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。主要結(jié)論有：

(1)750 kV 變電站電暈點(diǎn)主要有二分裂導(dǎo)線、間隔棒、均壓環(huán)、終端球等。

(2)電暈噪聲可成為局部區(qū)域的主導(dǎo)噪聲源，并引起噪聲超標(biāo)。在進(jìn)行噪聲分析及降噪方案編制中必須考慮電暈噪聲的影響，才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

(3)不同類型電暈放電產(chǎn)生的原因不同，應(yīng)開展針對(duì)性治理。其中二分裂導(dǎo)線采用等效擴(kuò)徑的方法，通過增大導(dǎo)線表面曲率半徑降低電場(chǎng)強(qiáng)度；二分裂間隔棒應(yīng)將開口間隙控制在1 mm 以內(nèi)；均壓環(huán)在環(huán)徑和管徑選擇上留夠裕量，同時(shí)應(yīng)注意運(yùn)行期的檢修維護(hù)，保持表面清潔；對(duì)存在缺陷的終端球應(yīng)及時(shí)更換。

(4)本文所提出的電暈噪聲治理方法，可有效降低線下噪聲和鄰近處廠界噪聲，為750 kV變電站電暈噪聲治理提供了新的解決方案。