不同外徑輸電線風噪聲的試驗研究

朱云祥, 沈國輝, 陳梁金, 高志林, 張 揚

(1. 國網浙江省電力公司，杭州 310007; 2. 浙江大學 建筑工程學院，杭州 310058；3. 中能建浙江省電力設計院有限公司, 杭州 310007)

隨著電力系統的高速發展，架空輸電線路因其能適應多種地形而被廣泛應用，但因選址等問題很多線路架設無法避開人口密集區域，由此產生的環境噪聲問題如風噪聲等影響著當地居民日常生活，也開始受到社會關注，在20世紀90年代左右日本就已有相關報道[1]，在某地區的居民投訴風噪聲類似于飛機過境時的“吼叫”，明顯不同于環境背景噪聲，嚴重影響了他們的作息生活。近年來在國內如溫州某山區也出現了相關投訴，周邊居民反映新建線路在大風時產生嘯叫聲。

輸電線風噪聲的現場實測目前還沒有報道，現場只能測電暈噪聲，1996年Kazuo等[2]就進行了Akagi試驗線測量，給出了8分裂導線的電暈噪聲和“隨機噪聲”。通常采用風洞試驗方法研究風噪聲問題。Tsujimoto等測試了普通導線、光滑圓柱和多種異形股導線的風噪聲水平，同時試驗了多種突起高度和突起角度的異形股導線風噪聲性能；Osamu等[3]進行了二維流圓柱的風噪聲試驗，解釋了風噪聲的成因；Fujita[4-5]進行了添加不同端板類型的圓柱噪聲風洞試驗，沿試件布置了多測點獲得表面風壓并計算升力、阻力，測量了聲壓級與測點距離關系；Iglesias等[6]對比了不同形狀橢圓桿在不同風攻角下的風噪聲特性，給出了頻譜、聲壓級等隨傾角、風攻角和測點方向等參數的變化關系；Hutcheson等[7]研究了多種工況下湍流度對圓形桿件風噪聲的影響，分析了單根和多根不同擺放的圓桿風噪聲；Geyer等[8]進行了針對圓柱風噪聲進行了包裹多孔材料的風噪聲降噪措施研究。在國內，尤傳永等[9-10]綜述了輸電線風噪聲的機理及低噪聲導線的開發，沈國輝等[11-12]通過數值模擬和風洞試驗給出了圓截面桿件的風噪聲特性。以上試驗主要針對圓柱截面試件進行研究，沒有針對不同尺寸的輸電線試件進行系統研究，同時也未給出輸電線和光滑圓柱風噪聲特性的異同點。

基于以上背景，本文通過專門建造的聲學風洞，針對5種截面的輸電線進行4種常見風速的聲學風洞試驗，分析輸電線風噪聲在不同外徑、風速的頻譜特征，研究輸電線風噪聲卓越頻率、總聲壓級、A計權總聲壓級隨風速、外徑的變化規律，討論了相近外徑的輸電線和光滑圓柱風噪聲之間的差異，試驗結果為實際輸電線路風噪聲問題提供參考。

1 聲學風洞和試驗工況

試驗在浙江大學ZD-2聲學風洞中進行，其氣動輪廓圖如圖1(a)所示。該風洞包括動力段、擴散段、穩定段和消聲段等多個部分，試驗風速范圍為0.5～35 m/s。試驗段的進風口尺寸為0.4 m×0.25 m，半消聲室尺寸為2.8 m×2.8 m×2.6 m，如圖1(b)所示，吸聲尖劈截止頻率為200 Hz，經標定室內本底噪聲小于25 dB(A)。在圖1(b)的進風口和出風口處的風道左右兩側布置內壁面貼有吸聲海綿的端板形成二維流，以消除三維效應的影響。試驗構件放置在進風口中軸線處，截面中心距離進風口為47 cm。采樣點位于構件中心正上方83.5 cm處，采樣設備為1個高分辨率無指向性聲壓麥克風。

根據實際工程中常用的導、地線型號，選取5條典型輸電線試件進行風噪聲試驗，試件的表面經過清潔處理，長度均為60 cm，型號見表1，外徑Φ范圍為15.0～33.6 mm，試驗風速為10 m/s,15 m/s,20 m/s和25 m/s。麥克風采樣頻率為50 kHz，各工況采集時長為10 s。

(a) 輪廓圖

(b) 試驗段圖1 ZD-2聲學風洞介紹Fig.1 Layout of ZD-2 acoustic wind tunnel

型號計算外徑Φ/mm外層子線直徑/mmAACSR30/7/2.1215.02.12ASAR700MCM30/7/3.4924.13.49LGJ400/3526.63.22AAAC506-37/4.1829.34.18LGJ630/4533.64.20

試驗通過獲得的采樣點聲壓時程進行噪聲頻域分析。噪聲聲壓級(Sound Pressure Level)定義為

SPL=20 lg(p/pref)

(1)

式中:p為采樣點聲壓;pref為參考聲壓，即人的聽覺下限聲壓，為2×10-5Pa。通過累計各個倍頻段下的聲壓級，可得采樣點總聲壓級OASPL

(2)

式中：fmin為研究聲頻率的下限，一般為人的聽覺下限頻率20 Hz；fmax為研究聲頻率的上限，一般為人的聽覺上限頻率20 000 Hz。

對于圓柱繞流，斯特羅哈數St反映了繞流渦脫的頻率特征，定義為

St=fsD/V

(3)

式中：fs為漩渦脫落頻率；D為圓柱直徑；V為風速。通常雷諾數處于亞臨界的圓柱繞流中St數為0.2。

因人耳對聲音強弱的主觀感覺與聲壓級、頻率均有關，故常對獲得的聲音信號進行計權分析以與人的主觀感覺保持一致，常用A計權網絡對各頻帶聲壓級進行修正，獲得對應的A計權聲壓級，反映了人耳的聽覺感受，其計權特性曲線如圖2所示。

圖2 A計權特性曲線Fig.2 A-weighted characteristics curve

2 輸電線風噪聲的頻譜特征

2.1 輸電線風噪聲頻譜

根據獲得的風噪聲聲壓時程信息，通過傅里葉變換可得噪聲的頻域信息。圖3為風洞在4種風速下的背景噪聲聲壓級頻譜，由圖可見：在約200 Hz附近背景噪聲增大，推測為消聲室內的吸聲尖劈聲學特性引起，高于100 Hz時背景噪聲最大值基本在50 dB以內，背景噪音總體上較小，適合用于輸電線風噪聲的研究。

圖3 背景噪聲聲壓級頻譜 Fig.3 SPL spectrum of background noise

圖4為風速20 m/s時3種不同外徑輸電線風噪聲頻譜，外徑基本按9 mm遞增。由圖4可見：①在20 m/s風速時3種外徑輸電線的卓越聲壓級相差不大，均在65 dB左右；②33.6 mm外徑輸電線(LGJ 630/45)相比另外兩種較細外徑輸電線卓越聲壓級略微偏小，其原

圖4 20 m/s下3種輸電線風噪聲的聲壓級頻譜Fig.4 SPL spectrum of aeolian noise of three transmission lines at 20 m/s

因推測為該尺寸輸電線表面子線直徑更大，產生了更大的表面粗糙度而影響輸電線的卓越聲壓級；③輸電線的外徑越大，其卓越頻率越低。

選取典型外徑的輸電線加以分析，圖5為ASAR700輸電線(24.1 mm外徑)在10～25 m/s風速下的聲壓級頻譜。由圖5可見：①類似于光滑圓柱，輸電線在各個風速的聲壓級頻譜存在顯著峰值，其原因為輸電線總體仍為類圓柱構件，仍基本具有圓柱繞流的流動和聲學特性；②隨著風速的增長，輸電線風噪聲的卓越頻率逐步提高。

圖5 ASAR700輸電線風噪聲聲壓級頻譜Fig.5 SPL spectrum of aeolian noise of transmission line (ASAR700 type)

2.2 輸電線風噪聲卓越頻率

通過風噪聲的聲壓級頻譜，獲得各個工況下輸電線風噪聲的卓越頻率。圖6為各輸電線風噪聲卓越頻率隨風速的變化情況，由圖6可見：類似于光滑圓柱，輸電線風噪聲的卓越頻率隨著風速的增大基本呈線性增加，且隨輸電線外徑的增加，卓越頻率增長率下降；此外，因不同直徑的輸電線具有不同的表面形狀，導致了部分輸電線特別是尺寸較大的輸電線風噪聲卓越頻率并非嚴格按線性增加而是略有偏差，即導致出現了部分相交的情況。

圖6 五根輸電線風噪聲的卓越頻率Fig.6 Peak frequency of aeolian noise of five transmission lines

圖7為輸電線風噪聲卓越頻率隨外徑的變化情況，同時在圖中增加了理論曲線，該曲線基于式(3)計算，St數取0.2。由圖7可知：①輸電線風噪聲的卓越頻率隨著外徑增大而呈反比例減小；②輸電線卓越頻率與理論曲線對應外徑處的頻率值差距不大，其原因為：圓柱繞流風噪聲聲源主要為圓柱表面漩渦脫落產生的偶極子聲源，導致了風噪聲同漩渦脫落存在相關性，即風噪聲的卓越頻率幾乎與漩渦脫落頻率相同，但因輸電線表面并不是完全的光滑圓柱表面，因此兩種頻率會存在一定的偏差；③所有輸電線試件的風噪聲卓越頻率均在350 Hz內，主要為低頻噪聲，實際中表現為類似飛機過境的轟鳴聲。工程中常見導、地線外徑基本在本試驗輸電線試件的外徑范圍內，且一般線路設計風速多為20～30 m/s，同試驗風速差別不大，故試驗所得頻率結果可對類似工程問題提供參考。

圖7 五根輸電線風噪聲的卓越頻率Fig.7 Peak frequency of aeolian noise of five transmission lines

2.3 輸電線風噪聲的斯特羅哈數St

由風噪聲卓越頻率計算獲得相應St數，可得輸電線各工況St數隨雷諾數的變化情況，如圖8所示，圖中還給出Geyer針對外徑30 mm圓柱的聲學試驗結果。由圖8可見：①光滑圓柱的St數離散較小，略小于0.20左右，同亞臨界區圓柱繞流的一般取值一致，輸電線的St數離散較大，試驗最小值為0.176，最大值為0.216；②圓柱St數隨雷諾數增加呈現略微減小的趨勢，輸電線總體上則隨雷諾數增加呈現明顯增大的趨勢；當雷諾數大于4×104時輸電線St數大于光滑圓柱，其原因推測為輸電線表面的粗糙度產生流場變化，進而影響聲場而引起[13]。

圖8 五根輸電線的斯特羅哈數Fig.8 Strouhal number of five transmission lines

3 輸電線風噪聲的聲壓級

通過各工況的聲壓級頻譜獲得各輸電線的總聲壓級OASPL。圖9為輸電線風噪聲OASPL隨外徑的變化情況。由圖可見各風速下不同外徑的輸電線總聲壓級差異不明顯，也沒有明顯的變化規律，僅在風速15 m/s時外徑15 mm附近的兩種輸電線總聲壓級明顯大于較粗的輸電線。造成該結果的原因為風洞背景噪聲在低頻的聲壓級很大，同時還覆蓋了較寬的頻帶(由圖3可見在200 Hz以內均存在較大的背景噪聲)，對直接獲得的各工況總聲壓級產生很大的干擾。

圖9 五根輸電線風噪聲的總聲壓級Fig.9 OASPL of aeolian noise of five transmission lines

經A計權計算得到不同風速下的輸電線風噪聲總聲壓級OASPL(A)，圖10給出了輸電線風噪聲OASPL(A)隨外徑的關系。由圖10可見：①A計權總聲壓級較未計權總聲壓級下降了30～40 dB，參考圖2的A記權特性可知風噪聲信號以低頻為主；②A計權總聲壓級隨風速的增大而增大；③A計權總聲壓級基本呈現隨外徑增大而減小的趨勢，在高風速下更明顯，其原因主要為外徑越大，卓越頻率越小(見圖6)，根據圖2可知A記權的折減量越大。

圖10 五根輸電線風噪聲的A計權總聲壓級Fig.10 OASPL(A) of aeolian noise of five transmission lines

4 輸電線與光滑圓柱風噪聲對比

輸電線由于外表面為絞線形式，其風噪聲特性與光滑圓柱有一定的差異，本文針對相同外徑的輸電線和光滑圓柱進行對比研究。

4.1 頻譜特性對比

圖11為型號ASAR700MCM(外徑24.1 mm)的輸電線和外徑24 mm光滑圓柱在15～25 m/s風速下的噪聲聲壓級頻譜，圖中實線為輸電線，虛線為光滑圓柱。由圖11可見：①當風速為15～20 m/s時圓柱的卓越頻率略大于輸電線，當風速達到25 m/s時輸電線的卓越頻率(224 Hz)大于圓柱卓越頻率(204 Hz)；②兩者的聲壓級存在差異，在卓越頻率附近，低風速時兩者的聲壓級相差不大，在25m/s時輸電線的卓越聲壓級小于同風速下的圓柱卓越聲壓級，差距為7 dB，其原因主要為輸電線實際為絞線，在表面存在較大的粗糙度改變其周圍的流場情況，從而影響周圍的聲場。

圖11 輸電線和24 mm圓柱風噪聲聲壓級頻譜Fig.11 SPL spectrum of aeolian noise of transmission line and circular cylinder of 24 mm

4.2 A計權總聲壓級

選取型號ASAR700輸電線(外徑24.1 mm)和24 mm光滑圓柱進行分析，兩種構件風噪聲總聲壓級及A計權總聲壓級隨風速的變化情況分別見圖12和圖13。由圖12和圖13可見：①兩種構件僅在10 m/s時輸電線總聲壓級比光滑圓柱小1 dB，其他風速下總聲壓級幾乎相同，未體現兩者的差異；②在風速10 m/s時，輸電線A計權總聲壓級略大，風速增大后，光滑圓柱風噪聲則明顯大于輸電線，且隨著風速的增加差距增大，風速20 m/s時光滑圓柱A計權總聲壓級比輸電線高2.8 dB，25 m/s時高達7.0 dB。

圖12 24 mm圓柱和輸電線風噪聲總聲壓級Fig.12 OASPL of aeolian noise of the line and the circular cylinder of 24 mm

圖13 24 mm圓柱和輸電線風噪聲A計權總聲壓級Fig.13 OASPL(A) of aeolian noise of the line and the circular cylinder of 24 mm

通過以上對比可以發現，因輸電線更為粗糙，產生的風噪聲也比同尺寸下的光滑圓柱風噪聲偏小，可以預見，適當增加輸電線表面的粗糙度(如采用擾流線)可以降低風噪聲。但輸電線還存在電暈噪聲，且當輸電線變得更粗糙后(如采用擾流線)會產生更大的電暈噪聲。根據已有的研究，異形股導線(在絞線過程中適當增大部分子絞線的突起高度以產生螺旋線效果)在抑制風噪聲的同時，又避免產生顯著增大的電暈噪聲，是導線風噪聲抑制的一個主要方向。

5 結 論

本文在聲學風洞中進行多種不同外徑輸電線的風噪聲試驗研究，并同光滑圓柱風噪聲進行對比。主要結論有：

(1)輸電線風噪聲是由風流經表面產生的渦脫引起，其主要聲源為表面渦脫形成的偶極子聲源，因而風噪聲的卓越頻率與渦脫頻率存在很高的相關性，可以認為該情況下的風噪聲表征了漩渦脫落情況。試驗所得風噪聲的卓越頻率與渦脫頻率非常接近，隨著風速的增大而增大，可見本文的試驗結果支持了該結論。

(2)雷諾數在1×104～1×105，圓柱的St數隨雷諾數增加呈現略微減小的趨勢，而輸電線風噪聲渦脫的St數隨雷諾數增加呈現明顯增大的趨勢。

(3)從代表人耳聽覺的A計權總聲壓級來看，輸電線風噪聲隨著風速的增大而增大，隨外徑增大而減小的趨勢，其原因為外徑較大輸電線的卓越頻率更低，意味著A計權的折減量更大。

(4)相近外徑輸電線和光滑圓柱的總聲壓級沒有明顯差異，但從代表人耳聽覺的A計權總聲壓級來看，高風速下輸電線的A計權總聲壓級小于光滑圓柱，且隨著風速的增加差距增大?？梢灶A見，采用適當方法增加輸電線的表面粗糙度會減小產生的風噪聲，如采用纏繞擾流線或采用異形股導線等。