特高壓分裂導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.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；2.北京工商大學，北京 100048）

為破解我國用電負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)濟發(fā)展的用電需求，我國提出并建設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，不僅直接決定了導線選型，更是環(huán)保部門和廣大民眾倍加關注的問題，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特性，國家電網(wǎng)公司在北京市昌平區(qū)建設了特高壓直流試驗基地。早期設計時，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)境越來越復雜，由此導致周邊的環(huán)境噪聲也日益復雜。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輸聲，施工工地上的機器聲，家畜、鳥類和昆蟲的叫聲等。當導線電暈產(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線內(nèi)的電暈噪聲測量方法。在高壓分裂導線附近實現(xiàn)電暈噪聲測量，需要解決兩個關鍵問題，一是要采取相應保護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計添加防擊穿保護措施，將其放置于導線附近，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)時間進行設置，使其同步，并對聲級計內(nèi)部軟件定時器進行設置，使其可以在無人狀態(tài)下進行信號記錄。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 防電暈裝置設計

根據(jù)法拉第籠原理，將導體放在電場強度為E1的外電場中，導體內(nèi)的自由電子在電場力的作用下，會逆電場方向運動。這樣，導體的負電荷分布在一邊，正電荷分布在另一邊，這就是靜電感應現(xiàn)象。由于導體內(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，電場強度為E2。根據(jù)疊加原理，導體內(nèi)的電場強度等于E1和E2的疊加。當導體內(nèi)部總電場強度為零時，導體內(nèi)的自由電子不再移動。物理學中將導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)的導體，內(nèi)部電場強度為零。由此可知，處于靜電平衡的導體，電荷只分布在導體的外表面，所以可將籠內(nèi)的物體保護起來。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，不采取保護措施儀器將會被擊穿，所以根據(jù)法拉第籠原理，設計了一個金屬籠，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，以及加強對聲級計的保護，最終采用雙層的金屬籠設計方法，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)果進行對比，可得如圖9所示的結(jié)果。

圖9 分裂導線內(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線內(nèi)測量探頭與子導線距離的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線中的電暈噪聲測量方法可用于導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線附近的電暈噪聲測量方法，解決了在高壓導線附近實現(xiàn)電暈噪聲測量的兩個關鍵問題，設計制作了防電暈罩，保護測量儀器不發(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，完成了高壓分裂導線近場電暈噪聲的測量，并與籠體上的測量結(jié)果進行了對比分析。