特高壓換流站噪聲源測試與預(yù)測技術(shù)研究

陽金純，吳曉文，呂建紅，黃 韜，周建飛

國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007

特高壓直流工程建設(shè)在我國飛速發(fā)展，目前，國家電網(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)列入我國大氣污染防治行動計(jì)劃[1]，±1 100 kV準(zhǔn)東-皖南特高壓直流工程也獲得了國家發(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)，但不可避免地帶來一些新的環(huán)境問題，主要環(huán)境影響之一為噪聲對環(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)相對較大，對環(huán)境的影響最為顯著。如何在復(fù)雜的聲場環(huán)境中獲取各種噪聲源的特性數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對整個換流站的噪聲分布進(jìn)行預(yù)測分析，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，對交流輸變電項(xiàng)目噪聲監(jiān)測和分析較多[4]，而特高壓換流站主要噪聲源測試數(shù)據(jù)缺乏，大部分采用聲壓法測量，在復(fù)雜聲場環(huán)境下的測試結(jié)果的準(zhǔn)確性不能滿足實(shí)際要求；采用聲強(qiáng)法測試，在一定條件下結(jié)果相對準(zhǔn)確，但測試方法繁瑣，無法對帶電設(shè)備(如交流濾波器場電容器組、電抗器等)進(jìn)行現(xiàn)場測試。因此，采用先進(jìn)的測試方法和手段，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相對封閉空間，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)，因此對其進(jìn)行噪聲預(yù)測分析較為復(fù)雜，而國內(nèi)對封閉空間的噪聲研究較少，對室外聲屏障的繞射衰減測量進(jìn)行過研究[6]。交流濾波器場電容器組、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)，無法開展近距離測試。而直流場平波電抗器高達(dá)20 m之多，對其進(jìn)行噪聲測試也存在很大的困難。同時站內(nèi)線路構(gòu)架的電暈噪聲與電容器、電抗器噪聲交織一起，對測試結(jié)果造成一定的干擾。

本文采用相對先進(jìn)和實(shí)用的測試方法獲取噪聲源特征信號，剔除干擾信號，對無法直接測試的噪聲源設(shè)備、采用理論分析、聲成像等手段進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對換流站噪聲進(jìn)行預(yù)測評估。

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個換流站換流變壓器、交流濾波器場電抗器和電容器組、變電架構(gòu)等主要噪聲源的噪聲測試與分析，在此基礎(chǔ)上對換流站噪聲進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，并通過實(shí)測驗(yàn)證預(yù)測結(jié)果。A、B、C 3個換流站相應(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)的噪聲測試方法有聲壓法和聲強(qiáng)法。聲壓法測試時受外界干擾影響較大，同時在復(fù)雜的聲場環(huán)境中，不能剔除背景噪聲的干擾。聲強(qiáng)測試法可以排除外界背景噪聲的干擾，在自由場或半自由場聲環(huán)境中測試較準(zhǔn)確，但是在反射面距測試包絡(luò)面較近時，測試結(jié)果受到影響[7]，而且在換流站內(nèi)無法對換流變、電容器組、電抗器進(jìn)行包絡(luò)面測試，因此，聲強(qiáng)測試法在現(xiàn)場實(shí)際測試中不可行。

采用現(xiàn)場錄波法對被測對象及背景噪聲信號進(jìn)行收集，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行頻譜分析，剔除或排除背景噪聲影響，識別出被測對象特征譜。采用激光振動測試法、聲成像法，可實(shí)現(xiàn)對帶電設(shè)備在安全距離外進(jìn)行測試，適用于不能靠近測試的帶電設(shè)備的測量。振動測試法根據(jù)聲振耦合理論，噪聲可通過結(jié)構(gòu)表面的振動速度級及其輻射效率來表征。《聲學(xué)一振速法測定噪聲聲功率級用于封閉機(jī)器的測量》(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)確測定空氣噪聲的場合。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

A、C換流站換流變壓器聲壓級測試數(shù)據(jù)6個，A換流站換流變壓器噪聲與振動頻譜數(shù)據(jù)5組，A換流站交流濾波器場電容器組噪聲與振動頻譜數(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頻譜數(shù)據(jù)2組，C換流站站界噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)5個及預(yù)測噪聲1組。

2 結(jié)果與討論

2.1 換流變壓器噪聲測試結(jié)果與特性分析

目前我國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，噪聲在各個面之間經(jīng)過多次反射疊加，實(shí)際測試結(jié)果較露天布置的同類型換流變壓器測試結(jié)果高出約20 dB(A)。

測試時測點(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，測試高度為1.8 m(以下對換流變壓器的測點(diǎn)布置同)，現(xiàn)場測試結(jié)果見表2。

表2 A、C換流站換流變壓器噪聲監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)表2實(shí)測結(jié)果，在對換流變壓器進(jìn)行建模計(jì)算時，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，同時采用3種方法對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)聲壓測試法，為減少反射聲等背景噪聲的影響，采用聲級計(jì)靠近本體表面的方法測得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)場錄波法，通過現(xiàn)場近距離采集聲源的各種時域信號，再對信號進(jìn)行分析處理，識別噪聲源特征，對時域信號進(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測試法，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，信號被接收，根據(jù)多普勒原理，可獲取換流變壓器的振動速度、位移等，并通過計(jì)算機(jī)分析處理，獲取振動頻譜進(jìn)行進(jìn)一步分析。測試結(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頻譜測試結(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)振動頻譜測試結(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，換流變壓器振動頻譜中400 Hz為優(yōu)勢頻點(diǎn)，與圖1和圖2聲壓頻譜中的優(yōu)勢頻點(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，從而識別出了換流變壓器的低頻噪聲特征。因此在建模計(jì)算時，對換流變壓器噪聲源強(qiáng)賦值時，應(yīng)保證400 Hz譜點(diǎn)處的值占整個頻譜噪聲貢獻(xiàn)的90%以上，這樣能更加科學(xué)預(yù)測低頻噪聲的影響。

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封閉的空間，此時將換流變壓器等效為5個面源，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 交流濾波器場電容器組噪聲測試結(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)，此時無法近距離對其進(jìn)行聲壓或振動測試，國內(nèi)部分研究僅在實(shí)驗(yàn)室針對單個電容器進(jìn)行仿真或?qū)嶒?yàn)[9-11]，與現(xiàn)場電容器組的運(yùn)行狀況不同，此時應(yīng)采用激光振動測試法，實(shí)現(xiàn)在安全距離外對帶電設(shè)備進(jìn)行測試，同時開展現(xiàn)場錄波及聲壓級測試。

對±800 kV A換流站交流濾波器場電容器組同時開展激光振動及聲壓級測試，測點(diǎn)距電容器組水平距離為5 m，測試高度為1.8 m。聲壓級頻譜見圖5，振動頻譜見圖6。

圖5 A換流站交流濾波器場電容器組聲壓級頻譜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電容器組振動頻譜圖Fig.6 AC filter capacitor bank vibration spectrum testing in converter station A

由圖5可知，聲壓級頻譜中以630 Hz為優(yōu)勢頻點(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，交流濾波器場電容器組振動特征頻點(diǎn)不明顯， 200 Hz處振動略占優(yōu)勢，說明2種方法的測試結(jié)果沒有明顯的相關(guān)性。

交流濾波器場電容器組處于換流站內(nèi)隔離區(qū)內(nèi)，無法近距離進(jìn)行測量，且其運(yùn)行波動較大，并受相鄰電抗器的干擾，因此，采用聲壓級方法測量不可取。但有必要改善振動測量方法，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)行測試，這樣可以增強(qiáng)激光反射信號，從而提高測試準(zhǔn)確性。第二種方法，在運(yùn)行條件許可時，對各種運(yùn)行工況下的振動信號進(jìn)行詳細(xì)測試分析，研究其運(yùn)行規(guī)律與振動特性之間的關(guān)系。

單個電容器的噪聲主要集中在其兩端[13]，而對電容器組兩端等效為線源，若電容器組有n層，則有2n個線源，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垂直線源或等效為幾個面源的方法更加科學(xué)，在電容器組安裝時，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選取了2種不同型號的電抗器進(jìn)行振動測試，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)測布點(diǎn)圖見圖7。

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

測試時距電抗器水平距離為5 m，電抗器1測試離地高度為1.8 m，電抗器2測試離地高度為1.2 m。根據(jù)B換流站測試數(shù)據(jù)，交流濾波場電抗器1振動特征譜約為550 Hz，為11次諧波頻率。由圖8和圖9可知，交流濾波場電抗器2振動特征譜約為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)噪聲與振動具有較好的相關(guān)性。

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

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

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

除交流濾波器場電抗器外，B換流站還有2臺油浸式平波電抗器，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，可以對其進(jìn)行近距離聲壓級測試，但未能對其振動頻譜進(jìn)行準(zhǔn)確識別。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)行時流過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、交流場濾波電抗器、直流場電抗器均可等效為柱面源，若預(yù)測換流站站界噪聲，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換流站變電架構(gòu)電暈噪聲進(jìn)行識別。

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，對噪聲源進(jìn)行實(shí)時識別，以圖像顯示出結(jié)果。該方法適合于高大噪聲源的監(jiān)測和識別。

在對變電站架構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算時，可將其發(fā)聲最明顯的部位簡化為點(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，利用變電架構(gòu)電暈噪聲的短時脈沖特性，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

同時對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)場監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)距圍墻水平距離1 m，測點(diǎn)高度為1.8 m,監(jiān)測布點(diǎn)圖見圖10，監(jiān)測結(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別與建模預(yù)測技術(shù)，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果具有較好的吻合性。

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

3 結(jié)論

成功識別了特高壓換流站內(nèi)換流變壓器噪聲特性，其優(yōu)勢頻點(diǎn)為400 Hz，占整個頻譜噪聲貢獻(xiàn)值的90%以上，且其聲壓級頻譜與振動頻譜具有高度的相關(guān)性，從而識別出換流變壓器對環(huán)境的影響以低頻噪聲為主。成功識別了交流濾波器場電抗器噪聲特性，其優(yōu)勢頻點(diǎn)與其所濾除的諧波頻率相一致，如濾除24次諧波，則優(yōu)勢頻點(diǎn)為1 200 Hz，同樣其聲壓級頻譜與振動頻譜具有高度相關(guān)性。對交流濾波器場電容器組的振動測試方法提出了改進(jìn)方法。對換流變壓器的建模技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，將其等效為5個面源，并按其優(yōu)勢頻譜進(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)測結(jié)果更加科學(xué)。根據(jù)交流濾波器場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)測水平。

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