吴 健 赵亚林 耿明昕 刘志远 王 绿 薛志伟 王 帆

(1 西安交通大学 西安 710049)

(2 国网陕西省电力公司电力科学研究院 西安 710054)

(3 国网宁夏电力有限公司 银川 750001)

(4 国网陕西省电力公司 西安 710048)

(5 大唐宝鸡第二发电有限责任公司 宝鸡 721000)

0 引言

西北地区已建成750 kV等级的骨干网架，现场调研表明部分750 kV 变电站电晕噪声严重[1]。电晕噪声的防治已经成为750 kV 变电站噪声控制的重要挑战。

电晕噪声由电晕放电引起，根本原因是导体表面电场强度超过起晕场强，最终导致带电导体向空气中放电。电晕噪声估算主要依托peek 公式，但该公式针对输电线路，对于变电站内分散的电晕点噪声预测并不准确，无法用于分析电晕噪声对变电站声环境的影响。目前电晕噪声的研究使用最多的还是紫外成像测量[2−3]或者噪声现场实测[4−5]，相关研究表明，500 kV 母线区电晕噪声水平可达50 dB(A)，其中母线间隔棒、局部母线表面存在电晕放电[6]；1000 kV 变电站内耐张绝缘子串金具和母线终端球表面场强较大，容易发生电晕[7]。总体而言，电晕噪声问题主要集中在超高压变电站中，尤其是750 kV变电站最为突出。变电站电晕噪声的研究大都集中在声源定位、起晕电压计算等方面，缺乏电晕噪声对变电站声环境影响的整体认知。对于因电晕噪声引起的变电站噪声超标，目前仍缺乏系统的治理方法，特别是750 kV变电站多为枢纽变电站，不具备大范围停电、大批量更换导线金具的条件，这使得750 kV变电站电晕噪声防治成为制约绿色电网建设的薄弱环节。

本文以西北某750 kV变电站为例，使用紫外成像仪定位了36处主要电晕噪声点，基于噪声实测和全站声场仿真分析，研究了电晕噪声对变电站声环境的影响。针对主要电晕点的实际情况，提出了具体的电晕噪声防治措施。治理措施在该站750 kV I母第6 间隔电晕噪声治理中获得实际应用，治理后I 母线下噪声平均降低1.1 dB(A)，邻近处厂界噪声平均降低3.3 dB(A)，取得了较为明显的效果。

1 电晕噪声点定位及其影响分析方法

1.1 电晕噪声点定位

使用OFIL Superb 紫外成像仪在全站共定位750 kV 电晕点36 处，330 kV 电晕点6 处，按照发声体类型可分为以下4 类：(1)二分裂导线；(2)间隔棒；(3)均压环；(4)终端球。

典型设备的定位图如图1所示。其中二分裂导线和间隔棒电晕点沿导线方向周期性出现，呈现典型的线声源特性，均压环和终端球呈现典型的点声源特性。

图1 电晕点定位结果Fig.1 Corona point location result

1.2 电晕噪声影响分析方法

在不考虑变电站声源指向性的情况下[8]，声功率为LW的噪声源在厂界测点处产生的声压级Lp可以表示为

其中，Adiv为几何发散引起的衰减；Aatm为大气吸收引起的衰减；Agr为地面效应引起的衰减；Abar为加屏障引起的衰减；Amusc为其他效应引起的衰减。

对于均压环和终端球等点状电晕噪声源，可以认为是自由场中传播的球面扩展引起的。几何发散衰减可以表示为

其中，d为电晕噪声源到厂界测点处的距离，m；d0为参考距离，为1 m。

考虑到750 kV 变电站声源众多，结构复杂，本文采取实测与仿真分析相结合的方法研究电晕噪声对变电站声环境的影响。在实测方法中，对比了极端情况下(存在/不存在电晕噪声)变电站构架区及厂界处噪声的情况，分析了电晕噪声的影响。在仿真分析方法中，本文采用soundPLAN7.4 建立了全站声场模型，分析计算了主设备噪声和电晕噪声对变电站声环境的影响，得出了主设备噪声和电晕噪声在厂界噪声中的声能量占比，仿真分析方法的框图如图2所示。

图2 电晕噪声影响的仿真分析方法Fig.2 Simulation analysis method for the influence of corona noise

2 电晕噪声对声场分布的影响

2.1 母线电晕噪声影响实测

为分析电晕放电对变电站声场分布[9]的影响，使用B&K2250声级计分别实测了该750 kV变电站I母、II母投运和停电期间的线下噪声及邻近处厂界噪声。在晴好天气下进行测量，同一测点连续测量3 次1 min 等效连续A 声级，以平均值作为该点的测量值。测点布置如图3、图4所示，其中线下噪声测点选在母线与出线交跨点正下方，距离地面高度2 m。邻近处厂界噪声选在各导线正对位置，位于围墙外1 m处，高度1.2 m。

图3 I 母线下及邻近处厂界噪声测点Fig.3 Noise measurement points under bus I and nearby boundary

图4 II 母线下及邻近处厂界噪声测点Fig.4 Noise measurement points under bus II and nearby boundary

各测点的噪声值如图5、图6所示。

图5 I 母线下及邻近处厂界噪声测量值曲线Fig.5 Noise value under bus I and nearby boundary

图6 II 母线下及邻近处厂界噪声测量值曲线Fig.6 Noise value under bus II and nearby boundary

可见，停电前后线下噪声和邻近处厂界噪声差别较大，其中停电后I 母线下噪声平均降低8.2 dB(A)，邻近处厂界噪声平均降低7.0 dB(A)；II母线下噪声平均降低5.4 dB(A)，邻近处厂界噪声平均降低2.9 dB(A)；充分说明电晕噪声为该处噪声的主要来源。

2.2 全站电晕噪声影响仿真

考虑到在运变电站构架区停电困难，因此采用仿真模拟[10−11]的方法分析电晕噪声对声场分布的影响，在soundPLAN[12−14]中建立750 kV 变电站声场仿真模型。其中变压器、电抗器等主设备按照体声源建模，各设备的声功率级分别依照《电力变压器第10部分：声级测定》[15]的要求进行测量及计算；42 处电晕点根据发声体尺寸的不同，将软母线、跳线、引下线、出线等线状发声体按照线声源建模，将终端球、软连接、均压环、引下线二变一金具等按照点声源建模，各声源源强依照《高压输电线路和变电站噪声的传声器阵列测量方法》的要求进行测量，并进行声功率计算。本文所建模型中参数取值如表1所示。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

按照以上模型计算得出的考虑主设备和电晕噪声的750 kV变电站综合声场分布如图7所示。为验证模型准确性，将仿真计算得出的厂界噪声与实测厂界噪声对比，结果如表2所示。

图7 变电站综合声场分布Fig.7 Substation sound field distribution induced by main equipments and corona

由表2可知，本模型得出预测值与实测值差值基本控制在1.5 dB(A)以内，保证了模型的准确性，可以依据该模型开展声场仿真分析。当不考虑电晕噪声时，全站主要噪声源全部为主设备，包括2组主变压器和2组高压电抗器，此时全站声场分布如图8所示。

表2 预测噪声与实测噪声对比Table 2 Comparison of predicted noise and measured noise

图8 仅考虑主设备时变电站声场分布Fig.8 Substation sound field distribution induced by main equipments

仅考虑高空声源时，全站声源包括36处750 kV电晕噪声源和6 处330 kV 电晕噪声源，此时全站声场分布如图9所示。

图9 仅考虑电晕噪声时变电站声场分布Fig.9 Substation sound field distribution induced by corona

部分厂界测点处综合噪声值、主设备噪声贡献值、电晕噪声贡献值如表3所示。

表3 部分厂界测点处噪声值Table 3 Noise value at the boundary

对比图7～9 发现，考虑电晕噪声后变电站声场分布颜色明显加深，表明电晕噪声对该站的声场分布有较大影响，结合表3部分测点的噪声值分析结果可知：(1)电晕噪声在部分测点处贡献占比可达85%以上，成为局部区域的主导噪声源；(2)部分测点处仅考虑主设备噪声时厂界噪声达标，叠加电晕噪声后则可能出现超标(如750 kV出线下)，因此在进行噪声分析及降噪方案编制中必须考虑电晕噪声的影响，才能得到准确的结果。

3 不同电晕噪声点的成因及防治

电晕放电由导体表面场强超过起晕场强引起，因此电晕噪声防治就是要采取一定的措施降低导体表面场强，从而达到降低电晕的目的[16−19]。对于该站来说，引起导体表面电场强度增高的原因不尽相同，治理措施也需要根据电晕成因进行讨论，具体的该站4类主要电晕点及其防治措施详述如下。

3.1 二分裂导线

二分裂导线主要包括母线、进出线等，在站内呈三层交跨结构布置，如图10 所示。二分裂导线受邻近带电体的相互影响，表面电场强度高于导线单独存在时的电场强度，从而出现电晕放电。对750 kV 二分裂导线进行表面电场仿真计算发现，其最大表面场强约为28.5 kV/cm，综合考虑到海拔等因素，实际上站内二分裂导线已处于起晕状态。

图10 母线区域导线的三层交跨结构Fig.10 Three-layer crossover structure in busbar area

二分裂导线的电晕噪声防治采用等效扩径的方法，通过增大导线表面曲率半径降低电场强度，从而降低电晕噪声。具体的，可以通过加装预绞丝、刷防电晕涂料[20]等方式进行处理。

3.2 间隔棒

间隔棒放电点主要集中在端部开口处，如图11 所示。相关研究表明，电晕放电程度与开口角度直接相关，开口角度为15°时，表面场强可达41.7 kV/cm，可造成严重电晕放电，带来电晕噪声[6]。

图11 二分裂间隔棒端部存在间隙Fig.11 Gap at the end of the spacer

间隔棒的电晕噪声防治有两个方面：一是在设备选型时应选择端部开口较小的间隔棒，二是在设备安装时应尽可能紧固螺丝，将开口间隙控制在1 mm以内。

3.3 均压环

均压环放电点主要集中在环外侧底端，图12为更换下来的750 kV 均压环，可见表面污秽严重[21−22]，且存在明显烧蚀痕迹，分析原因有：(1)受雨污影响，污秽更易在底端聚集；(2)均压环环径或管径过小。

图12 750 kV 均压环Fig.12 750 kV equalizing ring

为防治均压环电晕噪声，设计时应充分考虑邻近物体对均压环表面电场的影响，在环径和管径选择上留够裕量，同时应注意运行期的检修维护，保持表面清洁。

3.4 终端球

测试发现，放电终端球均污秽严重，且存在一定程度的损伤，如图13所示。

图13 终端球表面存在损伤Fig.13 Surface damage of terminal ball

为防治终端球电晕噪声，应尽可能保持球面清洁，对因表面损伤导致电晕放电的终端球，应及时更换。

4 工程应用

以该变电站邻近厂界的750 kV I 母第六间隔为例，采取本文所提出的噪声控制方法进行电晕噪声治理，通过实测该间隔线下噪声和邻近处厂界噪声，验证电晕噪声控制方法的准确性。

所采取的降噪措施汇总如表4所示。

表4 降噪措施汇总Table 4 Summary of noise reduction measures

治理前后I 母第6 间隔线下及邻近处厂界测点噪声实测值如图14所示。

图14 治理前后噪声对比Fig.14 Noise comparison before and after treatment

治理后I 母线下噪声平均降低1.1 dB(A)，邻近处厂界噪声平均降低3.3 dB(A)，效果较为显著，证明了本文提出电晕噪声治理方案的准确性。进一步分析可知，测点1～3 靠近第5 间隔(未采取降噪措施)，因此降幅较小；随着测点距离其余未治理间隔的距离增大，本次治理的降噪效果逐渐显现，其中测点4～6 平均降低1.3 dB(A)，测点7～9 平均降低1.7 dB(A)，厂界测点受治理间隔影响最大，平均降低3.3 dB(A)。

5 结论

本文基于西北某750 kV 变电站紫外成像和噪声实测结果，分析了电晕噪声对变电站声场的影响。针对主要电晕点的实际情况，分析了电晕产生的原因，提出了具体的电晕噪声防治措施。治理措施在该站750 kV I母第6 间隔电晕噪声治理中获得实际应用，取得了较为明显的效果，验证了方法的准确性。主要结论有：

(1)750 kV 变电站电晕点主要有二分裂导线、间隔棒、均压环、终端球等。

(2)电晕噪声可成为局部区域的主导噪声源，并引起噪声超标。在进行噪声分析及降噪方案编制中必须考虑电晕噪声的影响，才能得到准确的结果。

(3)不同类型电晕放电产生的原因不同，应开展针对性治理。其中二分裂导线采用等效扩径的方法，通过增大导线表面曲率半径降低电场强度；二分裂间隔棒应将开口间隙控制在1 mm 以内；均压环在环径和管径选择上留够裕量，同时应注意运行期的检修维护，保持表面清洁；对存在缺陷的终端球应及时更换。

(4)本文所提出的电晕噪声治理方法，可有效降低线下噪声和邻近处厂界噪声，为750 kV变电站电晕噪声治理提供了新的解决方案。