750 kV變電站主噪聲源特性及其噪聲機理研究

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(楊凌職業(yè)技術學院， 陜西 楊凌 712100)

0 引 言

西北五省(區(qū))地域遼闊，資源豐富，具有得天獨厚的水力、煤炭、石油、天然氣及風力、太陽能等能源優(yōu)勢，是我國重要的能源基地。西北750 kV輸變電示范工程是我國目前電壓等級最高、世界相同電壓等級中海拔最高的輸變電工程，計劃2012年前后，基本建成以甘肅省為中心，縱貫陜甘青寧四省區(qū)主要電源基地及負荷中心的750 kV骨干網(wǎng)架：甘肅與青海之間形成4回750 kV聯(lián)絡線，甘肅與寧夏之間形成2回750 kV聯(lián)絡線，甘肅與陜西之間形成4回750 kV聯(lián)絡線；永登—金昌—酒泉—安西750 kV雙回輸電線路將貫通甘肅的河西走廊；陜西750 kV電網(wǎng)以乾縣為中心，向西至寶雞，向東抵達渭南，由渭南向陜北延伸至延安、榆橫。同時，新疆也將建設“工”字形的 750 kV骨干網(wǎng)架，并通過哈密—安西750 kV雙回輸電線路與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，形成真正意義上的西北五省(區(qū))大電網(wǎng)。此外，750 kV電網(wǎng)將從青海省西寧市向西以雙回線路延伸至新疆格爾木，為西北與西藏聯(lián)網(wǎng)送電創(chuàng)造條件。到2015年五省區(qū)將建成750 kV輸電線路近20 000 km，750 kV變電站容量近100 000 MV·A。

根據(jù)西北地區(qū)750 kV電網(wǎng)初步規(guī)劃，將在以上五省區(qū)建立750 kV變電站及開關站34座，其中新疆12座，甘肅9座，青海6座，寧夏1座，陜西6座。受限于能源的分布不均衡，部分省區(qū)的750 kV變電站必須建設在城市或城鎮(zhèn)附近。因此，由變電站帶來的工頻電場、工頻磁場、無線電干擾及噪聲對工作人員和周邊工作、生活的人群帶來的影響亟待論證和解決。

750 kV變電站噪聲源主要有750 kV主變壓器、750 kV高壓并聯(lián)電抗器、66 kV并聯(lián)電抗器、中性點小電抗、66 kV串聯(lián)電抗器、66 kV并聯(lián)電容器組等設備產生的噪聲，導線、金具因電暈產生的噪聲以及導線本體噪聲。有文獻[1]總結了噪聲對人體聽覺、神經系統(tǒng)、心血管、消化系統(tǒng)、血液、視力以及工作生活的影響，而750 kV變電站設備電壓等級之高、設備額定電流之大，又受到設備制造水平的限制，其噪聲傳播的范圍將更遠。因此，全面了解750 kV變電站噪聲源特性及其機理很有必要，為進一步的噪聲防治提供可參考的理論依據(jù)。

1 典型750 kV變電站概況

沙州750 kV變電站站址位于甘肅省敦煌市七里鎮(zhèn)，距敦煌市區(qū)約22 km。屬敦煌盆地的沖積平原，地貌單元屬戈壁平原。海拔高程在1 272～1 276.50 m之間，總體地形平坦、開闊。變電站建設規(guī)?？傆玫孛娣e為18.683 hm2，靜態(tài)投資107 168萬元、動態(tài)投資112 057萬元，如圖1所示。工程本期裝設1臺、遠期裝設2臺2 100 MVA主變壓器；750 kV本期6回出線，遠期10回；330 kV本期5回出線，遠期18回，如圖2所示。沙州750 kV變電站的建設增強了新疆與西北主網(wǎng)功率交換的能力，提高新疆能源在西北電網(wǎng)中優(yōu)化配置的能力，為“疆電外送”提供網(wǎng)架支撐，是新疆與西北主網(wǎng)第二條聯(lián)網(wǎng)通道。

圖1 沙洲站建設規(guī)模

圖2 沙洲站站內布局

2 變壓器

2.1 750 kV主變壓器特性

750 kV主變壓器結構特點：(1)大量應用了ABB先進工藝，包括磁分路、鐵心鋼帶綁扎、高頻焊、冷壓接等技術。(2)鐵心結構為四柱式，左邊心柱與右邊心柱截面相同，上下鐵軛的截面為主柱的55%，旁柱截面為主柱的50%，如圖3所示。(3)線圈的連接：兩個心柱上的高壓線圈采用串聯(lián)接線，中、低壓線圈采用并聯(lián)接線，旁柱上的勵磁線圈和低壓線圈并聯(lián)，調壓線圈套在旁柱上，串聯(lián)在高壓和中壓線圈之間，采用中壓線端調壓方式。如圖4所示。(4)油箱結構采用桶形油箱，為了滿足變壓器運輸?shù)囊?，上蓋采用梯形結構，為降低變壓器的運輸重量，油箱壁采用錳鋼。

圖3 750 kV主變壓器鐵心結構

圖4 750 kV主變壓器線圈的排列及引線結構

2.2 變壓器的噪聲機理

750 kV主變壓器是變電站噪聲最大的單體設備之一，其組成部件包括器身(鐵心、繞組、絕緣、引線)、變壓器油、油箱和冷卻裝置、調壓裝置、保護裝置(吸濕器、安全氣道、氣體繼電器、儲油柜及測溫裝置等)和出線套管。研究表明[2]，變壓器噪聲源自于變壓器本體及其冷卻裝置的振動，與變壓器容量、鐵心結構、磁通密度、硅鋼片的材質以及冷卻裝置振動特性密切相關。

變壓器本體振動一方面是鐵心振動，其振幅與電源電壓的平方成正比。造成鐵心振動主要有兩個因素：一是由硅鋼片磁致伸縮而引起的鐵心振動；二是鐵心接縫處磁力線發(fā)生畸變產生的縱向拉力和鐵心中磁通分布不均在硅鋼片間產生的側向推力，使得鐵心變形振動。變壓器本體振動另一方面是繞組振動，其振幅與負載電流的平方成正比。由于負載電流產生的漏磁通，在繞組導體之間、繞組之間、繞組和鐵心之間、繞組和油箱之間產生電磁力，引起繞組、鐵心、油箱的振動。除此之外，變壓器的冷卻風扇、油泵和散熱器也會引起器身振動。以上的振動、噪聲的產生及其傳遞過程如圖5所示。在工頻磁場下，鐵心和繞組的振動頻率皆為100 Hz，其周期是電壓周期的一半。但是，由于硅鋼片的磁致伸縮與外磁場強度、材料及溫度有關，而這些因素的特性又存在很強的非線性，且鐵心內、外框的磁路長短不同，使得變壓器整體振動信號還含有高次諧波成分。

圖5 變壓器振動產生噪聲過程圖

圖6 750 kV高壓并聯(lián)電抗器結構圖

3 電抗器

3.1 750 kV并聯(lián)電抗器特性

電力負荷中有感性負載如電動機，其電流為感性電流，也有容性負載如電容器，其電流為容性電流。無論感性電流或容性電流都與電壓存在相量差，使得電網(wǎng)中流過的電流大于負荷的有功電流。如果是感性電流大，電網(wǎng)電壓將由于線路壓降大而下降，容性電流大將使得電網(wǎng)電壓上升。一般220 kV及以下電網(wǎng)中，以感性電流為主，所以并聯(lián)電容以抵消感性電流，降低電網(wǎng)中的電流及由此產生的電壓降，使得電網(wǎng)電壓恢復正常電壓。220 kV以上的電網(wǎng)中，以容性電流為主，所以并聯(lián)電抗器以抵消容性電流，將電網(wǎng)電壓控制在額定電壓范圍內。

3.2 電抗器的噪聲機理

為了能夠提供更大電感,在空心線圈中插入鐵磁材料,形成鐵心電抗器。鐵心電抗器的振動主要原因有兩個方面：一是由磁致伸縮現(xiàn)象引起的振動噪聲；二是由電抗器鐵心的鐵餅間電磁吸引力引起的振動噪聲。

表1 并聯(lián)電抗器絕緣水平 kV

由于鐵心振動與硅鋼片的磁致伸縮現(xiàn)象存在直接關系，因此，影響硅鋼片磁致伸縮的因素均能影響鐵心的振動。此外，當緊固鐵心的螺釘發(fā)生松動，會使硅鋼片的壓緊力減弱，片間縫隙變大，硅鋼片之間的電磁吸引力增大，也會引起鐵心的振動，若該振動引起硅鋼片彎曲或變形，會進一步增強硅鋼片之間的電磁吸引力，從而引起鐵心的振動加強。當發(fā)生短路故障時，鐵心的溫度急劇升高，導致硅鋼片的磁致伸縮迅速加大，鐵心的振動也將增大，若短路造成繞組絕緣擊穿，繞組的振動也將明顯增大。由以上分析可知，鐵心與繞組的壓緊及變形情況對振動的變化有明顯影響，但由于并聯(lián)電抗器磁路的磁通密度較低,遠遠低于變壓器,一般認為由此引起的振動噪聲較小[4]。

對于高電壓、大容量的并聯(lián)電抗器來講，為獲得較大且趨于穩(wěn)定的電抗, 必須增大磁阻、限制磁飽和，因此在電抗器鐵心的鐵餅間存在氣隙，如圖6所示。變壓器一、二次繞組總是互相去磁, 因此漏磁通較小，而電抗器沒有與其一次繞組平衡的二次繞組, 又由于氣隙的存在, 使得鐵心電抗器漏磁通較大，這是電抗器振動噪聲的主要因素。電抗器由于鐵心柱的分段, 如圖6所示，各段分別產生磁極,使鐵心的鐵餅之間存在電磁吸引力,引起額外的振動噪聲。若與鐵餅、墊塊和鐵軛組成的系統(tǒng)發(fā)生共振, 會使電抗器的振動噪聲加劇。

4 電容器組

4.1 66 kV電容器組特性

電網(wǎng)中大多負荷為感性負荷，感性電流會使母線電壓下降，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。將電容器組并聯(lián)在系統(tǒng)母線上，發(fā)出無功功率，以補償感性負荷對無功功率的需求，可起到穩(wěn)定母線電壓，降低電網(wǎng)的有功損耗，提高功率因數(shù)，同時還能提高變壓器和電力線路的容量利用率和減少電壓降，提高線路的輸電能力。

750 kV變電站中的66 kV并聯(lián)電容器成套裝置采用框架式戶外安裝，單組容量60 000 kvar。單臺容量采用500 kvar，內設內熔絲保護。電容器成套裝置包含電容器、串聯(lián)電抗器、電流互感器、放電線圈、避雷器、接地開關、圍欄等。串聯(lián)電抗器采用干式空心電抗器，均采用前置布置方式，電抗率按5%或12%設置。電容器組的實地安裝如圖7所示。

電容器組中串聯(lián)電抗器的作用[5～6]：①對線路中諧波電流的抑制。供配電系統(tǒng)大量的非線性負載如家用電器、整流設備、變頻設備等是高次諧波的發(fā)生源，高頻率諧波使電容器容抗減小，通過電容器的電流增大，使得系統(tǒng)電流、電壓波形畸變，造成電能質量變壞，電氣設備損耗增加、出力降低等危害。特別是因高次諧波激發(fā)引起諧振，極易導致電容器過負荷、發(fā)熱、振動及異常噪聲直至最終被燒毀。因感抗與電源頻率成正比，電抗器對高頻率諧波呈高阻抗性，從而起到限制諧波電流的作用。②對電容器組投切時引起涌流的限制。純電容回路在投入切換瞬間，電容電壓不能突變，有可能出現(xiàn)非常大的涌流，從而損壞電容和該回路中的斷路器、接觸器等電器設備。而電抗器在回路投入切換瞬間電流不能突變，在電容回路中適當串入電抗器，可以限制電流的突然增大，保護電容器組。

圖7 66 kV電容器組實地安裝圖

4.2 電容器的噪聲機理

在正常運行時，電容器組中即包含了電容器的振動噪聲，同時串聯(lián)電抗器也會因振動而發(fā)出噪聲。電抗器的噪聲機理在前文已詳述，本部分主要探討電容器的振動機理。

當交流電壓加在電容器上時，在電容器介質內電極之間產生靜電力，該力會使電容器內部的元件一定程度內的變形產生振動，元件的振動傳給外殼而使箱壁振動并形成噪聲，從外殼向四周輻射。

電容器介質內電極之間單位面積上的靜電力滿足如下關系[7]:

(1)

式中:F為靜電力；ε為介電常數(shù)；E為電場強度；d為電極間距；U為電壓；I為電流；f為電源頻率；C為電容值。

當電源電壓u=Umsinωt時，則靜電力為：

(2)

從上式可知，在交流電壓的作用下，電容器噪聲源的靜電力振動將與外加電壓幅值的平方成正比，從而產生2倍于電源頻率的振動噪聲。此外，當電極流過交流電流時還將產生電磁力振動，且與靜電力振動頻率相等，相位相同，但與靜電力振動相比要小得多，故通常不予考慮。電容器噪聲的產生和輻射過程如圖8所示。

圖8 電容器噪聲的產生和輻射

5 導 線

5.1 750 kV導線特性

分裂導線可使導線周圍磁場分布改變，從而等效地增大了導線半徑，減小了導線電抗。750 kV輸電導線多數(shù)采用六分裂，呈正六邊形排列方式，相導線采用6×LGJ-400/50鋼芯鋁絞線，部分采用6×LGJK-300/50擴徑導線，其詳細技術參數(shù)見表2，

三相導線采用水平或等邊三角形排列。由于采用六分裂導線，每相六根子導線間必須使用阻尼間隔棒，如圖9所示。間隔棒的主要作用是保證每相六根子導線間距不變以滿足電氣性能，降低表面電位梯度，防止短路電流時子導線間的鞭擊以及抑制微風振動和次檔距振蕩。

圖9 六分裂阻尼間隔棒

導線型號結構(根數(shù)×直徑)(mm)鋼芯鋁股截面積(mm2)鋼鋁直徑(mm)最大使用張力(N)最大使用應力(MPa)綜合拉斷力(N)設計安全系數(shù)LGJ-400/507×3.077×3.0751.82399.7327.6346892103.8471172302.5LGJK-300/5054×3.0741×3.0751.82303.427.6342385119.3261102002.6

5.2 導線的噪聲機理

輸電導線產生噪聲主要有三方面的原因：一是風噪聲；二是微風振動；三是電暈噪聲。

5.2.1 風噪聲 一般情況下,導線在空氣中發(fā)生振動時會引起周圍氣體的壓力變動,因而產生聲波并向四周傳播。但是,有時導線在氣體中即使不發(fā)生振動也會產生聲音，這種由傳播聲波的空氣自身的運動所產生的聲音屬于壓力噪聲。在架空輸電線路中,風橫向吹過導線，氣流從導線背風側表面脫離形成“馮卡門漩渦”時引起空氣壓力變化，該壓力變化引起空氣振動發(fā)出噪聲,通常把該噪聲稱為導線風噪聲。

5.2.2 微風振動 假設無風狀態(tài)下，可將導線看作水平放置的圓柱體，由流體力學可知，當風橫向吹過導線時，在導線的背風側會產生許多氣流漩渦，即“馮卡門漩渦”，如圖10所示。在經過導線后的一段距離，卡門旋渦在上側和下側交替地脫離導線而消失，對導線產生上下交互的作用力，當該力策動的頻率與導線的固有頻率一致時發(fā)生共振，導線因此呈現(xiàn)出微風振動的現(xiàn)象。

圖10 馮卡門旋渦示意圖

5.2.3 電暈噪聲 輸電線路運行中，若導線表面電場強度超過臨界強度，將電離其臨近的空氣，形成弱電離氣體。電離氣體中的帶電粒子處于無規(guī)則的熱運動之中，粒子之間的電磁相互作用微弱，碰撞效應與空氣分子相似，同時帶電粒子受到外加電場的作用。由于電場的加速，離子的熱能較空氣分子大，且受電場的支配附加有整體的定向運動。在交變電場作用下，正極性區(qū)間正離子沿徑向向外運動，對空氣層施加壓力，負極性區(qū)間由電子附著于分子而形成的負離子沿徑向向外運動，對空氣層施加壓力，從而形成對空氣層的周期性作用，產生向外傳播的聲波。交變電場作用下的電暈產生的離子對空氣產生的聲壓可用(3)式[8]進行表示：

(3)

由(3)式可以看出，電暈噪聲的頻率也是2倍于電源頻率。然而實際線路中存在諸如旋轉電機、整流器以及變壓器等諧波發(fā)生源，在輸電線路中產生諧波電壓、電流分量，使得可聽噪聲頻譜中出現(xiàn)高頻分量。

6 結 語

由以上對750 kV變電站各噪聲源特性的介紹以及機理的分析我們發(fā)現(xiàn)，主噪聲源的振動頻率以2倍于電源頻率為主，即100 Hz。由于電力系統(tǒng)存在諸多高次諧波發(fā)生源，造成諧波分量，使得振動復雜，由此而產生的噪聲高低頻混雜，聲強高低多變。

根據(jù)筆者深入學習發(fā)現(xiàn)，諸多文獻從電氣設備元件本體構造出發(fā)，在不同層面上提出了抑制本體噪聲的措施，所以本文后續(xù)工作主要從變電站整體出發(fā)，提出降噪措施，以進一步削弱變電站在運行過程中的噪聲對人體及周圍環(huán)境的影響。

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