蘇通GIL綜合管廊聲傳播特性仿真研究

李永亮，唐俊，黨冬，閆曄，劉之方

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蘇通GIL綜合管廊聲傳播特性仿真研究

李永亮1，唐俊2，黨冬1，閆曄1，劉之方1

(1. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2. 蘇州靜聲泰環(huán)?？萍加邢薰荆K蘇州 215638)

蘇州-南通氣體絕緣金屬封閉式輸電線路(Gas-Insulated metal-enclosed transmission Line, GIL)綜合管廊工程是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術(shù)水平最高的超長距離GIL創(chuàng)新工程。通過分析管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立了其物理模型，根據(jù)聲學(xué)理論，結(jié)合管廊布置方式提出兩種計算模型，采用有限元方法對蘇通GIL綜合管廊的聲場分布進(jìn)行計算，并能為管廊內(nèi)的故障聲波定位提供參考。研究結(jié)果表明：對于非均勻聲源，管廊的平面波截止頻率在15 Hz附近。若聲源頻率低于15 Hz，聲波在傳播過程中快速轉(zhuǎn)化為一維平面波，可采用“到達(dá)時間差法”(Time Difference of Arrival, TDOA)進(jìn)行定位；如果聲源頻率高于15 Hz，則需對聲波信號做進(jìn)一步的時域和頻域分析以確定適合的定位算法。

蘇通GIL綜合管廊；氣體絕緣金屬封閉式輸電線路；電擊穿；故障定位；有限元法

0 引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas-insulated Metal-enclosed Transmission Line, GIL)是一種采用六氟化硫(SF6)或其它氣體絕緣、外殼與導(dǎo)體同軸布置的高電壓、大電流、長距離電力傳輸設(shè)備，具有輸電容量大、損耗小、占地少、運行可靠性高、維護(hù)量小、壽命長、環(huán)境影響小等顯著優(yōu)點，尤其適合作為架空輸電方式或電纜送電受限情況下的補(bǔ)充輸電技術(shù)[1]。

蘇州-南通(簡稱蘇通)GIL綜合管廊工程是淮南-南京-上海1×106 V特高壓交流輸變電工程的重要組成部分，也是華東特高壓交流環(huán)網(wǎng)合環(huán)運行的“咽喉要道”和控制性工程。工程起于南岸(蘇州)引接站，止于北岸(南通)引接站，經(jīng)由長達(dá)5.5 km的江底隧道穿越長江。管廊上層敷設(shè)兩回1×106V GIL，單相長度達(dá)5.8 km，是世界上電壓等級最高、輸送容量最大，技術(shù)水平最高的超長距離GIL創(chuàng)新工程，下層預(yù)留兩回5×105 V電纜以及通信、有線電視等市政通用管線[2]。

蘇通GIL綜合管廊工程是世界上首次在重要輸電通道中應(yīng)用特高壓GIL技術(shù)，因此對其運行可靠性的要求極高。但是在制造、運輸和現(xiàn)場組裝等環(huán)節(jié)中都可能導(dǎo)致GIL內(nèi)部產(chǎn)生絕緣缺陷，造成GIL帶電調(diào)試或運行時發(fā)生電弧擊穿故障。由于管廊內(nèi)空間小，同時由于特高壓GIL氣室大、管道長，進(jìn)一步增大了故障點排查和修復(fù)的難度。為了提高特高壓GIL故障檢修效率，保障其長期安全穩(wěn)定運行，亟需開展特高壓GIL電弧擊穿故障定位技術(shù)研究。當(dāng)GIL內(nèi)部發(fā)生電弧擊穿時，通常會在GIL筒體的擊穿點上產(chǎn)生聲源激勵，進(jìn)而形成聲波在管廊內(nèi)的傳播。因此可將電弧擊穿部位作為聲源，采集管廊內(nèi)的聲波信號，然后采用適當(dāng)?shù)姆治鏊惴▽崿F(xiàn)電弧故障點的準(zhǔn)確定位。

綜上所述，電弧擊穿所產(chǎn)生的聲波可作為對其進(jìn)行定位的依據(jù)，因此，研究管廊的聲傳播特性可對GIL電弧擊穿故障定位起到指導(dǎo)作用。對于管道內(nèi)的聲傳播特性計算，常用的有解析方法和數(shù)值仿真方法。解析方法[3]通常適用于管道外形簡單且內(nèi)部截面規(guī)則的管道，這樣可以推導(dǎo)出管廊內(nèi)的聲傳播方程，進(jìn)而快速地計算聲場分布。數(shù)值仿真方法通常有邊界元方法 (Boundary Element Method, BEM)[4-6]和有限元方法 (Finite Element Method, FEM)[7-8]。使用BEM首先需要推導(dǎo)出聲場分布的基本函數(shù)，即格林函數(shù)，通常復(fù)雜模型對應(yīng)較復(fù)雜的格林函數(shù)，因此增加了BEM的使用難度。FEM的優(yōu)勢在于其靈活性和適應(yīng)性，但其網(wǎng)格量通常要多于其它方法。

蘇通GIL綜合管廊內(nèi)包含兩回GIL線路，每回GIL有三根管道，模型比較復(fù)雜。因此，本文采用FEM計算管廊內(nèi)的聲場分布，分析其聲傳播特性。

1 GIL綜合管廊的物理模型和有限元模型

1.1 物理模型

蘇通GIL綜合管廊的縱斷面如圖1所示，管廊隨江底地形高低起伏，長度約為5.5 km，GIL在兩岸的接引站經(jīng)過豎井后與地面的架空線相連。管廊的橫斷面布置情況如圖2所示，兩回特高壓GIL布置在管廊上層，因為特高壓GIL外殼尺寸較大，其對聲波傳播的影響不可忽略。GIL管道和管廊沿軸線平行布置，因此聲波傳播的管道截面是不變的，根據(jù)聲波導(dǎo)管理論，管廊內(nèi)存在一個截止頻率。當(dāng)GIL內(nèi)部發(fā)生電弧擊穿時，會在GIL筒體上產(chǎn)生聲源，隨后聲波將通過管廊內(nèi)的空氣向周圍傳播。研究聲波在管廊內(nèi)的傳播問題屬于考慮了空氣介質(zhì)的聲場求解和分析問題，對管廊內(nèi)的聲波傳播特性分析應(yīng)集中在低頻段，因此在對管廊聲場分布進(jìn)行計算時，只需考慮在管廊內(nèi)連續(xù)分布且?guī)缀纬叽巛^大的結(jié)構(gòu)，即管廊壁和GIL筒體。管廊被分隔為上下兩層，隔板地面提供硬壁反射邊界，因此計算管廊的聲場分布只需考慮上層部分。簡化后的管廊模型由管廊壁、隔板地面和GIL筒體組成，其橫斷面如圖3所示，管廊壁、隔板地面和不被內(nèi)部力源激勵的GIL筒體均提供硬壁反射邊界。

圖1 GIL綜合管廊縱斷面圖

圖2 GIL管廊橫斷面布置圖

圖3 計算管廊模型橫斷面示意圖

1.2 有限元模型

由于管廊長達(dá)5.5 km，因此將有限元模型分為兩種，一是遠(yuǎn)離接引站端面的模型，二是接引站端面附近的模型。第一種FEM計算模型如圖4(a)所示，計算所用管廊長度設(shè)定為200 m，聲源位置在100 m處，管廊兩端均假設(shè)為無限遠(yuǎn)邊界，兩端設(shè)置為吸聲匹配層(Perfectly Matched Layer, PML)來模擬無限遠(yuǎn)邊界條件。第二種FEM計算模型如圖4(b)所示，計算所用管廊總長以及聲源位置同第一種計算模型，模型的一端是無限遠(yuǎn)邊界條件，用PML吸聲匹配層來模擬；另一端是管廊接引站端面，其相對于空氣為硬壁邊界。圖中僅示出軸向坐標(biāo)值，徑向坐標(biāo)參考圖2中管廊的橫斷面尺寸。

圖4 管廊有限元計算模型

1.3 有限元方法基本理論

采用FEM求解模型的性能最后都?xì)w結(jié)于求解離散化的有限元方程，也即是有限元矩陣方程。這里需要求解的聲學(xué)有限元方程為[8]

2 聲場計算

假設(shè)管廊內(nèi)空氣溫度為20℃，空氣密度=1.21 kg·m-3，空氣介質(zhì)中聲傳播速度為=343 m·s-1。計算模型中6路GIL的筒體半徑均為1 m，將6路GIL筒體均設(shè)為硬壁邊界，參照圖2所示的尺寸設(shè)置6路GIL的空間位置以及管廊尺寸，建立如圖4所示的兩種FEM計算模型，并分別進(jìn)行計算。

2.1 遠(yuǎn)離端面模型

每一回GIL由三條線路組成，兩回GIL在空間上是對稱分布的，因此只需對其中一回GIL進(jìn)行計算分析。

圖5 計算模型有限元網(wǎng)格圖沿xoy面投影

將點聲源放置在中間GIL外殼的左端，對其產(chǎn)生的管廊聲場分布特性進(jìn)行研究。此處給出了點聲源頻率為1、15、16、20 Hz時的管廊內(nèi)聲壓場幅值分布沿面的投影，分別如圖6～9所示。

由圖6～9可知，頻率為1、15 Hz的點聲源所引起的管廊內(nèi)聲場在遠(yuǎn)離點源位置為一維平面波場。雖然在點聲源附近有非均勻的高次波存在，但它們在傳播過程中迅速衰減，只剩下(0,0)次波傳播。頻率為16 Hz時，除了點聲源附近有明顯的高次波，在遠(yuǎn)離點聲源的位置也有部分高次波存在，但高次波幅值不太大；點聲源頻率為20 Hz時，在整個管廊內(nèi)有明顯的高次波存在。

圖6 由模型(a)計算的點聲源頻率為1 Hz時管廊內(nèi)聲場分布

圖7 由模型(a)計算的點聲源頻率為15 Hz時管廊內(nèi)聲場分布

圖8 由模型(a)計算的點聲源頻率為16 Hz時管廊內(nèi)聲場分布

圖9 由模型(a)計算的點聲源頻率為20 Hz時管廊內(nèi)聲場分布

在管廊正中軸向切面與管廊頂部圓弧面的交界線上取點，畫出管廊內(nèi)聲壓幅值隨軸向位置的分布曲線，鑒于對稱性，這里只給出了100～200 m范圍內(nèi)的聲壓幅值曲線。點聲源頻率為1 Hz和15 Hz對應(yīng)的曲線分別如圖10和圖11所示。由兩圖中的曲線可知，聲場中的高次波在向遠(yuǎn)處傳播時，首先經(jīng)歷一個衰減過程，頻率越低，衰減越快，對應(yīng)在管廊中形成一維平面波所需的時間也越短。

圖10 頻率為1 Hz的點聲源對應(yīng)管廊內(nèi)聲壓幅值隨軸向位置變化曲線

圖11 頻率為15 Hz的點聲源對應(yīng)管廊內(nèi)聲壓幅值隨軸向位置變化曲線

由于GIL各條線路所處的空間位置不同，它們單獨發(fā)生故障時所產(chǎn)生的聲場可能不同，因此需要對每條線路發(fā)生故障時產(chǎn)生的聲場分別進(jìn)行計算；另外，GIL筒體的直徑較大，其影響因素不可忽略，本文對每個筒體的上、下、左、右等位置布放點聲源時所產(chǎn)生的聲場也進(jìn)行了計算。結(jié)果表明，各條GIL線路及其位于各處的聲源所產(chǎn)生的聲場分布特性相似。因此，本文分析了位于管廊右側(cè)中間的GIL線路筒體左端位置的聲源產(chǎn)生的聲場分布特性，其他情況不再贅述。

2.2 近端面模型

計算模型如圖4(b)所示，計算所用的管廊長度取200 m，點聲源布置在軸向位置100 m處，即GIL中部，如圖3所示，從截面上看位于GIL筒體的左端，其振動幅值設(shè)置為1 N·m-1，管廊一端假設(shè)為無限遠(yuǎn)邊界，將其設(shè)置為PML吸聲匹配層來模擬無限遠(yuǎn)邊界條件，另一端為硬壁反射邊界。同樣對多個典型位置的點聲源產(chǎn)生的聲場分布進(jìn)行了計算和分析，發(fā)現(xiàn)了和遠(yuǎn)端面模型相似的聲場分布規(guī)律，即點聲源作用的近端面模型滿足均勻截面的聲波導(dǎo)管理論。因此，這里只給出了其中一個點聲源位置的聲場計算結(jié)果進(jìn)行代表說明。

點聲源位于右側(cè)中間GIL筒體的左端。聲源頻率為1、15、16、20 Hz時的管廊內(nèi)聲壓場幅值分布沿面的投影，分別如圖12、圖13、圖14、圖15所示。

由圖12～15可知，頻率為1、15Hz的點聲源所引起的管廊內(nèi)左半部分聲場在遠(yuǎn)離點源位置為一維平面波場；雖然在點聲源附近有非均勻的高次波存在，但它們在傳播過程中迅速衰減，只剩下(0,0)次波傳播。由于右端面是硬壁反射面，聲場在聲源的右半部分遠(yuǎn)離聲源區(qū)域形成標(biāo)準(zhǔn)的駐波場，平面駐波場的聲壓幅值沿軸向是變化的。頻率為16 Hz時，除了點源附近有明顯的高次波，在遠(yuǎn)離點源的位置也有高次波的存在，但高次波的幅值不大；點聲源頻率為20 Hz時，整個管廊內(nèi)有明顯的高次波存在。

圖12 由模型(b)計算的點聲源頻率為1 Hz時管廊內(nèi)聲場分布

圖13 由模型(b)計算的點聲源頻率為15 Hz時管廊內(nèi)聲場分布

圖14 由模型(b)計算的點聲源頻率為16 Hz時管廊內(nèi)聲場分布

圖15 由模型(b)計算的點聲源頻率為20 Hz時管廊內(nèi)聲場分布

點聲源對應(yīng)的平面駐波場中，相鄰波節(jié)或波腹之間的距離是一致的，仍滿足為聲波波長的1/2。以15 Hz為例，因第一個波節(jié)與聲源距離太近，波形受到影響，因此用其它波節(jié)計算。圖13中駐波第二個波節(jié)的位置為120.7 m，第三個波節(jié)的位置為132.1 m，兩波節(jié)之間的間距為11.4 m。

3 結(jié)語

GIL內(nèi)部發(fā)生電弧擊穿故障時，會在GIL筒體的擊穿點位置產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬態(tài)沖擊噪聲，因此可根據(jù)其在管廊內(nèi)的傳播特性開展故障定位技術(shù)研究。本文從重大工程技術(shù)需求出發(fā)，根據(jù)管廊結(jié)構(gòu)特點，提出了兩種簡化的計算模型，采用FEM對各條GIL線路及不同位置點聲源所產(chǎn)生的聲場分布進(jìn)行了計算和分析。結(jié)果表明，管廊中GIL線路以及點聲源的位置對于聲波傳播特性的影響不大；對于非均勻聲源，蘇通GIL綜合管廊的平面波截止頻率在15 Hz附近。如果聲源頻率低于15 Hz，高階模態(tài)聲波快速衰減消失，聲波在傳播過程中會快速轉(zhuǎn)化為一維平面波，可直接采用時延(Time Delay of Arrival, TDOA)算法基于直達(dá)聲傳播路徑進(jìn)行聲源定位；如果聲源頻率高于15 Hz，沖擊噪聲由聲源點經(jīng)過多次壁面反射后到達(dá)接收點，聲傳播路徑增加，且不同頻率分量的聲波具有不同的傳播途徑，采用TDOA算法無法直接進(jìn)行聲源定位，需對采集到的聲波信號做進(jìn)一步的時域和頻域分析，分析管廊中不同頻率聲波的傳播特性，根據(jù)響應(yīng)時間計算聲波在管廊中的傳遞函數(shù)，從而確定聲源信號在管廊中的傳播途徑。根據(jù)聲源傳播途徑修正定位算法，從而實現(xiàn)聲源準(zhǔn)確定位。

通過對蘇通GIL綜合管廊聲波傳播特性的仿真研究，初步掌握了管廊內(nèi)的聲波傳播規(guī)律，為電弧故障定位技術(shù)提供了理論依據(jù)和工作方向，為下一步開展基于聲波傳播特性的GIL電弧擊穿故障定位技術(shù)可行性論證和后續(xù)方案設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

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Simulation study of acoustic propagation characteristics in Suzhou-Nantong GIL multi-utility tunnel

LI Yong-liang1, TANG Jun2, DANG Dong1, YAN Ye1, LIU Zhi-fang1

(1.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. Suzhou Sound-Tech Environment Technology Co., Ltd, Suzhou 215638,Jiangsu,China)

The Suzhou-Nantong GIL multi-utility tunnel is an innovative engineering project using super long distance GIL with so far the highest voltage level, the largest transmission capacity and the highest technological level in the world. By analyzing the internal structure of the multi-utility tunnel, the physical model of the multi-utility tunnel is built, and two calculating models are put forward based on the acoustic theory and the layout mode of the multi-utility tunnel. The finite element method is applied to calculating the sound field distribution of the multi-utility tunnel, and it can provide a reference for locating the fault position in the tunnel. The results show that for nonuniform sound source, the cut-off frequency of the plane wave in the multi-utility tunnel is around 15 Hz. If the frequency of sound source is below 15 Hz, the sound wave can be rapidly transformed into plane wave during its propagation. Therefore, the fault position can be simply located by TODA (Time Difference of Arrival) method. If the frequency of sound source is higher than 15 Hz, the sound signal should be further analyzed in time domain and frequency domain to determine the appropriate location algorithm.

Suzhou-Nantong GIL multi-utility tunnel; Gas-Insulated metal-enclosed transmission Line (GIL); electric breakdown; fault location; finite element analysis

O241.82 O422.1

A

1000-3630(2018)-04-0297-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.04.001

2018-02-26;

2018-04-15

李永亮(1982－), 男, 山西大同人, 碩士, 高級工程師, 研究方向為高電壓技術(shù)、輸變電設(shè)備運維檢修技術(shù)。

李永亮,E-mail: lily82@epri.sgcc.com.cn