750 kV变电站主噪声源特性及其噪声机理研究

2014-03-28，

杨凌职业技术学院学报 2014年2期

，

(杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100)

0 引言

西北五省(区)地域辽阔，资源丰富，具有得天独厚的水力、煤炭、石油、天然气及风力、太阳能等能源优势，是我国重要的能源基地。西北750 kV输变电示范工程是我国目前电压等级最高、世界相同电压等级中海拔最高的输变电工程，计划2012年前后，基本建成以甘肃省为中心，纵贯陕甘青宁四省区主要电源基地及负荷中心的750 kV骨干网架：甘肃与青海之间形成4回750 kV联络线，甘肃与宁夏之间形成2回750 kV联络线，甘肃与陕西之间形成4回750 kV联络线；永登—金昌—酒泉—安西750 kV双回输电线路将贯通甘肃的河西走廊；陕西750 kV电网以乾县为中心，向西至宝鸡，向东抵达渭南，由渭南向陕北延伸至延安、榆横。同时，新疆也将建设“工”字形的 750 kV骨干网架，并通过哈密—安西750 kV双回输电线路与西北主网联网，形成真正意义上的西北五省(区)大电网。此外，750 kV电网将从青海省西宁市向西以双回线路延伸至新疆格尔木，为西北与西藏联网送电创造条件。到2015年五省区将建成750 kV输电线路近20 000 km，750 kV变电站容量近100 000 MV·A。

根据西北地区750 kV电网初步规划，将在以上五省区建立750 kV变电站及开关站34座，其中新疆12座，甘肃9座，青海6座，宁夏1座，陕西6座。受限于能源的分布不均衡，部分省区的750 kV变电站必须建设在城市或城镇附近。因此，由变电站带来的工频电场、工频磁场、无线电干扰及噪声对工作人员和周边工作、生活的人群带来的影响亟待论证和解决。

750 kV变电站噪声源主要有750 kV主变压器、750 kV高压并联电抗器、66 kV并联电抗器、中性点小电抗、66 kV串联电抗器、66 kV并联电容器组等设备产生的噪声，导线、金具因电晕产生的噪声以及导线本体噪声。有文献[1]总结了噪声对人体听觉、神经系统、心血管、消化系统、血液、视力以及工作生活的影响，而750 kV变电站设备电压等级之高、设备额定电流之大，又受到设备制造水平的限制，其噪声传播的范围将更远。因此，全面了解750 kV变电站噪声源特性及其机理很有必要，为进一步的噪声防治提供可参考的理论依据。

1 典型750 kV变电站概况

沙州750 kV变电站站址位于甘肃省敦煌市七里镇，距敦煌市区约22 km。属敦煌盆地的冲积平原，地貌单元属戈壁平原。海拔高程在1 272～1 276.50 m之间，总体地形平坦、开阔。变电站建设规模总用地面积为18.683 hm2，静态投资107 168万元、动态投资112 057万元，如图1所示。工程本期装设1台、远期装设2台2 100 MVA主变压器；750 kV本期6回出线，远期10回；330 kV本期5回出线，远期18回，如图2所示。沙州750 kV变电站的建设增强了新疆与西北主网功率交换的能力，提高新疆能源在西北电网中优化配置的能力，为“疆电外送”提供网架支撑，是新疆与西北主网第二条联网通道。

图1 沙洲站建设规模

图2 沙洲站站内布局

2 变压器

2.1 750 kV主变压器特性

750 kV主变压器结构特点：(1)大量应用了ABB先进工艺，包括磁分路、铁心钢带绑扎、高频焊、冷压接等技术。(2)铁心结构为四柱式，左边心柱与右边心柱截面相同，上下铁轭的截面为主柱的55%，旁柱截面为主柱的50%，如图3所示。(3)线圈的连接：两个心柱上的高压线圈采用串联接线，中、低压线圈采用并联接线，旁柱上的励磁线圈和低压线圈并联，调压线圈套在旁柱上，串联在高压和中压线圈之间，采用中压线端调压方式。如图4所示。(4)油箱结构采用桶形油箱，为了满足变压器运输的要求，上盖采用梯形结构，为降低变压器的运输重量，油箱壁采用锰钢。

图3 750 kV主变压器铁心结构

图4 750 kV主变压器线圈的排列及引线结构

2.2 变压器的噪声机理

750 kV主变压器是变电站噪声最大的单体设备之一，其组成部件包括器身(铁心、绕组、绝缘、引线)、变压器油、油箱和冷却装置、调压装置、保护装置(吸湿器、安全气道、气体继电器、储油柜及测温装置等)和出线套管。研究表明[2]，变压器噪声源自于变压器本体及其冷却装置的振动，与变压器容量、铁心结构、磁通密度、硅钢片的材质以及冷却装置振动特性密切相关。

变压器本体振动一方面是铁心振动，其振幅与电源电压的平方成正比。造成铁心振动主要有两个因素：一是由硅钢片磁致伸缩而引起的铁心振动；二是铁心接缝处磁力线发生畸变产生的纵向拉力和铁心中磁通分布不均在硅钢片间产生的侧向推力，使得铁心变形振动。变压器本体振动另一方面是绕组振动，其振幅与负载电流的平方成正比。由于负载电流产生的漏磁通，在绕组导体之间、绕组之间、绕组和铁心之间、绕组和油箱之间产生电磁力，引起绕组、铁心、油箱的振动。除此之外，变压器的冷却风扇、油泵和散热器也会引起器身振动。以上的振动、噪声的产生及其传递过程如图5所示。在工频磁场下，铁心和绕组的振动频率皆为100 Hz，其周期是电压周期的一半。但是，由于硅钢片的磁致伸缩与外磁场强度、材料及温度有关，而这些因素的特性又存在很强的非线性，且铁心内、外框的磁路长短不同，使得变压器整体振动信号还含有高次谐波成分。

图5 变压器振动产生噪声过程图

图6 750 kV高压并联电抗器结构图

3 电抗器

3.1 750 kV并联电抗器特性

电力负荷中有感性负载如电动机，其电流为感性电流，也有容性负载如电容器，其电流为容性电流。无论感性电流或容性电流都与电压存在相量差，使得电网中流过的电流大于负荷的有功电流。如果是感性电流大，电网电压将由于线路压降大而下降，容性电流大将使得电网电压上升。一般220 kV及以下电网中，以感性电流为主，所以并联电容以抵消感性电流，降低电网中的电流及由此产生的电压降，使得电网电压恢复正常电压。220 kV以上的电网中，以容性电流为主，所以并联电抗器以抵消容性电流，将电网电压控制在额定电压范围内。

3.2 电抗器的噪声机理

为了能够提供更大电感,在空心线圈中插入铁磁材料,形成铁心电抗器。铁心电抗器的振动主要原因有两个方面：一是由磁致伸缩现象引起的振动噪声；二是由电抗器铁心的铁饼间电磁吸引力引起的振动噪声。

表1 并联电抗器绝缘水平 kV

由于铁心振动与硅钢片的磁致伸缩现象存在直接关系，因此，影响硅钢片磁致伸缩的因素均能影响铁心的振动。此外，当紧固铁心的螺钉发生松动，会使硅钢片的压紧力减弱，片间缝隙变大，硅钢片之间的电磁吸引力增大，也会引起铁心的振动，若该振动引起硅钢片弯曲或变形，会进一步增强硅钢片之间的电磁吸引力，从而引起铁心的振动加强。当发生短路故障时，铁心的温度急剧升高，导致硅钢片的磁致伸缩迅速加大，铁心的振动也将增大，若短路造成绕组绝缘击穿，绕组的振动也将明显增大。由以上分析可知，铁心与绕组的压紧及变形情况对振动的变化有明显影响，但由于并联电抗器磁路的磁通密度较低,远远低于变压器,一般认为由此引起的振动噪声较小[4]。

对于高电压、大容量的并联电抗器来讲，为获得较大且趋于稳定的电抗, 必须增大磁阻、限制磁饱和，因此在电抗器铁心的铁饼间存在气隙，如图6所示。变压器一、二次绕组总是互相去磁, 因此漏磁通较小，而电抗器没有与其一次绕组平衡的二次绕组, 又由于气隙的存在, 使得铁心电抗器漏磁通较大，这是电抗器振动噪声的主要因素。电抗器由于铁心柱的分段, 如图6所示，各段分别产生磁极,使铁心的铁饼之间存在电磁吸引力,引起额外的振动噪声。若与铁饼、垫块和铁轭组成的系统发生共振, 会使电抗器的振动噪声加剧。

4 电容器组

4.1 66 kV电容器组特性

电网中大多负荷为感性负荷，感性电流会使母线电压下降，威胁电力系统的安全稳定运行。将电容器组并联在系统母线上，发出无功功率，以补偿感性负荷对无功功率的需求，可起到稳定母线电压，降低电网的有功损耗，提高功率因数，同时还能提高变压器和电力线路的容量利用率和减少电压降，提高线路的输电能力。

750 kV变电站中的66 kV并联电容器成套装置采用框架式户外安装，单组容量60 000 kvar。单台容量采用500 kvar，内设内熔丝保护。电容器成套装置包含电容器、串联电抗器、电流互感器、放电线圈、避雷器、接地开关、围栏等。串联电抗器采用干式空心电抗器，均采用前置布置方式，电抗率按5%或12%设置。电容器组的实地安装如图7所示。

电容器组中串联电抗器的作用[5～6]：①对线路中谐波电流的抑制。供配电系统大量的非线性负载如家用电器、整流设备、变频设备等是高次谐波的发生源，高频率谐波使电容器容抗减小，通过电容器的电流增大，使得系统电流、电压波形畸变，造成电能质量变坏，电气设备损耗增加、出力降低等危害。特别是因高次谐波激发引起谐振，极易导致电容器过负荷、发热、振动及异常噪声直至最终被烧毁。因感抗与电源频率成正比，电抗器对高频率谐波呈高阻抗性，从而起到限制谐波电流的作用。②对电容器组投切时引起涌流的限制。纯电容回路在投入切换瞬间，电容电压不能突变，有可能出现非常大的涌流，从而损坏电容和该回路中的断路器、接触器等电器设备。而电抗器在回路投入切换瞬间电流不能突变，在电容回路中适当串入电抗器，可以限制电流的突然增大，保护电容器组。

图7 66 kV电容器组实地安装图

4.2 电容器的噪声机理

在正常运行时，电容器组中即包含了电容器的振动噪声，同时串联电抗器也会因振动而发出噪声。电抗器的噪声机理在前文已详述，本部分主要探讨电容器的振动机理。

当交流电压加在电容器上时，在电容器介质内电极之间产生静电力，该力会使电容器内部的元件一定程度内的变形产生振动，元件的振动传给外壳而使箱壁振动并形成噪声，从外壳向四周辐射。

电容器介质内电极之间单位面积上的静电力满足如下关系[7]:

(1)

式中:F为静电力；ε为介电常数；E为电场强度；d为电极间距；U为电压；I为电流；f为电源频率；C为电容值。

当电源电压u=Umsinωt时，则静电力为：

(2)

从上式可知，在交流电压的作用下，电容器噪声源的静电力振动将与外加电压幅值的平方成正比，从而产生2倍于电源频率的振动噪声。此外，当电极流过交流电流时还将产生电磁力振动，且与静电力振动频率相等，相位相同，但与静电力振动相比要小得多，故通常不予考虑。电容器噪声的产生和辐射过程如图8所示。

图8 电容器噪声的产生和辐射

5 导线

5.1 750 kV导线特性

分裂导线可使导线周围磁场分布改变，从而等效地增大了导线半径，减小了导线电抗。750 kV输电导线多数采用六分裂，呈正六边形排列方式，相导线采用6×LGJ-400/50钢芯铝绞线，部分采用6×LGJK-300/50扩径导线，其详细技术参数见表2，

三相导线采用水平或等边三角形排列。由于采用六分裂导线，每相六根子导线间必须使用阻尼间隔棒，如图9所示。间隔棒的主要作用是保证每相六根子导线间距不变以满足电气性能，降低表面电位梯度，防止短路电流时子导线间的鞭击以及抑制微风振动和次档距振荡。

图9 六分裂阻尼间隔棒

导线型号结构(根数×直径)(mm)钢芯铝股截面积(mm2)钢铝直径(mm)最大使用张力(N)最大使用应力(MPa)综合拉断力(N)设计安全系数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 导线的噪声机理

输电导线产生噪声主要有三方面的原因：一是风噪声；二是微风振动；三是电晕噪声。

5.2.1 风噪声一般情况下,导线在空气中发生振动时会引起周围气体的压力变动,因而产生声波并向四周传播。但是,有时导线在气体中即使不发生振动也会产生声音，这种由传播声波的空气自身的运动所产生的声音属于压力噪声。在架空输电线路中,风横向吹过导线，气流从导线背风侧表面脱离形成“冯卡门漩涡”时引起空气压力变化，该压力变化引起空气振动发出噪声,通常把该噪声称为导线风噪声。

5.2.2 微风振动假设无风状态下，可将导线看作水平放置的圆柱体，由流体力学可知，当风横向吹过导线时，在导线的背风侧会产生许多气流漩涡，即“冯卡门漩涡”，如图10所示。在经过导线后的一段距离，卡门旋涡在上侧和下侧交替地脱离导线而消失，对导线产生上下交互的作用力，当该力策动的频率与导线的固有频率一致时发生共振，导线因此呈现出微风振动的现象。

图10 冯卡门旋涡示意图

5.2.3 电晕噪声输电线路运行中，若导线表面电场强度超过临界强度，将电离其临近的空气，形成弱电离气体。电离气体中的带电粒子处于无规则的热运动之中，粒子之间的电磁相互作用微弱，碰撞效应与空气分子相似，同时带电粒子受到外加电场的作用。由于电场的加速，离子的热能较空气分子大，且受电场的支配附加有整体的定向运动。在交变电场作用下，正极性区间正离子沿径向向外运动，对空气层施加压力，负极性区间由电子附着于分子而形成的负离子沿径向向外运动，对空气层施加压力，从而形成对空气层的周期性作用，产生向外传播的声波。交变电场作用下的电晕产生的离子对空气产生的声压可用(3)式[8]进行表示：

(3)

由(3)式可以看出，电晕噪声的频率也是2倍于电源频率。然而实际线路中存在诸如旋转电机、整流器以及变压器等谐波发生源，在输电线路中产生谐波电压、电流分量，使得可听噪声频谱中出现高频分量。