特高压换流站噪声源测试与预测技术研究

阳金纯，吴晓文，吕建红，黄 韬，周建飞

国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007

特高压直流工程建设在我国飞速发展，目前，国家电网公司已投运4项±800 kV特高压直流输电工程，2017年有5项±800 kV特高压直流输电工程投产运行，其中4项列入我国大气污染防治行动计划[1]，±1 100 kV准东-皖南特高压直流工程也获得了国家发改委核准[2]，具备开工条件。特高压直流工程的建设在减少污染物排放方面作出了突出贡献，但不可避免地带来一些新的环境问题，主要环境影响之一为噪声对环境的影响。

环保部高度重视噪声的科研和成果转化应用，并对噪声声功能区的划分和调整工作提出了新的要求[3]。特高压换流站噪声源种类和数量众多，高度、尺寸差异较大，且各种噪声源特性不同，导致换流站声场环境复杂。主要的噪声源(如换流变压器、平波电抗器、滤波电抗器、滤波电容器)源强相对较大，对环境的影响最为显著。如何在复杂的声场环境中获取各种噪声源的特性数据，在此基础上对整个换流站的噪声分布进行预测分析，提出相应的噪声防护方法或措施，具有重要的实际意义。

目前，对交流输变电项目噪声监测和分析较多[4]，而特高压换流站主要噪声源测试数据缺乏，大部分采用声压法测量，在复杂声场环境下的测试结果的准确性不能满足实际要求；采用声强法测试，在一定条件下结果相对准确，但测试方法繁琐，无法对带电设备(如交流滤波器场电容器组、电抗器等)进行现场测试。因此，采用先进的测试方法和手段，获取噪声源的特征参数，显得十分迫切。大部分特高压换流站换流变压器采用box-in设计[5]，即换流变压器两侧为防火墙，后面紧靠换流站阀厅墙壁，顶部和前面采用隔声板进行封闭，散热风机布置在前端面板之外，把换流变压器本体装在一个相对封闭空间，进风口采用消声百叶进风，顶部采用风机抽风，因此对其进行噪声预测分析较为复杂，而国内对封闭空间的噪声研究较少，对室外声屏障的绕射衰减测量进行过研究[6]。交流滤波器场电容器组、电抗器数量多，其发声机理各不相同，且两者相邻布置在隔离区内，无法开展近距离测试。而直流场平波电抗器高达20 m之多，对其进行噪声测试也存在很大的困难。同时站内线路构架的电晕噪声与电容器、电抗器噪声交织一起，对测试结果造成一定的干扰。

本文采用相对先进和实用的测试方法获取噪声源特征信号，剔除干扰信号，对无法直接测试的噪声源设备、采用理论分析、声成像等手段进行分析，在此基础上对换流站噪声进行预测评估。

1 实验部分

1.1 内容与方法

本次实验涉及A、B、C 3个换流站换流变压器、交流滤波器场电抗器和电容器组、变电架构等主要噪声源的噪声测试与分析，在此基础上对换流站噪声进行预测计算，并通过实测验证预测结果。A、B、C 3个换流站相应的布置方式及主要噪声源见表1。

表1 A、B、C换流站布置方式及主要噪声源

传统的噪声测试方法有声压法和声强法。声压法测试时受外界干扰影响较大，同时在复杂的声场环境中，不能剔除背景噪声的干扰。声强测试法可以排除外界背景噪声的干扰，在自由场或半自由场声环境中测试较准确，但是在反射面距测试包络面较近时，测试结果受到影响[7]，而且在换流站内无法对换流变、电容器组、电抗器进行包络面测试，因此，声强测试法在现场实际测试中不可行。

采用现场录波法对被测对象及背景噪声信号进行收集，通过计算机进行频谱分析，剔除或排除背景噪声影响，识别出被测对象特征谱。采用激光振动测试法、声成像法，可实现对带电设备在安全距离外进行测试，适用于不能靠近测试的带电设备的测量。振动测试法根据声振耦合理论，噪声可通过结构表面的振动速度级及其辐射效率来表征。《声学一振速法测定噪声声功率级用于封闭机器的测量》(GB/T 16539—1996)[8]适用于那些由于背景噪声很高或其他环境影响较大而不可能用声压法直接准确测定空气噪声的场合。

1.2 实验数据

A、C换流站换流变压器声压级测试数据6个，A换流站换流变压器噪声与振动频谱数据5组，A换流站交流滤波器场电容器组噪声与振动频谱数据2组，A换流站变电架构声成像数据1组，B换流站电抗器噪声与振动频谱数据2组，C换流站站界噪声监测数据5个及预测噪声1组。

2 结果与讨论

2.1 换流变压器噪声测试结果与特性分析

目前我国换流站换流变压器的噪声防护主要采用2种方法：一种是在换流变压器前端加隔声屏；另一种是采用box-in技术将换流变压器本体封闭，由于变压器本体处在封闭的有限空间中，噪声在各个面之间经过多次反射叠加，实际测试结果较露天布置的同类型换流变压器测试结果高出约20 dB(A)。

测试时测点避开换流变压器风机侧，距换流变压器本体水平距离为0.5 m，测试高度为1.8 m(以下对换流变压器的测点布置同)，现场测试结果见表2。

表2 A、C换流站换流变压器噪声监测结果

根据表2实测结果，在对换流变压器进行建模计算时，需考虑换流变压器噪声在其周围壁面的多次反射叠加，而采用box-in布置的换流变压器噪声叠加明显，至少应考虑2次反射叠加。

以A换流站为例，同时采用3种方法对换流变压器本体噪声频谱特性进行分析。

第一种方法为传统声压测试法，为减少反射声等背景噪声的影响，采用声级计靠近本体表面的方法测得1/3倍频程频谱，见图1。

图1 A换流站高端换流变压器声压级频谱Fig.1 The sound pressure spectrum of the high-end converter transformer in A converter station

第二种方法为现场录波法，通过现场近距离采集声源的各种时域信号，再对信号进行分析处理，识别噪声源特征，对时域信号进行FFT离散分析，频谱图见图2。

图2 A换流站高端换流变压器傅里叶离散分析结果Fig.2 Fourier transform analysis results of the high-end converter transformer in A converter station

由图1和图2可知，换流变压器的特征频点为400 Hz，该频率点的噪声贡献值占90%以上。

第三种方法为激光振动测试法，将聚焦好的激光瞄准换流变压器本体，激光经换流变压器反射后，信号被接收，根据多普勒原理，可获取换流变压器的振动速度、位移等，并通过计算机分析处理，获取振动频谱进行进一步分析。测试结果分别见图3和图4。

图3 A换流站高端换流变压器振动频谱测试结果Fig.3 High-end converter transformer vibration spectrum test results in A converter station

图4 A换流站高端换流变压器(Y/Y)振动频谱测试结果Fig.4 Test results of the high-end converter transformer (Y/Y) vibration spectrum in A converter station

从图3和图4可见，换流变压器振动频谱中400 Hz为优势频点，与图1和图2声压频谱中的优势频点具有明显的相关性。进一步证明了换流变压器的特征谱为400 Hz，从而识别出了换流变压器的低频噪声特征。因此在建模计算时，对换流变压器噪声源强赋值时，应保证400 Hz谱点处的值占整个频谱噪声贡献的90%以上，这样能更加科学预测低频噪声的影响。

box-in换流变压器采用消声百叶进风，顶部风机抽风方式散热，换流变压器本体处在相对封闭的空间，此时将换流变压器等效为5个面源，再采用室内噪声往外透声的模式进行建模分析，顶部风机等效为点源，box-in换流变压器隔声板的隔声量按40 dB(A)计算，换流变压器前部面板的散热风机按点源计算。采用其他方式布置的换流变压器，也应考虑周围防火墙及其隔声屏障的反射叠加效应。

2.2 交流滤波器场电容器组噪声测试结果与特性分析

由于换流站内电容器组、电抗器均属于带电设备，被隔离在一定区域内，此时无法近距离对其进行声压或振动测试，国内部分研究仅在实验室针对单个电容器进行仿真或实验[9-11]，与现场电容器组的运行状况不同，此时应采用激光振动测试法，实现在安全距离外对带电设备进行测试，同时开展现场录波及声压级测试。

对±800 kV A换流站交流滤波器场电容器组同时开展激光振动及声压级测试，测点距电容器组水平距离为5 m，测试高度为1.8 m。声压级频谱见图5，振动频谱见图6。

图5 A换流站交流滤波器场电容器组声压级频谱Fig.5 AC filter capacitor bank pressure spectrum testing in converter station A

图6 A换流站交流滤波器场电容器组振动频谱图Fig.6 AC filter capacitor bank vibration spectrum testing in converter station A

由图5可知，声压级频谱中以630 Hz为优势频点，但不能确定是电容器组的特征谱点，因为滤波电容器组紧邻滤波电抗器布置，且电抗器噪声要高于电容器组噪声。由图6可知，交流滤波器场电容器组振动特征频点不明显， 200 Hz处振动略占优势，说明2种方法的测试结果没有明显的相关性。

交流滤波器场电容器组处于换流站内隔离区内，无法近距离进行测量，且其运行波动较大，并受相邻电抗器的干扰，因此，采用声压级方法测量不可取。但有必要改善振动测量方法，第一种方法于检修期间在电容器上贴上反光条，送电后再进行测试，这样可以增强激光反射信号，从而提高测试准确性。第二种方法，在运行条件许可时，对各种运行工况下的振动信号进行详细测试分析，研究其运行规律与振动特性之间的关系。

单个电容器的噪声主要集中在其两端[13]，而对电容器组两端等效为线源，若电容器组有n层，则有2n个线源，线源之间的垂直距离即电容器组层之间的距离。由于电容器噪声有明显的指向性，采用本文建模方法明显比将电容器组等效为一个垂直线源或等效为几个面源的方法更加科学，在电容器组安装时，可考虑将其端部避开换流站站界或周围敏感点，达到不需要改造设备就可降低噪声的影响目的。

2.3 电抗器噪声特性分析

在B换流站交流滤波器场选取了2种不同型号的电抗器进行振动测试，电抗器1主要用于滤除11次谐波，电抗器2主要用于滤除24次谐波，监测布点图见图7。

图7 B换流站监测布点图Fig.7 Monitoring layout of B converter station

测试时距电抗器水平距离为5 m，电抗器1测试离地高度为1.8 m，电抗器2测试离地高度为1.2 m。根据B换流站测试数据，交流滤波场电抗器1振动特征谱约为550 Hz，为11次谐波频率。由图8和图9可知，交流滤波场电抗器2振动特征谱约为1 200 Hz，为24次谐波频率。因此可以判断，电抗器1的特征谱点为550 Hz，电抗器2的特征谱点为1 200 Hz，在以上频率点噪声与振动具有较好的相关性。

图8 交流滤波器场电抗器1照片及测试结果Fig.8 AC filter field reactor 1 photo and test result

图9 交流滤波器场电抗器2照片及测试结果Fig.9 AC filter field reactor 2 photo and test result

因此，交流滤波器场电抗器振动和噪声特征频率与其所承担的滤除谐波频率相对应，具有较强的相关性，在建模计算时应重点对其特征谱点正确赋值。

除交流滤波器场电抗器外，B换流站还有2台油浸式平波电抗器，与换流变压器平行布置在阀厅的两侧，其外形和普通变压器类似，可以对其进行近距离声压级测试，但未能对其振动频谱进行准确识别。而现今特高压换流站不再使用油浸式平波电抗器，而是使用干式平波电抗器，该类型电抗器布置在直流场区域。根据干式平波电抗器的工作原理，其正常运行时流过低端平波电抗器的电流很小甚至为零，因此低端平波电抗器的噪声影响可以忽略，减少了建模计算量。

干式平波电抗器、交流场滤波电抗器、直流场电抗器均可等效为柱面源，若预测换流站站界噪声，可以将其等效为点声源。

2.4 变电架构电晕噪声特性分析

可采用声成像法和小波分析法对换流站变电架构电晕噪声进行识别。

第一种声成像法即采用一定数量的声传感器组成一定的阵列，对噪声源进行实时识别，以图像显示出结果。该方法适合于高大噪声源的监测和识别。

在对变电站架构进行建模计算时，可将其发声最明显的部位简化为点源，而其他部位的噪声影响可以忽略，毕竟构架的电晕噪声明显低于换流站内其他噪声。

另一种方法为小波分析法，首先在变电架构附近录取所有噪声信号，利用变电架构电晕噪声的短时脉冲特性，采用小波分析法进行电晕噪声分离[12]。

2.5 C换流站噪声计算结果分析

以C换流站为例，对换流站内围墙、建筑物和主要设备按实体尺寸建模。C换流站主要噪声源源强见表3。

表3 C换流站主要噪声源噪声强度Table 3 Noise intensity of the main noise sources in C converter station

同时对C换流站大门侧及4组交流滤波器电容器组侧靠换流站围墙内侧噪声进行现场监测，监测点距围墙水平距离1 m，测点高度为1.8 m,监测布点图见图10，监测结果和计算结果见表4。由表4可知，采用本文所提出的噪声源识别与建模预测技术，计算结果与现场实测结果具有较好的吻合性。

图10 C换流站噪声实测布点图Fig.10 Noise monitoring layout of C converter station

3 结论

成功识别了特高压换流站内换流变压器噪声特性，其优势频点为400 Hz，占整个频谱噪声贡献值的90%以上，且其声压级频谱与振动频谱具有高度的相关性，从而识别出换流变压器对环境的影响以低频噪声为主。成功识别了交流滤波器场电抗器噪声特性，其优势频点与其所滤除的谐波频率相一致，如滤除24次谐波，则优势频点为1 200 Hz，同样其声压级频谱与振动频谱具有高度相关性。对交流滤波器场电容器组的振动测试方法提出了改进方法。对换流变压器的建模技术进行了改进，将其等效为5个面源，并按其优势频谱进行赋值，再考虑其在有限空间内的多次反射叠加效应，使预测结果更加科学。根据交流滤波器场电容器组的两端指向特性，将每排电容器组等效为两端平行的线声源建模，同样提高了噪声预测水平。

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