不同外径输电线风噪声的试验研究

2019-04-03朱云祥沈国辉陈梁金高志林

振动与冲击 2019年6期

朱云祥, 沈国辉, 陈梁金, 高志林, 张扬

(1. 国网浙江省电力公司，杭州 310007; 2. 浙江大学建筑工程学院，杭州 310058；3. 中能建浙江省电力设计院有限公司, 杭州 310007)

随着电力系统的高速发展，架空输电线路因其能适应多种地形而被广泛应用，但因选址等问题很多线路架设无法避开人口密集区域，由此产生的环境噪声问题如风噪声等影响着当地居民日常生活，也开始受到社会关注，在20世纪90年代左右日本就已有相关报道[1]，在某地区的居民投诉风噪声类似于飞机过境时的“吼叫”，明显不同于环境背景噪声，严重影响了他们的作息生活。近年来在国内如温州某山区也出现了相关投诉，周边居民反映新建线路在大风时产生啸叫声。

输电线风噪声的现场实测目前还没有报道，现场只能测电晕噪声，1996年Kazuo等[2]就进行了Akagi试验线测量，给出了8分裂导线的电晕噪声和“随机噪声”。通常采用风洞试验方法研究风噪声问题。Tsujimoto等测试了普通导线、光滑圆柱和多种异形股导线的风噪声水平，同时试验了多种突起高度和突起角度的异形股导线风噪声性能；Osamu等[3]进行了二维流圆柱的风噪声试验，解释了风噪声的成因；Fujita[4-5]进行了添加不同端板类型的圆柱噪声风洞试验，沿试件布置了多测点获得表面风压并计算升力、阻力，测量了声压级与测点距离关系；Iglesias等[6]对比了不同形状椭圆杆在不同风攻角下的风噪声特性，给出了频谱、声压级等随倾角、风攻角和测点方向等参数的变化关系；Hutcheson等[7]研究了多种工况下湍流度对圆形杆件风噪声的影响，分析了单根和多根不同摆放的圆杆风噪声；Geyer等[8]进行了针对圆柱风噪声进行了包裹多孔材料的风噪声降噪措施研究。在国内，尤传永等[9-10]综述了输电线风噪声的机理及低噪声导线的开发，沈国辉等[11-12]通过数值模拟和风洞试验给出了圆截面杆件的风噪声特性。以上试验主要针对圆柱截面试件进行研究，没有针对不同尺寸的输电线试件进行系统研究，同时也未给出输电线和光滑圆柱风噪声特性的异同点。

基于以上背景，本文通过专门建造的声学风洞，针对5种截面的输电线进行4种常见风速的声学风洞试验，分析输电线风噪声在不同外径、风速的频谱特征，研究输电线风噪声卓越频率、总声压级、A计权总声压级随风速、外径的变化规律，讨论了相近外径的输电线和光滑圆柱风噪声之间的差异，试验结果为实际输电线路风噪声问题提供参考。

1 声学风洞和试验工况

试验在浙江大学ZD-2声学风洞中进行，其气动轮廓图如图1(a)所示。该风洞包括动力段、扩散段、稳定段和消声段等多个部分，试验风速范围为0.5～35 m/s。试验段的进风口尺寸为0.4 m×0.25 m，半消声室尺寸为2.8 m×2.8 m×2.6 m，如图1(b)所示，吸声尖劈截止频率为200 Hz，经标定室内本底噪声小于25 dB(A)。在图1(b)的进风口和出风口处的风道左右两侧布置内壁面贴有吸声海绵的端板形成二维流，以消除三维效应的影响。试验构件放置在进风口中轴线处，截面中心距离进风口为47 cm。采样点位于构件中心正上方83.5 cm处，采样设备为1个高分辨率无指向性声压麦克风。

根据实际工程中常用的导、地线型号，选取5条典型输电线试件进行风噪声试验，试件的表面经过清洁处理，长度均为60 cm，型号见表1，外径Φ范围为15.0～33.6 mm，试验风速为10 m/s,15 m/s,20 m/s和25 m/s。麦克风采样频率为50 kHz，各工况采集时长为10 s。

(a) 轮廓图

(b) 试验段图1 ZD-2声学风洞介绍Fig.1 Layout of ZD-2 acoustic wind tunnel

型号计算外径Φ/mm外层子线直径/mmAACSR30/7/2.1215.02.12ASAR700MCM30/7/3.4924.13.49LGJ400/3526.63.22AAAC506-37/4.1829.34.18LGJ630/4533.64.20

试验通过获得的采样点声压时程进行噪声频域分析。噪声声压级(Sound Pressure Level)定义为

SPL=20 lg(p/pref)

(1)

式中:p为采样点声压;pref为参考声压，即人的听觉下限声压，为2×10-5Pa。通过累计各个倍频段下的声压级，可得采样点总声压级OASPL

(2)

式中：fmin为研究声频率的下限，一般为人的听觉下限频率20 Hz；fmax为研究声频率的上限，一般为人的听觉上限频率20 000 Hz。

对于圆柱绕流，斯特罗哈数St反映了绕流涡脱的频率特征，定义为

St=fsD/V

(3)

式中：fs为漩涡脱落频率；D为圆柱直径；V为风速。通常雷诺数处于亚临界的圆柱绕流中St数为0.2。

因人耳对声音强弱的主观感觉与声压级、频率均有关，故常对获得的声音信号进行计权分析以与人的主观感觉保持一致，常用A计权网络对各频带声压级进行修正，获得对应的A计权声压级，反映了人耳的听觉感受，其计权特性曲线如图2所示。

图2 A计权特性曲线Fig.2 A-weighted characteristics curve

2 输电线风噪声的频谱特征

2.1 输电线风噪声频谱

根据获得的风噪声声压时程信息，通过傅里叶变换可得噪声的频域信息。图3为风洞在4种风速下的背景噪声声压级频谱，由图可见：在约200 Hz附近背景噪声增大，推测为消声室内的吸声尖劈声学特性引起，高于100 Hz时背景噪声最大值基本在50 dB以内，背景噪音总体上较小，适合用于输电线风噪声的研究。

图3 背景噪声声压级频谱 Fig.3 SPL spectrum of background noise

图4为风速20 m/s时3种不同外径输电线风噪声频谱，外径基本按9 mm递增。由图4可见：①在20 m/s风速时3种外径输电线的卓越声压级相差不大，均在65 dB左右；②33.6 mm外径输电线(LGJ 630/45)相比另外两种较细外径输电线卓越声压级略微偏小，其原

图4 20 m/s下3种输电线风噪声的声压级频谱Fig.4 SPL spectrum of aeolian noise of three transmission lines at 20 m/s

因推测为该尺寸输电线表面子线直径更大，产生了更大的表面粗糙度而影响输电线的卓越声压级；③输电线的外径越大，其卓越频率越低。

选取典型外径的输电线加以分析，图5为ASAR700输电线(24.1 mm外径)在10～25 m/s风速下的声压级频谱。由图5可见：①类似于光滑圆柱，输电线在各个风速的声压级频谱存在显著峰值，其原因为输电线总体仍为类圆柱构件，仍基本具有圆柱绕流的流动和声学特性；②随着风速的增长，输电线风噪声的卓越频率逐步提高。

图5 ASAR700输电线风噪声声压级频谱Fig.5 SPL spectrum of aeolian noise of transmission line (ASAR700 type)

2.2 输电线风噪声卓越频率

通过风噪声的声压级频谱，获得各个工况下输电线风噪声的卓越频率。图6为各输电线风噪声卓越频率随风速的变化情况，由图6可见：类似于光滑圆柱，输电线风噪声的卓越频率随着风速的增大基本呈线性增加，且随输电线外径的增加，卓越频率增长率下降；此外，因不同直径的输电线具有不同的表面形状，导致了部分输电线特别是尺寸较大的输电线风噪声卓越频率并非严格按线性增加而是略有偏差，即导致出现了部分相交的情况。

图6 五根输电线风噪声的卓越频率Fig.6 Peak frequency of aeolian noise of five transmission lines

图7为输电线风噪声卓越频率随外径的变化情况，同时在图中增加了理论曲线，该曲线基于式(3)计算，St数取0.2。由图7可知：①输电线风噪声的卓越频率随着外径增大而呈反比例减小；②输电线卓越频率与理论曲线对应外径处的频率值差距不大，其原因为：圆柱绕流风噪声声源主要为圆柱表面漩涡脱落产生的偶极子声源，导致了风噪声同漩涡脱落存在相关性，即风噪声的卓越频率几乎与漩涡脱落频率相同，但因输电线表面并不是完全的光滑圆柱表面，因此两种频率会存在一定的偏差；③所有输电线试件的风噪声卓越频率均在350 Hz内，主要为低频噪声，实际中表现为类似飞机过境的轰鸣声。工程中常见导、地线外径基本在本试验输电线试件的外径范围内，且一般线路设计风速多为20～30 m/s，同试验风速差别不大，故试验所得频率结果可对类似工程问题提供参考。

图7 五根输电线风噪声的卓越频率Fig.7 Peak frequency of aeolian noise of five transmission lines

2.3 输电线风噪声的斯特罗哈数St

由风噪声卓越频率计算获得相应St数，可得输电线各工况St数随雷诺数的变化情况，如图8所示，图中还给出Geyer针对外径30 mm圆柱的声学试验结果。由图8可见：①光滑圆柱的St数离散较小，略小于0.20左右，同亚临界区圆柱绕流的一般取值一致，输电线的St数离散较大，试验最小值为0.176，最大值为0.216；②圆柱St数随雷诺数增加呈现略微减小的趋势，输电线总体上则随雷诺数增加呈现明显增大的趋势；当雷诺数大于4×104时输电线St数大于光滑圆柱，其原因推测为输电线表面的粗糙度产生流场变化，进而影响声场而引起[13]。

图8 五根输电线的斯特罗哈数Fig.8 Strouhal number of five transmission lines

3 输电线风噪声的声压级

通过各工况的声压级频谱获得各输电线的总声压级OASPL。图9为输电线风噪声OASPL随外径的变化情况。由图可见各风速下不同外径的输电线总声压级差异不明显，也没有明显的变化规律，仅在风速15 m/s时外径15 mm附近的两种输电线总声压级明显大于较粗的输电线。造成该结果的原因为风洞背景噪声在低频的声压级很大，同时还覆盖了较宽的频带(由图3可见在200 Hz以内均存在较大的背景噪声)，对直接获得的各工况总声压级产生很大的干扰。

图9 五根输电线风噪声的总声压级Fig.9 OASPL of aeolian noise of five transmission lines

经A计权计算得到不同风速下的输电线风噪声总声压级OASPL(A)，图10给出了输电线风噪声OASPL(A)随外径的关系。由图10可见：①A计权总声压级较未计权总声压级下降了30～40 dB，参考图2的A记权特性可知风噪声信号以低频为主；②A计权总声压级随风速的增大而增大；③A计权总声压级基本呈现随外径增大而减小的趋势，在高风速下更明显，其原因主要为外径越大，卓越频率越小(见图6)，根据图2可知A记权的折减量越大。

图10 五根输电线风噪声的A计权总声压级Fig.10 OASPL(A) of aeolian noise of five transmission lines

4 输电线与光滑圆柱风噪声对比

输电线由于外表面为绞线形式，其风噪声特性与光滑圆柱有一定的差异，本文针对相同外径的输电线和光滑圆柱进行对比研究。

4.1 频谱特性对比

图11为型号ASAR700MCM(外径24.1 mm)的输电线和外径24 mm光滑圆柱在15～25 m/s风速下的噪声声压级频谱，图中实线为输电线，虚线为光滑圆柱。由图11可见：①当风速为15～20 m/s时圆柱的卓越频率略大于输电线，当风速达到25 m/s时输电线的卓越频率(224 Hz)大于圆柱卓越频率(204 Hz)；②两者的声压级存在差异，在卓越频率附近，低风速时两者的声压级相差不大，在25m/s时输电线的卓越声压级小于同风速下的圆柱卓越声压级，差距为7 dB，其原因主要为输电线实际为绞线，在表面存在较大的粗糙度改变其周围的流场情况，从而影响周围的声场。

图11 输电线和24 mm圆柱风噪声声压级频谱Fig.11 SPL spectrum of aeolian noise of transmission line and circular cylinder of 24 mm

4.2 A计权总声压级

选取型号ASAR700输电线(外径24.1 mm)和24 mm光滑圆柱进行分析，两种构件风噪声总声压级及A计权总声压级随风速的变化情况分别见图12和图13。由图12和图13可见：①两种构件仅在10 m/s时输电线总声压级比光滑圆柱小1 dB，其他风速下总声压级几乎相同，未体现两者的差异；②在风速10 m/s时，输电线A计权总声压级略大，风速增大后，光滑圆柱风噪声则明显大于输电线，且随着风速的增加差距增大，风速20 m/s时光滑圆柱A计权总声压级比输电线高2.8 dB，25 m/s时高达7.0 dB。

图12 24 mm圆柱和输电线风噪声总声压级Fig.12 OASPL of aeolian noise of the line and the circular cylinder of 24 mm

图13 24 mm圆柱和输电线风噪声A计权总声压级Fig.13 OASPL(A) of aeolian noise of the line and the circular cylinder of 24 mm

通过以上对比可以发现，因输电线更为粗糙，产生的风噪声也比同尺寸下的光滑圆柱风噪声偏小，可以预见，适当增加输电线表面的粗糙度(如采用扰流线)可以降低风噪声。但输电线还存在电晕噪声，且当输电线变得更粗糙后(如采用扰流线)会产生更大的电晕噪声。根据已有的研究，异形股导线(在绞线过程中适当增大部分子绞线的突起高度以产生螺旋线效果)在抑制风噪声的同时，又避免产生显著增大的电晕噪声，是导线风噪声抑制的一个主要方向。