交流特高压输电线路可听噪声的宽频带和
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2009特高压输电技术国际会议论文集 1 交流特高压输电线路可听噪声的宽频带和 纯音成分的理论比较Ueli Straumann，范建斌 摘要：高压架空输电线路在恶劣天气时通常会产生由宽频带和两倍于电源频率（2f）纯音组成的可听噪声。考虑到交流特高压输电电压可达1500Kv，在20世纪60年代至80年代，人们便开始了宽频带噪声的深入研究。然而，只有很少量的文献研究纯音成分发射的机理。最近，本文作者之一提出了一种明确的理论和计算程序。在本文中，此计算程序被应用于中国新建的1100kV特高压试验示范工程的线路设计中。将2f纯音声级同EPRI的公式计算的宽频带成分进行了比较，结果表明，这两种成分的声级水平相当低。
关键词：噪声，电晕，特高压输电线路 1 概述
诸如雨、雾、雪与霜等坏天气可以导致高压架空线路产生电晕。虽然理想条件下，导线可以避免电晕放电，但导线表面的水滴可以加强水滴附近的电场，直至这个区域的面积可以产生电晕。 电晕放电是可以感知的，表现为宽频带破裂声与嘶嘶声， 其频率主要约为一至数千赫兹[1]。在这
种情况下，一种具有2倍于电源频率的低纯音（2f, 例如100 Hz）及其较高的谐波也对可听噪声有所贡献。在早期研究中，这种成分被描述为背景噪声。 据作者所知，在20世纪60~80年代，高至1500kV的特高压交流输电工程启动时，发起了对宽带噪声的透彻研究，如文献[2]所示. 其后，对相关研究的热衷虽然有所减弱，但从没有停止过，而且也从来没有失去它的时事性。 在不同的国家规程中，基本评估标准通常是A计权噪声水平[3]，它标明了人耳对不同频率的声音
的不同敏感度。 通过A计权，2f 纯音成分应在其水平上减去19 dB (对于 100 Hz而言)，这使得它对总体A计权噪声水平有微小的贡献。 由于低频噪声只对A计权水平有较小的贡献，它通常都被不被人重视。然而，这2f纯音噪声也可以导致严重的问题，建造建筑物并不能削弱这种低频噪声[4]，而且纯音比一般相同强度的随机信号更
加恼人。在国家规程中，通常单独考虑后一种情况，对已测的A计权整体噪声水平增加一个补充[5]。
结合这种重要性，在国家噪声法规中，可听噪声的2f纯音成分会导致新的问题出现，因为建造建筑物并不能削弱这种低频噪声。 单个的脉冲电晕放电产生了宽频带噪声[6]，从
而导致了单声脉冲的发射。放电时释放的能量越大，发射的声脉冲越大，中间频率分量也越低[7]。
而后者正是测量所得的Trichel放电发射的声波脉冲频率属于超声波范畴的原因[8]。因此，对于宽频
带水平，只有强脉冲电晕放电有关联。 已发现的电晕放电的类型有Trichel 放电、辉光放电（只有正半波），以及起晕和击穿流注发射。由于辉光放电产生的脉冲较少，Trichel 放电主要属于超声波范畴[9]，只有起晕和击穿流注与宽频带可
听噪声相关。 高压输电线路的A计权可听噪声的预测方法和公式有很多。其中最为知名的是输电线路参考手册的计算程序[10]。
一些可听噪声的试验预测中提及了2f纯音成分。但介绍2f纯音成分发射机理的文献[6,11-14]要么
含糊不清，要么有争议，直到最近2f纯音成分机理才被理解。 据了解第一次定量描述2f纯音成分发射机理的是文献[15]。A计权电晕噪声中主要是高频和嘶嘶
声成分，直接源于电晕放电本身，2f纯音成分由放电后剩余的离子运动造成。这些离子运动到迁移区，与气体分子发生散射，从而进行热传导及形成施加于中性气体的力。热和力这两个量都是2f纯音发射的来源。在这种情况下，热和力都可以产生相似量级的2f纯音。计算纯音发射水平的前提是需了解发热和导线周围离子产生的力。 在本工作中，我们通过一个具体特高压线路分析了可听噪声中的两种成分。用输电线路参考手册中的计算程序确定宽频带噪声水平[10]，根据参考文
献[15]对2f纯音成分进行评价。在确定声级时，我们在每处都对该方法进行了描述，并在最后进行了比较。 2 交流特高压输电线路可听噪声的宽频带和纯音成分的理论比较 2 特高压线路相关参数 图1为计算噪声所用的特高压线路的几何尺寸，相序排列和分裂型式。
20 m
30 m
57 m
27 m400523
L1L2L3
voltage = 1000 kVU
diametersearth cable (ec): = 17 mmconductor cable: = 30 mmd
dE
L
[mm]
ec 1ec 2conductor bundle 图1 交流特高压线路设计中可听噪声水平的计算(对应于中国1100 kV特高压示范工程的线路设计)
以上设计对应的是中国1100 kV特高压示范工程的线路结构。计算宽频带噪声的电场用有限元软件来计算。相导线L1和L3的平均电场强度为11.5 kVrms/cm，相导线L2的平均电场强度为12.1 kVrms/cm。由于分裂根数较多，导线表面电场强度较小。
3 采用EPRI 公式计算A计权可听噪声 计算得到相导线L1和L3的平均最大场强（导线束的各子导线的最大表面场强的算术平均值）E为13.8 kVrms/cm，而相导线L2的平均最大电场强度为14.53 kVrms/cm。 计算噪声水平采用的是EPRI输电线路参考手册中的公式[10]。图2为计算得到L50和 L5，文献[10]
适用于中等老化的导线。因此，在线路试运行期间测量得到的值会比预测值稍大一些。
-100-500501004042444648505254
Lateral distance from line-center [m]Exceedence levels dB(A)] L5
L50
图2 线路设计中采用EPRI的公式计算A计权可听噪声横向分布
4 纯音成分计算
A. 离子迁移和电晕电流 由于其介电表现，在电场中的水滴将被拉长。
随着水滴形状的改变，水滴自身的电场强度再次增加。如果水滴的变形增加到一定程度，也就是形成了所谓的泰勒圆锥形和达到泰勒不稳定点，其中后者可导致水流从水滴顶端射出[16]。在这一过程中，
由于电场强度较大，电晕放电便可能开始出现。如前所述，这些电晕放电的类型可能是Trichel放电、辉光放电或起晕和击穿流注。由于电晕放电并不限于水滴，因此应使用更具一般性的突出概念。 电晕放电发生时，可分为两个区域：电离区和迁移区，如图3所示。
ionisation-regiondrift-region
conductorprotrusion
图3 电晕放电中的电离区和迁移区示意图 由于电离区内的电场强度足够高使得气体电离占据主要地位，其电离区直径通常小于1mm。与电离区相连的是迁移区，在迁移区内附着电子占主要地位，因此在该区内可形成负离子。在电场E中的负离子和正离子的迁移速度是由下式决定的 μ=vE (1)
式中，μ是离子迁移率[17]。根据文献[17]中提供的典型值，在仿真中离子迁移率取 ±1.7 cm2/Vs。
从导线开始，离子在半波长内可迁移达数十厘米远。 迁移是离子的平均运动，而这种运动实际上是在中性气体内的碰撞。这些碰撞有两个结果，一方面带电量为q的单一离子在中性气体中产生了大小为qE的平均作用力，另一方面, 按照μqE的速率，将能量转移。简单的实验表明,这种能量主要是被转化为温升[15] 。 这两个量可作为声发射的来源。同样，由于放电活动，这些量在每个电压周期内出现2次，因此这些源具有2f纯音成分。 B. 纯音发射 力f和焓h与声压p的关系可用式（2）所示的波动方程描述。式（2）中，t为时间变量；ρo 和 c
分别为空气中声音的密度和速度；γ为热容率。在声源已知的情况下，可使用式（2）得到声压。
Exceedence levels [dB(A)] 2009特高压输电技术国际会议论文集 3 221(1)
2222divph
octct
pγρ∂−∂
∂∂=−+−Δf (2)
如果声源定义为线声源，也就是传播距离d远小于声音的波长λ，通过式（2）很容易得到声压。仿真显示造成声源的迁移离子主要分布在导线附近。对于较小导线束，例如直径为40cm的导线束，使空气流向每相导线某一子导线的压缩空间分布的力和能量非常接近。但是，像这里研究的较大导线束几何结构， d<为了得到纯音成分水平的一个大致估计值，仍然采用这种近似。由于此种原因，计算得到的2f纯音噪声稍微较大。 描述热转化率的能量可仅由电晕电流给出[18]。
此电流可被测量出来，进而热源可计算出来。但热源不能通过现有的测量得到，而且并不能明确指出哪一种（热）源起主要作用。使用下文描述的仿真方法[15]可计算2f纯音噪声。 C. 热和力源的仿真确定 在有关文献中，理论描述电晕损失时常用到临界表面电场强度Ec，例如文献[19]。对于某一导线
表面状况（也就是有水滴的情况），定义一个临界电场强度Ec，当导线表面电场强度大于它时开始放
电（也就是离子进入迁移区域）。根据式（1），这些离子沿电场迁移，一种极性的离子背离导线迁移，其他极性的离子向着导线迁移，它们会在迁移区域中和。残留的离子，也就是背离导线迁移的离子，使导线表面电场强度减小。在这种假设下，由于放电而产生入射离子的数量不会导致导线表面电场强度超过Ec。 此处采用文献[15]中的仿真方法，不但需要Ec
的全局值，还需要每一个极角对应的导线临界电场
值Ec(θ)。Ec的值随极角θ的变化而变化，由于大水滴主要会处于导线的下面，而在导线上面仅会出现小水滴并有着较高的起晕电场[15]。图4描述了这里
94°180°
conductor
Ec = 25 kV/cm
Ec = 14 kV/cm
θ
图4 仿真中采用的中雨时导线临界表面电场强度Ec与极角θ的关系
使用的Ec值，它们对应于一种处于大雨和中雨之间（若干mm/h）[15]的新导线。 仿真结果明显显示，外相和L2相的二倍主频能量pel 2f分别为71 VA/m and 96 VA/m。L1和L3
相的2倍主频作用力为0.21 N/m，而相L2的为0.25 N/m。 D. 倍频分量的横向分布 利用前一节所给出的每一个阶段源的数值来求解无边界空间内点源的波动方程（2），就可以得到每阶段无边界声压场。 当将这些场量叠加在一起时，就必须考虑每个分量的相位。其中包括源电场的相角和传播到感兴趣点的距离。对于诸如100Hz的低频声波，地面反射几乎是全反射。因此，近地面处的声压几乎翻倍，此处的噪声水平增加6dB。 由前节提到的两倍于电源频率分量的A计权声压水平见图5。由于单相线路产生的声波沿导线横向截面的相位变化很大，形成了一个很复杂的干涉图样，各分量相位一致时得到最大声压值，各分量相位互相抵消时得到最小声压值。
-100-500501001520253035404550
