特高压分裂导线中的电晕噪声测量方法研究

刘元庆，冯涛，姜脉哲，史丽鹏，张景晨

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.北京工商大学，北京 100048）

为破解我国用电负荷中心和能源基地发展不平衡的现状，同时为满足未来社会与经济发展的用电需求，我国提出并建设了多条特高压交直流输电工程。在特高压直流输电工程方面，国家电网公司已经建成向家坝—上海、锦屏—苏南、哈密—郑州、溪洛渡—浙江等多条±800kV特高压直流输电工程并投入运行，并已建成国际上首条±1100kV特高压直流输电工程。

对于特高压直流输电线路，线路电晕引起的电磁环境已成为决定特高压线路结构和走廊的制约性因素，特别是电晕产生的可听噪声，不仅直接决定了导线选型，更是环保部门和广大民众倍加关注的问题，对其研究具有重要的社会效益[1]。为研究我国的超/特高压直流线路电晕效应特性，国家电网公司在北京市昌平区建设了特高压直流试验基地。早期设计时，该试验基地周边的环境噪声较小，随着北京城市规模的扩大和城市人口的不断增加，该试验基地周边的环境越来越复杂，由此导致周边的环境噪声也日益复杂。特高压直流电晕笼和试验线段位于该基地内，可听噪声试验作为特高压直流试验的重要组成部分，其周围环境噪声情况将严重影响特高压直流试验线路的电晕可听噪声测试和研究工作。

在开展输电线路的电晕可听噪声测试时，不可避免地会受到周围环境噪声的影响，其中包括周围的汽车等交通运输声，施工工地上的机器声，家畜、鸟类和昆虫的叫声等。当导线电晕产生的可听噪声比较小时，环境噪声的存在将会严重影响可听噪声测试工作[2]。如测量位置尽量靠近声源，其所测结果的信噪比肯定会更高，由此，本项目尝试了使用分裂导线内的电晕噪声测量方法。在高压分裂导线附近实现电晕噪声测量，需要解决两个关键问题，一是要采取相应保护措施防止测量仪器被高压击穿；二是要实现测量数据的长时记录。本次实验为声级计设计添加防击穿保护措施，将其放置于导线附近，在高压电缆附近完成电晕噪声的测量，从而得到电晕噪声的近场声压测量结果。

1 高压输电线路的电晕噪声测量方法

传统上对高压输电线路的电晕噪声进行测试时，传声器放置在垂直于输电线路的档距中央平面内，离地面1.5m高，并朝向正极性导线。一般输电线路电晕产生的噪声较小，经过空间衰减后很容易被环境噪声影响，因而其测量值的可靠性得不到保证[3、4]。

本文提出了在分裂导线内部测量线路产生可听噪声的方法，见图1，电晕近场噪声的测量通过B&K2250声级计完成，为防止仪器被高压击穿，将其放置于双层金属笼内，防击穿金属笼置于八分列高压导线缆的中间位置。

图1 电晕噪声近场测量装置示意图

将声级计和电脑的系统时间进行设置，使其同步，并对声级计内部软件定时器进行设置，使其可以在无人状态下进行信号记录。为验证声级计的记录时间，曾将声级计电量充满后，设置定时器从晚11点开始记录，记录至第二天早晨7点，共计8h，并将声级计放置于室外约3℃的环境中进行模拟测试，测试结束后声级计电量剩余约1/3，说明在温度较低的情况下声级计工作8h是没有问题的。

2 防电晕装置设计

根据法拉第笼原理，将导体放在电场强度为E1的外电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下，会逆电场方向运动。这样，导体的负电荷分布在一边，正电荷分布在另一边，这就是静电感应现象。由于导体内的电荷重新分布，这些电荷在与外电场相反方向形成另外一个电场，电场强度为E2。根据叠加原理，导体内的电场强度等于E1和E2的叠加。当导体内部总电场强度为零时，导体内的自由电子不再移动。物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡。处于静电平衡状态的导体，内部电场强度为零。由此可知，处于静电平衡的导体，电荷只分布在导体的外表面，所以可将笼内的物体保护起来。因为项目方的工作环境是在高电压下，而且实验仪器含有金属部分，不采取保护措施仪器将会被击穿，所以根据法拉第笼原理，设计了一个金属笼，将声级计放在金属笼内，以防止被击穿，从而保证试验正常进行。

根据法拉第笼原理，选择了金属网状半球作为这次制作法拉第笼的主要组成部分，所选的金属网状半球网孔较密集，这样就增大了安全及可靠性，而且外侧带有金属环，方便最终实际测量时对金属笼的固定。金属网状半球的底部带有支撑脚，可以很大程度保持不同层金属网状半球之间的间隔相对均匀，方便多层设计，金属网状半球，见图2。

图2 网状金属半球面

声级计固定在金属网状半球内的方式是用铜丝将竹签垂直固定在金属网状半球的最大切面上，然后用自锁式尼龙扎带将声级计固定在竹签上，尽量保证所固定的声级计处于金属笼的中央部位，使用自锁式尼龙扎带是因为其固定牢固，使用方便，装卸声级计简单。声级计固定在金属网状半球内的状态见图3。然后把金属笼另外一半的金属网状半球盖上，组合成一个完整的金属笼，两半金属网状半球使用铜丝固定，为了增加金属笼在实验过程中的可靠性，以及加强对声级计的保护，最终采用双层的金属笼设计方法，见图4。

图3 声级计固定方式

图4 双层金属笼

在现场测量时，将两层金属网状半球的另一半采用铜丝固定在一起，尽量保证内层与外层的金属网状球面间隔均匀。最终合并在一起的金属笼实物图见图4。将声级计的定时器设置好后固定在双层球状金属笼中，放置于电晕笼的高压电缆束的中央位置，从最近距离实现电晕噪声声压测试。

3 防电晕罩对测量结果的影响

防击穿罩的存在必然会对电晕噪声的测量产生一定的影响，为研究这种影响的大小，设计了如图5所示的实验。传声器1距离声源特定距离，分无防击穿罩和有防击穿罩两种情况进行测试，其中，有防击穿罩的情况又按照传声器振膜与声源的相对位置分为正对、背对、朝左和朝右4种情况。

图5 实验示意图

测试实际装置见图6，声源发出白噪声信号，测量两类工况下声压测量结果之间的传递函数，传递函数计算结果见图7，从图7中可看出，25kHz以下频段，各种测量位置传递函数多小于0.5dB，只是在个别频率处超过0.5dB，但20kHz以下的所有频段，都没有超过3dB。测试结果表明，防击穿罩对测量结果的影响较小。

图6 测试实际装置

图7 传递函数

4 实测结果分析

测试时间是2017年12月18日夜里，测试数据从前1天20:30开始，直至第二天5:54结束。在测试之前，完成测量装置的设置和安装，安装位置见图8。

图8 近场测量安装位置

将分裂导线内声级计的测量结果与笼体上自动测量系统的测量结果进行对比，可得如图9所示的结果。

图9 分裂导线内的测量结果与笼体上的测量结果对比

从图9可以看出，分裂导线内声级计的噪声测量结果比笼体上自动测量系统的噪声测量结果大6.5～11dB（A）。由于笼体上的测量探头与等效声源的距离大约是分裂导线内测量探头与子导线距离的10倍，在此距离下的线声源噪声衰减量为10dB（A），与实测结果基本一致。因为分裂导线内的噪声测量结果的信噪比更高，但由于其与常规的噪声测量结果的差值不固定，因而较难直接用于精确的线路噪声测量中，本文所提出的特高压分裂导线中的电晕噪声测量方法可用于导线电晕噪声的起晕研究中。

5 结语

本文研究了高压直流输电线路导线附近的电晕噪声测量方法，解决了在高压导线附近实现电晕噪声测量的两个关键问题，设计制作了防电晕罩，保护测量仪器不发生电晕放电，完成了防电晕罩对声压测试影响的研究，实际检验了声级计的长时间记录能力和低温耐受能力，完成了高压分裂导线近场电晕噪声的测量，并与笼体上的测量结果进行了对比分析。