（机械电子工程专业论文）高压直流输电换流站设备噪声对环境声场的影响分析.pdf

| i i l llli rl i i 1i i i iii ii iif y 18 8 6 3 2 8 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：名刽节肛业大学 教授( 委 员：匀魂吻合肥通用机械研究院高工 奄甄创虹业大学 副教授灏副 导 师：号麓力肥工业大学 教授( 博导) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得佥起王些太堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毕瞌 签字日期训1 年9 月讶同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥工业大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名2 坪孔莨刷雅辄弘：乏。 o r j 一 v _ 、 _ 签字同期：1 年i , 月国同签字同期：幽，年彳月印同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 高压直流输电换流站设备噪声对环境声场的影响分析 摘要 高压直流换流站是我国正大力发展的直流输电工程的关键。换流站的电力 设备运行时会产生高噪声，如不加以控制治理必然会严重影响到周边环境。通 过声场分析手段可有效找到环境声场中出现噪声污染的症结所在并有针对性的 加以控制治理，因此对换流站环境声场进行模拟分析是一项很有意义的工作。 首先通过噪声预测软件完成8 0 0 k v 楚雄换流站的声场模拟。根据已有的 工程资料和对换流站内外噪声的实地测试，确认了换流站的主要噪声源设备包 括换流变压器、滤波电容器和平波电抗器等，结合现场测试到的噪声频谱分析 总结各噪声源的发声机理。通过对换流站已投运部分的设备采集到的噪声数据 进行处理分析，估算出可用于声场模拟的声功率级。再根据声学理论将换流站 内的各噪声源模型化。通过软件仿真计算，得到换流站的噪声分布图( g r i dn o i s e m a p ) 。 完成换流站噪声分布图绘制后，根据声学理论对站内建筑物平面布局进行 了优化，并通过软件对优化后的环境声场进行模拟得到网格噪声图。结果显示， 将换流站的噪声源布置在换流站中心、换流变压器采用面对面布置方式以及将 站内高大建筑物设置在噪声设备与敏感点中间路径等方法，可有效减小噪声敏 感点声压级或者缩小噪声控制区域。得到的研究结果可为后建换流站的平面优 化改进提供一定参考。 关键字：直流换流站；声功率级测试；声场模拟；噪声分布图 i n f l u e n c eo nt h es o u n df i e l d o fh v d cc o n v e r t e rs t a t i o ne q u i p m e n t s a b s t r a c t u h vc o n v e r t e rs t a t i o n p l a y s av i t a lp a r ti nh v d cp r o j e c t sw h i c ha r e d e v e l o p i n gr a p i d l yi nc h i n a t h ep o w e re q u i p m e n t sm a k eah i g hn o i s ew h i l et h e c o n v e r t e rs t a t i o ni sr u n n i n g s o u n df i e l da n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ni sa ni m p o r t a n t a n dp r a c t i c a b l ew a yt oi d e n t i t yt h es o u r c eo fn o i s ep o l l u t i o n a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s ，m e a s u r e so fn o i s ec o n t r o lc a nb em a d ew i t hac l e a ra i m b a s e do nt h ep a s te x p e r i e n c e sa n dt h et e s tr e s u l tt oc h u x i o n gc o n v e r t e rs t a t i o n ， t h em a i nn o i s es o u r c ew a sc o n f i r m e d ，w h i c hi sc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r , c a p a c i t o r so f a cf i l t e rs e t sa n ds m o o t h i n gr e a c t o r se t c c o m b i n i n gw i t ht h en o i s es p e c t r u mw e i n v e s t i g a t e dt h en o i s em e c h a n i s mo ft h ee q u i p m e n t s s o u n dp r e s s u r el e v e lw a s m e a s u r e di nt h ee n g i n e e r i n gf i e l d a f t e rc a l c u l a t i o n ，s o u n dp o w e rl e v e lw a s g a i n e d a c c o r d i n gt oa c o u s t i ct h e o r y , t h ea c o u s t i cs o u r c em o d e lw a sc o n s t r u c t e d a f t e rt h a t ， w ec o m p l e t e dt h es i m u l a t i o no fc h u x i o n gc o n v e r t e rs t a t i o n ss o u n df i e l db yu s eo f s o u n d p l a ns o f t w a r e t h eg r i dn o i s em a po ft h ec o n v e r t e rs t a t i o nw a so b t a i n e d a c c o r d i n gt oa c o u s t i ct h e o r y , a no p t i m i z e dp l a na b o u tt h es t a t i o nb u i l d i n g d i s t r i b u t i o nh a sb e e np r o p o s e d ，a n dw eg e tan e wg n mw h i c hw a sb a s e do nt h e n e wd i s t r i b u t i o np l a n t h er e s u l ts h o w st h a ta no p t i m u mg e n e r a ld i s t r i b u t i o nc a n h e l pt or e d u c et h en o i s el e v e lo fu h v c o n v e r t e rs t a t i o n t h i sr e s e a r c hc a np r o v i d e s o m er e f e r e h c ei nt h ec o n s t r u c t i o no fn e w p r o j e c ti nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：c o n v e r t e rs t a t i o n ；s o u n dp o w e rl e v e l ；s i m u l a t i o no fs o u n df i e l d ；g n m 本论文的研究工作是在导师李志远教授的悉心指导下完成的。导师对科学 知识的不断追求、勇于开拓进取的精神，以及严谨求实、兢兢业业的治学态度 给学生留下了深刻的印象，受益匪浅。李老师给我提供了良好的学习、科研和 实践条件，拓宽了学生的知识面，增强了我的动手能力、语言表达能力、书面 写作能力。从他的身上我学到了太多的东西。在此由衷的感谢导师两年多来的 辛勤培养和教育! 特别感谢许滨高工、陆益民老师、陈品老师、黄国兴老师、魏浩征老师、 杨义老师、阮学云老师在课题研究、实验方案制定、论文撰写过程中给予的大 力指导和热情帮助! 阮学云老师和黄国兴老师在对本文撰写过程中遇到的问题 进行悉心的解答使我获益匪浅! 衷心感谢唐志胜、张宸维、白宇、黄天镱、王小燕、陈慧等师兄弟姐妹， 正是因为在这三年的研究生经历中与他们的朝夕相处，关系融洽，使我在这里 度过愉快的三年。在这些同窗好友身上，学到了许多为人处事的优秀品质，这 段深厚感情永远难以忘怀。最后还要感谢父母二十多年的养育之恩，感谢人生 道路上遇到过所有关心我的人! 毕礼孟 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 高压直流输电的发展现状1 1 2 声场分析方法研究现状2 1 3 本论文选题意义及主要研究内容3 1 3 1 课题来源及选题意义3 1 3 2 课题研究目的一4 1 3 3 主要研究工作4 第二章高压直流换流站噪声源分析5 2 1 引言5 2 2 楚雄换流站概况5 2 3 换流站噪声源设备分析7 2 3 1 换流变压器噪声7 2 3 2 电抗器噪声9 2 3 3 滤波电容器噪声1 1 2 3 4 冷却系统噪声1 2 2 4 换流站噪声控制一般方法1 2 2 4 1 从噪声源进行控制1 2 2 4 2 从传播途径中进行控制1 3 2 4 3 接收点的听力保护1 4 2 5 本章小结1 4 第三章换流站设备声辐射特性试验分析1 5 3 1 引言1 5 3 2 声功率测量方法比较研究1 5 3 2 1 声压测量法1 5 3 2 2 声强测量法1 6 3 2 3 标准声源法1 8 3 2 4 振动测量法1 8 3 3 换流站设备试验分析1 9 3 3 1 换流站局部声场测试1 9 3 3 2 主要设备声辐射特性分析2 l 3 3 3 换流变压器噪声影响因素分析2 3 3 3 4 厂界噪声和站内敏感点测试结果2 4 3 3 5 噪声源设备声功率级计算2 5 3 4 本章小结2 7 第四章换流站声源模型分析2 8 4 1 引言2 8 4 2 声源的理论模型2 8 4 2 1 平面波一2 8 4 2 2 球面波一2 9 4 2 3 柱面波3 0 4 3 换流站噪声设备声源建模3 l 4 3 1 换流变压器建模3 1 4 3 2 滤波器组和平抗建模3 2 4 3 3 阀冷却塔等其他噪声源建模3 2 4 4 本章小结3 2 第五章换流站声场分析及布置优化3 3 5 1 引言3 3 5 2 声场中噪声的衰减3 3 5 2 1 声波传播路径3 3 5 2 2 多噪声源声波的叠加3 3 5 3s o u n d p l a n 软件应用3 7 5 3 1 软件介绍3 7 5 3 2s o u n d p l a n 仿真方法3 7 5 3 3s o u n d p l a n 仿真流程3 8 5 4 楚雄换流站声场模型的建立，3 9 5 4 1 声源声功率级设定3 9 5 4 2 声场参数设定4 0 5 4 3 声场仿真计算结果分析4 2 5 4 4 仿真模型验证一4 4 5 5 楚雄换流站设备布置优化4 5 5 6 本章小结4 7 第六章总结与展望4 8 6 1 全文总结一4 8 6 2 工作展望4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的论文5 0 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 - 8 图2 - 9 图2 10 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 插图清单 h v d c 组成系统示意图5 楚雄换流站全局图6 换流变压器组外观图8 换流变压器正面外观图8 干式平波电抗器外观图9 交流滤波电抗器外观图9 滤波电容器外观图1 1 电容器塔架外观图1 1 电容器单元示意图1 2 电容器受力分析图1 2 声功率测点示意图1 6 声强测量原理示意图1 7 换流变压器测点位置示意图2 0 某型号a 换流变噪声频谱一2 l 某型号b 换流变噪声频谱一2 1 平波电抗器( 高) 噪声频谱2 2 平波电抗器( 低) 噪声频谱2 2 5 6 3 滤波场电容侧噪声频谱2 2 5 6 3 滤波场电抗器侧噪声频谱2 2 站用变压器噪声频谱一2 3 高压阀厅空调噪声频谱2 3 y y 接法换流变噪声频谱2 3 y 接法换流变噪声频谱2 3 厂界测点位置示意图2 4 球面波传播示意图2 9 柱面波传播示意图3 0 换流变压器声辐射示意图3 1 电容器塔声辐射示意图3 2 电抗器声辐射示意图3 2 声速微分等于o “分界面”入射角折射角关系3 6 软件仿真流程图3 9 换流变压器( y ) 仿真频谱输入一4 0 楚雄换流站设备布置示意图4 l 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 地势设定对话框4 1 高压阀厅反射系数设置4 2 楚雄换流站网格噪声图4 3 仿真验证接收点位置示意图4 4 优化后的楚雄换流站网格噪声图4 6 2 1 2 3 2 4 2 6 4 0 4 1 4 5 4 6 第一章绪论 1 1 高压直流输电的发展现状1 1 l 1 2 l 1 3 1 直流输电简单来说就是将发电站生产的交流电通过换流器转变为直流电后 通过电网输送，到达受电端后再将其逆变为交流电供用户使用。同交流输电相 比直流输电有很多优势。首先从系统可靠性来说，由于直流输电并无相位和功 角，所以不存在交流输电当中的稳定性问题；直流输电的控制系统响应快、调 节精确，并可实现全自动控制，故障恢复时间短；第二，从经济性上来看，直 流输电的线路损耗和线路铺设成本比交流输电要低1 3 ，线路的后续维护以及 扩容成本都要低于交流输电。直流输电电缆允许的绝缘工作电压比交流电缆高 两倍，因而电缆的生产成本远低于交流电缆。但是由于直流输电换流站的建设 成本较高，所以计算经济价值时要综合考虑输电距离和换流站建设两个方面。 根据国外经验来看，输电距离超过8 0 0 k m 的等价距离，采用直流输电的方式更 为经济。第三，从技术实现的角度来看，近年来直流输电技术的发展基本扫除 了大规模采用直流输电的障碍。 自从世界第一个高压直流输电工程一一瑞典的哥特兰岛直流工程1 9 5 4 年 投入运行以来，此后近三十年世界范围内的直流输电工程得到迅猛发展。我国 高压直流输电起步相对较晚，但是近年来不断增大的用电需求，以及我国地域 广阔输电距离长的特点，都决定了我国的直流输电工程必须要快速发展。1 9 8 7 年底，我国自行研制的舟山1 0 0 k v 海底电缆直流输电工程投产运行。截至2 0 0 7 年，我国直流输电线路总长度和输送容量均已达到世界第一。与此同时，超高 压直流输电工程的设计建设、运行管理和设备制造水平也达到国际领先地位。 由于我国高压直流输电是近年来快速发展起来的，项目规模越来越大，在 建设过程当中需要考虑到的各方面问题都必须同时提出解决方案，以避免带来 经济和社会效益上的损失。近几年来，高压直流输电换流站引起的噪声污染问 题逐渐凸显，换流站产生的噪声在城市环境噪声以及工厂作业环境污染的构成 中占有相当大的比例。在一些工程中，换流站已经给周边环境带来了噪声污染， 某些已经运行的换流站厂界噪声超标达2 0 d b 以上【4 】，给周边群众带来了很大的 干扰，换流站已经成为环保部门密切关注的对象。如何控制厂界噪声达到相关 标准要求是换流站能否顺利投入运行的关键问题之一，对直流输电换流站工程 进行噪声控制势在必行。由于换流站噪声源种类繁多，噪声设备安装的空间位 置复杂，站内环境影响因素很多，这些不利条件造成了在换流站的主次噪声源 识别、噪声传播规律研究等问题上有一定困难。因此必须对高压直流换流站所 使用的各种新型设备的声学性能进行深入研究，并设法对换流站内的噪声分布 规律进行全局上的研究分析，进而帮助解决换流站对周边环境的高噪声辐射问 题，有效的为换流站的噪声防控治理提供参考。通过研究找到经济有效的噪声 控制手段降低换流站建设对环境的不利影响，为我国的高压直流输电发展提供 技术保障，使经济的发展和环境的保护相和谐。 1 2 声场分析方法研究现状 随着近代声学理论与应用的不断发展，声场计算与分析技术成为噪声控制 工程中一种非常重要的手段和依据。1 9 3 4 年，德国的f s p o n d o c k 教授在发表的 研究报告中首次提出了比例缩尺模型的思想【5 】。缩尺模型根据相似性原理，把 实际声场环境按比例缩小为模型进行声场分析，以全面的了解实际音质效果。 在此后二十年间，这种方法得到了不断的发展和完善。上世纪5 0 年代，在厅堂 设计当中比例缩尺模型得到广泛应用。在举世闻名的悉尼歌剧院的音质设计当 中使用了这种方法。我国的实验室缩尺模型研究始于五十年代后期。在人民大 会堂的设计当中也进行过缩尺模型的相关试验。近年来各种测量技术和分析手 段的不断进步又进一步拓展了缩尺模型的可应用范围。但是由于模型的制作成 本较高，并且分析周期长，计算过程复杂，这种方法在实际应用中有一定的局 限性。 近年来计算数学以及计算机技术和数字信号处理技术的快速发展为噪声控 制提供了新方法，使很多理论分析方法的实践应用变为可能。声场的计算机模 拟作为一种新型的声学分析技术正日益广泛地得到应用。根据声学原理，借助 于现代计算机技术，目前国内外许多研究机构开发了有关声场计算的软件。如 房间或管道中声场分布计算软件，它可根据房间内声源特性及分布、房间尺寸 及声学性质等计算给出室内声场三位分布，为室内噪声控制、各类厅堂、剧院、 舞厅等的声学设计提供指导和依据。城市环境噪声声场分布信息的系统软件， 则在城市地理信息系统( 给出城市建筑物、地形、地貌等的三维分布) 基础上， 建立城市噪声源数据库( 如铁路、城市道路、船舶航运、机场、工业噪声源等 各类噪声源的三维分布、源强、声源特性等) ，局部可计算某个工厂厂区、某个 机场等小范围内的声场分布，总体上可计算整个城市范围内的环境噪声分布， 并可根据城市建设或规划中噪声源增减( 如新建或取消铁路、公路、机场等) 等调整，实时预测现状或未来城市声环境分布，为城市规则和建设提供有力依 据，目前德国等多个欧洲国家的若干城市已建立了该系统。 采用一些噪声控制工程学理论领域新出现的方法比如统计能量分析法【0 1 ( s e a ) 、有限元法等可以使许多相当复杂的声学计算，如导弹和飞机噪声等得 到简化处理。计算机用快速傅里叶变换( f f t ) 计算自相关函数、互相关函数、相 干函数，极大提高了对噪声源识别等问题的水平。在环境噪声预测预评价方面， 通过软件计算也可更易获得精确的噪声地图，为城市总体规划、噪声污染控制 方案的决策提供科学依据。 2 噪声对环境的影响与诸多因素有关，为了评价噪声污染的程度，往往需要 对环境噪声进行预测 7 】 8 1 。例如，当一个工厂尚未建成或一条交通道路尚在设 计之中时，就没有办法通过实测的手段来获得它们辐射的噪声对环境的影响。 但是，我们往往可以预先知道未建成的工厂或者道路的噪声源的情况，如工厂 里有哪些高噪声设备，道路的设计交通流量是多少，以及建设项目周围的环境 对声音的辐射与传播有何种影响等等；由于有了这些基本信息，我们就有可能 通过数学和声学的方法，预测出项目建成后对周围声环境的影响，从而在建设 时就采取有效噪声预防及治理措施，这无疑比建设项目完成以后，噪声污染已 经成为事实再来进行治理要好的多。 实际工程中常常存在声源众多且相当分散的情况，实测的工作量相当大， 甚至难以测量，声场分析和仿真技术的进步无疑给噪声控制工程带来了一种可 行的思路和方法。在城市或环境规划中，需要在城市声环境质量现状与发展趋 势分析的基础上，根据土地利用规划、声环境功能区划以及社会和经济发展规 划。预测各功能区的声环境质量。对环境噪声进行预测，对于预报噪声污染情 况，从而采取合理而有效地措施对噪声进行预防和治理控制，以及对于环境规 划乃至城市规划都具有重要的意义。 1 3 本论文选题意义及主要研究内容 1 3 1 课题来源及选题意义 可听噪声的控制是特高压直流输电工程中换流站的选址和设计重要指标之 一。近年来我国直流输电快速发展，为确保直流输电工程的安全运行，在正式 投运前必须要对换流站进行一系列的调研调试准备工作。对换流站设备运行时 产生的环境噪声辐射影响进行研究和测试是关系到换流站能否顺利运行的关键 问题之一。随着电网建设中直流输电换流站技术的发展，各工程项目对环境保 护的要求也越来越高。在输电工程的建设当中必须不能以牺牲生态环境为代价 已经成为人们的共识。在目前已经投运的很多5 0 0 k v 直流换流站当中，噪声 过大的问题十分突出，有些换流站设备噪声超过国家相关标准达高达2 0d b ， 噪声污染使周边居民深受其害。在新的特高压直流输电工程的建设当中，环境 影响是必须加以充分考虑的关键技术问题之一。而根据经验和初步调查发现， 8 0 0 k v 特高压直流换流站辐射出的噪声比5 0 0k v 换流站还要大许多，要进 行有效控制和治理的要求更高难度也更大，对于换流站噪声问题的研究刻不容 缓，由于在换流站投入运行之后再对其进行噪声控制和治理和改造往往会提高 噪声治理的成本，因此在工程运行之初就必须要做好换流站的噪声控制工程并 在工程开展过程中进行跟踪测试以保证降噪效果。近年来我国相关部门已将换 流站等工矿企业的环保问题纳入法制化进行管理，对直流换流站设备的噪声问 题进行研究对于工程的按期完成保证电网安全运行、保护周边生态环境以及降 3 低工程投资的成本都有着重要意义。云广直流输电工程是世界首个8 0 0 k v 的 特高压直流输电工程，是国家特高压直流输电的示范工程。楚、穗换流站的设 备电压等级很高，在设备制造水平受到限制的条件下噪声较难以控制，且设备 较高的安装高度也会使其噪声的传播范围很广。实际工程情况带来的难度向降 噪工程人员提出了新的挑战。因此必须要在把握现有工程经验的前提下，针对 新的工程实际情况采取适当的措施，找到适合的途径为换流站的降噪工程提供 参考。 1 3 2 课题研究目的 本课题以云广8 0 0 k v 特高压直流输电工程中楚雄和穗东换流站的建设为 依托，研究目的有三个方面： 1 研究特高压直流输电换流站各设备的声学性能并建立其声学模型； 2 通过实验和仿真等手段总结出影响各设备噪声辐射的主要因素。 3 根据实验结果对换流站噪声进行噪声预测并分析平面布局优化的噪声控 制作用。 1 3 3 主要研究工作 本文对直流换流站的噪声控制技术进行了研究，并结合楚雄换流站的情况 对8 0 0 k v 换流站设备的性能进行了测试。分别通过试验测试和理论研究的手 段对直流换流站的噪声辐射状况进行了分析，所做工作如下： 1 进行直流换流站主要设备的声学性能试验，确定他们在不同负载以及其 他一些因素影响下的噪声特性。比较测得的各设备噪声频谱数据，分析其产生 噪声原因，为设备降噪提供参考。 2 根据已测得到噪声频谱数据，分析其噪声设备的声辐射特点并计算其声 功率级。 3 通过软件对高压直流输电换流站噪声进行仿真预测，结合测试结果对模 型进行修正。分析换流站声场点总结平面布局对其噪声辐射的影响。提出优化 方案，为以后将建的换流站提供参考。 4 本章首先从换流站的运行原理出发，介绍了特高压直流换流站内主要设备 的作用和噪声辐射的概况。接着从各设备的工作原理入手，分析它们的振动激 励源，产生噪声的原因。然后结合我国直流输电工程发展经验总结归纳了直流 换流站常采用的降噪手段以及这些方法对环境声场的作用效果，为后续的研究 提供理论依据。 2 2 楚雄换流站概况 在电能资源需求不断加大的形势下我国近年来大力发展直流输电工程。我 国幅员辽阔，用电需求量很大。在我国西部的广大地区有着丰富的水电资源， 而大量消费电能的东部地区自然资源却十分贫乏。在远距离电能输送中直流输 电具有线损小、铺设成本较低、运行稳定等优点，因而得到了广泛应用。图2 1 是直流输电的组成系统示意图。从中可以发现除了铺设线路以外，完成输电还 需要各种电流转换设备。在一个直流输电工程当中需要换流变压器、直流平波 电抗器、交流滤波器等电力设备的协同工作，因此需要分别在送电端和受电端 建设换流站来集中实施对这些设备的运行控制和日常巡检。 i 线路l 图2 1h v d c 组成系统示意图 云广8 0 0 k v 特高压直流输电工程于2 0 0 6 年1 2 月1 9 日开工建设，输电走 5 廊跨云南、广西和广东三省，线路总长达1 4 3 8 千米，输电容量5 0 0 0 m w 。云 南三江流域的水电站是西电东送的主要能源来源，由于送电距离长，依靠目前 普遍采用的5 0 0 k v 电压等级进行电力输送需要较多的输电线路回数，技术经 济不合理且难以实现，因此在进行充分论证后采用了8 0 0 k v 的特高压输电技 术，以满足工程需要。位于云南省楚雄自治州禄丰县的楚雄换流站( 图2 2 ) 是该 工程的送电端，楚雄换流站汇集了小湾、金安桥等水电站的电力，将我国云南 省以水电为主的清洁能源通过特高压直流输电的方式输送到用电大省广东，穗 东换流站位于广东省广州市的增城，它将电力最终转换后直接送至广州、东莞 等负荷中心。楚雄换流站建成后不仅可以满足“十一五”云电送粤的需要，缓 解南方区域用电紧张的矛盾，而且有效降低了输电过程中电能的损耗，减少了 用地走廊的土地占用面积，为发展低碳经济、实现资源的优化配置以及地方经 济的科学发展起到了积极的促进作用。 图2 2 楚雄换流站全局图 该工程是世界上第一个8 0 0 k v 的直流输电工程，同时也是国家特高压直 流输电的试点示范工程，同5 0 0 k v 超高压直流输电相比，云广直流输电工程 的电压提升超过三分之一，楚雄、穗东换流站需要采用按照新标准设计的特高 压直流设备，换流站的这些特高压设备在运行时会发出大量噪声，很多设备由 于运行时的散热需要，风扇管路也会产生很大的气流噪声。这些噪声使得换流 站成为一个对周边环境产生很大影响的场所。近年来随着我国土地资源的日益 紧张特别是在一些人口稠密的地区对于建设的换流站如不加以噪声控制治理必 然会对周围居民以及医院、养殖场等产生身心健康伤害或者经济效益的损失p j 。 同时站内大面积的高噪声区域也会影响到站内人员的日常工作，引发技术安全 6 ，对直流换流站的噪声辐射进行控制是必须进 省成本，最佳的方法是在换流站建设之初就对 计划建设的直流换流站进行声场仿真分析，预测其建成后将对环境产生的影响， 为噪声控制方案提供参考并提出相应的对策1 0 】。在进行该步骤之前首先需要对 作为分析对象的噪声源进行研究。 2 3 换流站噪声源设备分析 楚雄换流站的各设备电压等级高，容量大，结构也很复杂，噪声辐射值很 大。换流站内的噪声源很多而且声辐射特性各不相同。各设备之间共同作用形 成的叠加声场进一步恶化了站内噪声环境，带来了更大的治理难度。因此，对 该换流站的声场环境进行分析，首先要从叠加声场中找出各个单独的噪声源， 分析其频率特性并且找到发声机理和部位，从而为进一步的噪声控制提供方向 性指导。 楚雄换流站的主要噪声源包括极i 和极i i 的2 4 台换流变压器( 另有4 台为 备用不运行) 、直流场中的干式平波电抗器、4 大组交流滤波器场中的滤波电容 器和电抗器、阀冷却塔以及阀厅空调机组等。其中换流变压器是换流站的关键 设备，它与换流阀一起实现交流电与直流电之间的转换。其可靠性对整个直流 输电系统来说至关重要，同时它也是站内可听噪声辐射值最大的单体设备。因 为其噪声辐射频带宽，辐射声级高，对叠加声场的影响大，因此在声场仿真当 中换流变压器对声场的影响最为明显，对换流变压器的仿真噪声数据精度要求 较高。楚雄换流站内的干式平波电抗器在主控楼无换流变压器的一侧。它在运 行时发出的噪声也很大，由于在设备数量上同换流变压器相比较少，因此其对 换流站的噪声分布影响比换流变压器小一些。交流滤波器组的噪声辐射对整个 换流站的噪声分布影响较大，由于换流站的交流滤波器组中有多达上百个电容 器和电压器，叠加起来的声级很高，对环境声场造成了较大的影响。此外阀冷 却塔以及阀厅空调等设备都对换流站的叠加声场有一定的贡献，需要在声场分 析之前对这些噪声源的声辐射特点进行研究。分析其发声机理将有助于完成这 一工作。 2 3 1 换流变压器噪声 在直流输电系统中，换流变压器主要用于将交流电压变换为换流器所需换 相电压，即通过变压器绕组的不同接法，为两个串联的换流器提供幅值相等、 相位相差3 0 。的换相电压。通过依次将三相交流电压连接到直流端得到期望的 直流电压并且实现功率控制。这一过程需要换流变压器( 图2 3 ) 和换流阀共同完 成，因此通常在换流变压器组旁建设有换流阀厅。楚雄换流站已建成的高端阀 7 厅高达2 9 。5 m ，是世界上最高的阀厅。 图2 3换流变压器组外观图 图2 4换流变压器正面外观图 换流变压器的噪声由变压器本体噪声和冷却风扇产生的气流噪声组成【1 1 1 。 一般认为，变压器的本体产生的噪声是由两个方面引起的：一是变压器铁芯硅 钢片由于磁致伸缩作用而产生了振动噪声，二是线圈导线或线圈之间由于电磁 力的吸引产生了电磁噪声。磁致伸缩是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和 长度将发生变化的现象。变压器的铁芯在周期作用的交变磁场作用下，由于磁 致伸缩作用其尺寸在各方向发生变化，并且引起自身以及周围空气的振动，从 而产生了噪声，因此磁致伸缩作用是引起变压器本体噪声主要原因之一【l2 | 。因 此，对变压器设备进行低噪声设计可以考虑降低磁致伸缩作用产生的影响。有 研究表明，磁致伸缩引起的变压器噪声值主要由额定功率和铁芯的磁通密度决 定，与负载的大小无关。 在使用了磁致伸缩作用较小的高质量铁芯硅钢片的变压器当中，铁芯噪声 大为减小，这使得线圈导线间的电磁噪声变得更加明显。有研究表明【 】，交流 变压器铁芯磁感强度大约降低到1 4 特斯拉时，线圈电磁噪声就会大于铁芯噪 声，其声功率级可以根据下式得出： rq 、 k 。3 9 + 1 0 1 9 i 孑i ( 2 - 1 ) l ) p | 式中：k 。为线圈在额定频率、额定电流和阻抗电压下的a 计权声功率级， 单位为d b ( a ) ； s ，为额定功率，单位为m v a ； 5 。为基准功率，为1m v a ； 正常运行时交流变压器噪声谱一般低于1k h z 。线圈绕组产生的电磁噪声 与变压器功率有关，线圈噪声基频一般为电源频率的2 倍。因此，交流变压器 有负载时的噪声频谱由频率为10 0 h z ( 电源频率5 0 h z 的情况下) 的绕组噪声和频 8 率更为丰富的铁芯噪声叠加组成。同一般的变压器相比，高压直流变压器有的 负载电流的谐波分量更高【1 4 】，并且在硅整流桥与线圈连接处发生直流偏磁电 流，因此在相同额定功率下的高压直流输电换流变压器其产生噪声的声功率级 要更高一些。通常变压器电功率容量越大，两倍电源频率噪声所占的比例也越 大。体积较大的变压器，其谐波频率较低，而体积较小的变压器，其谐波频率 较高。 此外，冷却装置振动也会增加噪声辐射值。振动产生的原因包括：冷却风 扇以及变压器油泵运转时振动引起机械噪声和空气动力性噪声；变压器本体产 生的振动可通过连接件传递至冷却装置，造成了冷却系统振动噪声的加剧，从 而产生噪声。换流变压器冷却风扇高速运转时，辐射噪声频率集中在中高频。 值得指出的是，在换流站的众多设备当中，换流变压器的噪声值位居站内 各设备噪声辐射值首位。根据以往数据来看在未对噪声源设备进行降噪处理的 前提下，换流变压器如何布置对换流站内乃至站外一定范围内的声场分布都会 产生很大的区别。 2 3 2 电抗器噪声【”j 【1 6 】 根据不同的运行功能换流站中有多种电抗器，其中产生噪声较大对站内声 场分布有较大影响的主要是直流平波电抗器( 图2 5 ) 和交流滤波场中的滤波电 抗器( 图2 6 ) 。 图2 5干式平波电抗器外观图 图2 6交流滤波电抗器外观图 平波电抗器布置在换流阀厅外的直流场当中，整流后的整直电压当中还有 9 一部分交流分量，平波电抗器可以将其中的有害波纹加以抑制或滤除，使输出 电流更加接近于理想直流；同时，平波电抗器也可以改善功率因数。在电流出 现波动时平波电抗器还可以防止直流线路产生的陡波冲击进入阀厅，避免过电 压损坏换流阀；在电流突然间断时，会产生较高过电压，平波电抗器通过限制 由快速电压变化所引起的电流变化率来防止直流电流的间断，从而降低换流器 的换相失败率。在平波电抗器的内部参与以上工作的实质上是一个无导磁材料 的空心线圈。 滤波器组中的电抗器主要用于保证非故障线路上用电器运行的稳定性。为 满足换流站电路中断路器遮断容量的需要串联上电抗器，以此来增大短路阻抗， 通过自身电感抑制电流变化，限制短路电流。这样在发生短路时，电抗器上的 电压降较大，可以起到维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小， 确保换流站系统的动态稳定性和热稳定性。滤波电抗器的内部通常是多个松质 封装的绝缘铝导体线圈层，同轴层平行连接。 除了在工作环境比较恶劣比如污秽或气候条件很差的情况下需要采用油浸 式电抗器之外，换流站中的电抗器一般都采用干式空芯电抗器，下面主要对干 式空芯电抗器的发声机理进行分析。 当对电抗器通电以后，内部线圈的周围会产生交变磁场，并且在通过线圈 的区域产生电磁环绕力，正是这个力周期性激发电抗器产生了振动噪声。当直 流电流和谐波电流通过平波电抗器线圈时磁场作用产生的振荡环绕力作用在线 圈上引发了振动。另外对铁芯反应器来说，磁力会引起进一步的振动，因此如 果电抗器的铁芯中间有空隙，电抗器通电时也会带动空气摩擦，从而增大了噪 声。根据电抗器噪声的产生机理可以从理论上对其辐射的声功率进行计算，由 下式得出： 形= p o c a 6 0 0 u 2 ( 2 - 2 ) 式中：形为电抗器辐射声功率，单位w ； 风为空气密度，单位堙m 3 ； c 为声速，单位m j ； 以，为声辐射面的面积，单位m 2 ； 盯为声辐射系数； y 为振速，单位m s 。 电抗器声功率辐射的大小主要由声辐射面的面积以及设备振动表面的振速 决定。对于空心干式电抗器来讲，其声辐射面主要由线圈绕组构成，所以其声 辐射主要由线圈的径向振动速度决定，轴向振动和和空气摩擦噪声以及其它构 件振动噪声对总辐射声的贡献较小。 辐射系数口由设备的振动频率和结构特性决定。假如，某声辐射面以一定 的频率振动，在振动波长远大于周围介质( 比如空气) 的声波波长时，空气不 l0 能通过横向移动来补偿压差，空气质点的振速与该辐射面上的空气质点的速度 相等，此时仃= l ，反之则盯 l 。 2 3 3 滤波电容器噪声 换流站交流滤波器有滤除换流站产生的谐波电流以及向换流器提供部分基 波无功两个任务。滤波元件包括高低压电容器和电抗器、电阻器。其中高压电 容器的设计制造技术要求高，工艺复杂，其质量及性能好坏直接影响着交流滤 波器性能和可靠运行。滤波器组一般露天布置，大量的滤波电容器串、并联连 接( 图2 6 ) 在一起安装在电容器塔架上，组成的塔架往往有十几米高。滤波器场 中的电容器主要功能是对电抗进行补偿，以及对直流、交流电进行滤波。如图 2 8 所示为一个电容器单元，它是由两块缠绕的铝箔片以及定长的塑料和纸膜 组成。之后多个电容器单元串并联组成了一个电容器元件组，然后在外部以钢 制壳体包裹并且注油构成一个完整的电容器安装固定于电容器塔架( 图2 7 ) 。由 于台数多、单台容量大以及高次谐波电流流入电容器等，电容器噪声成为对换 流站环境声场有影响很大的噪声源。由于电容器塔架过高，声传播较远因此在 经过论证和改进之后，现在的直流输电工程中，换流站中的电容器塔架一般设 置为双塔式结构，降低了塔架高度，在不影响电容器工作效果的前提下使电容 器组的辐射噪声得到了一定的控制。 图2 7滤波电容器外观图 图2 8电容器塔架外观图 电容器内部产生的噪声属于电磁噪声【1 7 】。主要原因是电容器内附加的感抗 和壳体构造受交变磁场作用而激发的周期性振动甚至是共振。当在加载电压时 电容器元件上大部分电荷处于平衡态，铝箔片两侧都有一个吸引力( 如图2 1o ) 。 非平衡态的箔片是边缘处( f 1 ) 和中间的( f 2 ) 电容元件，因而边缘力