本文应用数字孪生技术建立可听噪声模型,对特高压直流输电线路的声源位置和强度分布以及可听噪声的影响因素进行仿真和讨论。
模型采用了世界上最大的室外电晕笼,其位于中国北京的特高压直流试验基地。如图3(a)所示,电晕笼由正负极两部分组成,本文只研究正极性电晕放电产生的可听噪声。单笼尺寸为10m×10m,型号为JL/G1A-720/50-45/76的6分裂导线悬挂在笼中央,如图3(b)所示,子导线直径为36.2 mm,线间距为0.45m,离地高度为5m,输电电压为800kV。
3.1 仿真条件设置
根据图3中的电晕笼结构建立了数字孪生的仿真模型,模型中的温度、相对湿度和大气压力分别设置为10℃、50%和101.325kPa。输电线长度设置为40m,空气密度为1.15 kg/m3,空气中声速为340m/s。
在计算导线周围的声场时,分裂导线与地面之间的几何距离远远大于分裂导线的尺寸。因此,6分裂导线可以等效为一根导线,通过以下公式计算等效半径。
当物体的几何尺寸远远超过波长时,声源的波属性影响极小,可以近似看作从声源点射线的传播。因此,我们在 20-600Hz 低频段内使用压力声学模型,以观察声源点的波动性。在 600-20000Hz 较高的频段内使用射线声学模型,以提高模型计算效率。流体定义为大气衰减模块,地面的壁面条件设置为漫射散射,其他工作面的壁面条件设置为穿过。地面草坪的吸声系数和反射系数分别为 0.8 和 0.2。使用四面体网格剖分,设置网格的最大长度是 0.2m,网格生成的最大迭代次数为 25,迭代误差为 1%。为了减小运算量,同时保证仿真结果的准确性,我们进行一下简化:
(a)忽略导线的弧垂,将输电导线视为平行于地面的线段。
(b)输电线路上的可听噪声某一时间段上基本稳定、均匀。
(c)仅考虑静止空气,不考虑风速的影响。
(d)仅考虑平坦地面,不考虑斜坡、积水等复杂地面条件。
3.2 声源分布仿真
应用数字孪生模型,我们讨论了电晕笼输电线路可听噪声源的位置和强度分布。声源位置𝑃𝑖和强度𝑄𝑖是随机数,由上文可听噪声的声源特性中讨论的三种分布类型产生。相关参数值设置如下。
然后我们在输电线上设置声源的位置和强度,并使用数字孪生模型来仿真地面接收点的A计权声级,如图4所示。
为了确定电晕笼内特高压声源服从的分布类型,我们将仿真结果与BPA预测公式(5)进行了比较。该公式是美国BPA公司通过长期的试验观察总结提出的,因此被广泛应用于特高压可听噪声的预测,具有较高的准确性。模型的仿真结果如图5所示。
图5中,模型中地面A计权声级用黑点表示,BPA公式计算的A计权声级用红点表示。可以发现,A计权声级随着传播距离的增加而继续降低。当传播距离进一步增加时,噪声水平的降低逐渐减慢并趋于稳定。
图5仿真结果与经验公式预测结果对比: (a)声源位置和强度呈均匀分布,(b)声源强度呈高斯分布,位置呈均匀分布,(c)声源强度呈指数分布,位置固定
当声源强度和位置呈均匀分布时,仿真得到的噪声值整体略大于经验公式预测,但有个别位置预测偏离经验公式较多。当声源强度呈高斯分布、位置呈均匀分布时,仿真预测与经验公式趋势一致,且数据集中在经验公式的预测值附近,模型的处理效果较好。当声源强度呈指数分布时,地面处的噪声值与预测公式相比有较大偏差,模型效果不太理想。
因此,可以认为实际的输电线路可听噪声声源的强度更接近高斯分布,位置更接近均匀分布。这可能是因为,可听噪声的声源点多由于导线缺陷和污秽积累造成,这在自然环境中是随机发生的,因而声源在导线各个位置产生的概率大致相等,呈现均匀分布。长距离导线会持续产生可听噪声,且声源强度受多种环境因素影响,在较大的时间和空间范围内噪声强度将满足高斯分布。
3.3 影响因素仿真
影响特高压可听噪声的因素很多。我们选取了温度和相对湿度两个主要因素,对模型中的可听噪声进行了计算、仿真和分析。地面接收点到导线的径向距离设置为 10 米,其他参数保持不变。
在可听噪声的产生和传播过程中,空气分子的振动和定向运动会受到环境温度的影响,从而改变空气的阻力和吸收,导致声音衰减。我们研究了温度为-10°C、0°C、10°C、20°C和30°C时,地面可听噪声的A计权声级,如图6所示。可以发现,随着气温的升高,地面A计权噪声持续减小,但降幅较小。这是因为空气粘度和吸收阻力随温度升高而缓慢增加。
空气中的水分子对电晕放电也有重要影响。我们将相对湿度设置为0%、20%、40%、60%和80%,并计算出可听噪声,如图7所示。当相对湿度为0时,可听噪声最高; 相对湿度为20%时,可听噪声最低。以15000 Hz频率为例,随着相对湿度的增加,噪声从77.5db迅速下降到61.5db,但当湿度增加到20%以上时,可听噪声又缓慢增加。这是因为当相对湿度较低时,水分子会与自由电子结合形成负离子,负离子的运动速度相比自由电子大大降低,碰撞电离不易发生,电晕放电被抑制,从而使可听噪声不断降低。当相对湿度较高时,空气中逐渐形成体积较大的水分子团附着于导线表面,水滴表面较大的曲率半径产生畸变电场,局部电场强度升高,加快了电离作用,使可听噪声不断增强。
此外,从图6和图7中发现,频率越高,可听噪声受温度和湿度影响的变化越剧烈。在相同条件下,高频噪声的地面A计权声级更低,这表明高频噪声在传播时更容易发生吸收和衰减。