CN104793063A - 一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，所述方法包括：确定三维模型；确定每相导线表面电场强度；确定每相导线的声功率级；确定交叉跨越架设区域内任一点的可听噪声水平。该方法具有高可信度，可用于预测输电线路交叉跨越区域的可听噪声中。

Description

一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法

技术领域：

本发明涉及一种确定可听噪声的方法，更具体涉及一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法。 

背景技术：

随着我国经济的持续快速发展，经济发达的东部地区能源需求进一步增加，而能源生产重心逐步西移，能源生产、消费区域的逆向分布更加明显，西电东送、南北互供的电网分布格局也持续加强。当前，我国电网建设仍处于高速发展阶段，超高压、特高压输电线路迅速推进，交流与交流、交流与直流、直流与直流高压输电线路的交叉跨越情形进一步增多，使得输电线路电磁环境影响更趋复杂。 

交流与交流输电线路交叉跨越处的电磁环境相对更复杂，而目前国内外对交叉跨越线路附近的电磁环境仍然没有开展过系统的研究。在近年的一些输电工程中，出现居民投诉和阻止施工的情况，地方政府、环保部门及电网公司都承担了较大压力。因此，亟需对交叉跨越区域的电磁环境进行准确计算，为科学合理地确定交叉跨越点导线高度和导线排列方式奠定基础。 

电磁环境因素主要包括线路的电场、可听噪声和无线电干扰这3项技术因素。目前对于平行或同塔架设多回线路的可听噪声的计算方法较多，但交流与交流输电线路交叉跨越区域的可听噪声计算仍然没有较好的方法。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，该方法具有高可信度，可用于预测输电线路交叉跨越区域的可听噪声中。 

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，所述方法包括以下步骤： 

（1）确定三维模型； 

（2）确定每相导线表面电场强度； 

（3）确定每相导线的声功率级； 

（4）确定交叉跨越架设区域内任一点的可听噪声水平。 

本发明提供的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，所述步骤（1）是根据给定的导线型式、导线对地高度和导线排列方式建立三维坐标系，确定模型。 

本发明提供的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，所述步骤（2）中的电场强度通过静电场理论确定。 

本发明提供的另一优选的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，任意一点所述电场强度通过式（1）确定： 

$\stackrel{\→}{E}=\frac{1}{4\mathrm{\π\ϵ}}\underset{l}{\∫}\frac{{\mathrm{\ρ}}_l^{\′}(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}^{\′})}{{(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}^{\′})}^3}{\mathrm{dl}}^{\′}---\left(1\right)$

式中，ρ′_l表示线电荷密度，l'为线电荷长度，ε为ε_r×ε₀，ε_r为相对介电常数，ε₀为8.85×10^-12F/m，   为空间任一点矢量，   为线电荷矢量。 

本发明提供的再一优选的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，所述线电荷为平行Z轴方向的无限长直线，用L表示，设L上的点L1坐标（x‘，y‘，z‘）的方程为：    $\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=a\\ y^{\′}=h\end{array}\right.,$ 空间任意一点的坐标为（x，y，z）； 

若ρ′_l为均匀分布线电荷，将线电荷L1坐标代入式（1），得到三维空间均匀分布线电荷的电场强度计算公式（2）； 

$E_1=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1}{{(x-a)}^2+{(y-h)}^2+{(z-z^{\′})}^2}{\mathrm{dz}}^{\′}---\left(2\right)$

令k＝(x-a)²+(y-h)²，则 

$E_1=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\π\ϵ}\sqrt{k}}{\tan }^{-1}\left(\frac{z-z^{\′}}{\sqrt{k}}\right){|}_{-\∞}^{\∞}=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\ϵ}\sqrt{k}}---\left(3\right)$

根据式（3）得到平行Z轴方向的无限长直导线三维空间任意一点的电场强度。 

本发明提供的又一优选的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：当所述线电荷L2的坐标（x‘，y‘，z‘）的方程为： 

$\left\{\begin{array}{c}{z}^{\′}={\mathrm{px}}^{\′}+q\\ y^{\′}=h\end{array}\right.,$

空间任意一点的坐标为（x，y，z），则所述式（3）变为式（4）： 

$E_2=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1+p^2}{{(x-x^{\′})}^2+{(y-h)}^2+{(z-{\mathrm{px}}^{\′}-q)}^2}{\mathrm{dx}}^{\′}---\left(4\right)$

令    $t=\frac{x+\mathrm{zp}-\mathrm{pq}}{1+p^2},$ $r=\frac{p^2{x}^2+{(z-q)}^2-2\mathrm{xzp}+2\mathrm{xpq}+(1+p^2){(y-h)}^2}{{(1+p^2)}^2},$ 则式（4）变为式(5)： 

$E_2=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\π\ϵ}\sqrt{r}}{\tan }^{-1}\left(\frac{z^{\′}-t}{\sqrt{r}}\right){|}_{-\∞}^{\∞}=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\ϵ}\sqrt{r}}---\left(5\right).$

本发明提供的又一优选的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，所述步骤（3）中的声功率级通过式（6）确定； 

PWL(i)＝-164.6+120lgE+55lgdeq  （6） 

式中：E——导线的表面梯度，kV/cm； 

deq——为导线等效半径，单位为mm，根据式（8）计算可得： 

deq＝0.58n^0.48d  （7） 

n——为导线分裂数，d为次导线直径，单位为mm。 

该计算公式对于分裂间距为30～50cm，导线表面梯度为10～25kV/cm的常规对称分裂导线均是有效的。 

本发明提供的又一优选的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，所述步骤（4）中的可听噪声水平通过式（8）确定： 

$\mathrm{SLA}=10\lg \underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}l{g}^{-1}\left[\frac{\mathrm{PWL}\left(i\right)-11.4\lg \left(R_i\right)-5.8}{10}\right]---\left(8\right)$

式中：SLA——A计权声级； 

R_i——测点至被测i相导线的距离； 

Z——相数； 

PWL(i)——i相导线的声功率级。 

本发明提供的又一优选的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，本方法适合于导线表面场强在12～25kV/cm的高压输电线路；当导线表面场强若小于12kV/cm，认为导线不起电晕，该导线不产生可听噪声，因此不考虑表面场强小于12kV/cm的导线可听噪声计算问题。 

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果 

1、本发明的方法具有高可信度，可用于预测输电线路交叉跨越区域的可听噪声中； 

2、本发明的方法为科学合理地确定交叉跨越点导线高度和导线排列方式奠定基础； 

3、本发明的方法为预测输电线路交叉跨越区域的可听噪声打下了良好的基础； 

4、本发明的方法简单易行。 

附图说明

图1为本发明的方法流程图； 

图2为本发明的三维模型结构示意图； 

图3为本发明的三维模型结构示意图。 

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。 

实施例1： 

如图1-3所示，本例的发明的方法为了研究交叉区域导线表面电场分布特性，首先将电场计算模型拓展到三维空间。根据静电场理论，线电荷分布情况下媒介中任意一点电场强度的表达式为： 

$\stackrel{\→}{E}=\frac{1}{4\mathrm{\π\ϵ}}\underset{l}{\∫}\frac{{\mathrm{\ρ}}_l^{\′}(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}^{\′})}{{(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}^{\′})}^3}{\mathrm{dl}}^{\′}---\left(1\right)$

式中，ρ′_l表示线电荷密度，l'为线电荷长度，ε为ε_r×ε₀，ε_r为相对介电常数，ε₀为8.85×10^-12F/m，   为空间任一点矢量，   为线电荷矢量；线电荷空间分布情况如图2所示；线电荷为平行Z轴方向的无限长直线，用L表示，设L1坐标（x‘，y‘，z‘）的方程为：    $\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=a\\ y^{\′}=h\end{array}\right.,$ 空间任意一点的坐标为（x，y，z）。 

若ρ′_l为均匀分布线电荷，将线电荷L1坐标代入式（1），可以得到三维空间均匀分布线电荷的电场强度计算公式，见式（2）。 

$E_1=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1}{{(x-a)}^2+{(y-h)}^2+{(z-z^{\′})}^2}{\mathrm{dz}}^{\′}---\left(2\right)$

令k＝(x-a)²+(y-h)²，则 

$E_1=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\π\ϵ}\sqrt{k}}{\tan }^{-1}\left(\frac{z-z^{\′}}{\sqrt{k}}\right){|}_{-\∞}^{\∞}=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\ϵ}\sqrt{k}}---\left(3\right)$

根据式（3）可以得到特定坐标形式下，无限长直导线三维空间任意一点的 电场强度。 

下面改变线电荷L2的坐标（x‘，y‘，z‘），如图3所示，设L2的方程为： 

$\left\{\begin{array}{c}{z}^{\′}={\mathrm{px}}^{\′}+q\\ y^{\′}=h\end{array}\right.,$

空间任意一点的坐标为（x，y，z）。式（3）变为式（4） 

$E_2=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1+p^2}{{(x-x^{\′})}^2+{(y-h)}^2+{(z-{\mathrm{px}}^{\′}-q)}^2}{\mathrm{dx}}^{\′}---\left(4\right)$

将式（4）整理成式（3）的形式,见式（5） 

$E_2=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\π\ϵ}\sqrt{r}}{\tan }^{-1}\left(\frac{z^{\′}-t}{\sqrt{r}}\right){|}_{-\∞}^{\∞}=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\ϵ}\sqrt{r}}---\left(5\right)$

其中,    $t=\frac{x+\mathrm{zp}-\mathrm{pq}}{1+p^2},$ $r=\frac{p^2{x}^2+{(z-q)}^2-2\mathrm{xzp}+2\mathrm{xpq}+(1+p^2){(y-h)}^2}{{(1+p^2)}^2}.$

比较式（3）和（5），由于线电荷的坐标不同，E1和E2的坐标形式上发生了变化。E1在Z轴方向上没有分量，E2则包含x、y、z三个方向上的分量。上述推导假设导线电荷分布均匀，对于无限长直导线这一假设基本成立，求解方法可以仿照二维模型。对于边界问题的处理也可以采用镜像法，原理与二维模型近似。 

输电线路电晕产生的可听噪声预测一般是通过电晕笼模拟或仿真试验线段上长期实测数据的统计、分析、回归而演绎出来的，导线的可听噪声一般用A计权声级来表征。电晕产生的可听噪声与导线参数之间的关系，是以基准导线的表面梯度（E₀）、导线直径（d₀）、分裂线数（n₀）和测量距离（R₀）为参考，分别在实际导线的E、d、n和R下实测的噪声数据来推导的。 

根据对预测值与实测值的对比分析，美国BPA推荐的计算公式可听噪声计算结果与输电线路的实测结果最为接近，两者之间的绝对误差绝大多数在1dB 之内。因此，BPA推荐公式具有较好的代表性和准确性，可以作为交流输电线路可听噪声的计算公式。美国BPA推荐的高压输电线路的可听噪声的计算公式见式（8）： 

$\mathrm{SLA}=10\lg \underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}l{g}^{-1}\left[\frac{\mathrm{PWL}\left(i\right)-11.4\lg \left(R_i\right)-5.8}{10}\right]---\left(8\right)$

式中：SLA——A计权声级； 

R_i——测点至被测i相导线的距离; 

Z——相数; 

PWL(i)——i相导线的声功率级。 

PWL(i)按下式（7）计算： 

PWL(i)＝-164.6+120lgE+55lgdeq  （7） 

式中：E——导线的表面梯度，kV/cm； 

deq——为导线等效半径，单位为mm，根据式（6）计算可得。 

deq＝0.58n^0.48d  （6） 

n——为导线分裂数，d为次导线直径，单位为mm。 

该计算公式对于分裂间距为30～50cm，导线表面梯度为10～25kV/cm的常规对称分裂导线均是有效的。 

对于交叉跨越区域的可听噪声计算可先根据式（5）计算出各相导线的表面场强E，然后根据式（7）计算出各相的声功率级，再根据式（8）计算预测点处的可听噪声。 

以上公式适合于导线表面场强在12～25kV/cm的高压输电线路。导线表面场强若小于12kV/cm，可认为导线不起电晕，也就是说该导线不产生可听噪声，因此不考虑表面场强小于12kV/cm的导线可听噪声计算问题。 

最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。 

Claims (9)

1.一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 

（1）确定三维模型； 

（2）确定每相导线表面电场强度； 

（3）确定每相导线的声功率级； 

（4）确定交叉跨越架设区域内任一点的可听噪声水平。 

2.如权利要求1所述的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：所述步骤（1）是根据给定的导线型式、导线对地高度和导线排列方式建立三维坐标系，确定模型。 

3.如权利要求1所述的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：所述步骤（2）中的电场强度通过静电场理论确定。 

4.如权利要求3所述的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：任意一点所述电场强度通过式（1）确定： 

式中，ρ′_l表示线电荷密度，l'为线电荷长度，ε为ε_r×ε₀，ε_r为相对介电常数，ε₀为8.85×10^-12F/m，   为空间任一点矢量，   线电荷矢量。 

5.如权利要求4所述的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：所述线电荷为平行Z轴方向的无限长直线，用L表示，设L上的点L1坐标（x‘，y‘，z‘）的方程为：   空间任意一点的坐标为（x，y，z）； 

若ρ′_l为均匀分布线电荷，将线电荷L1坐标代入式（1），得到三维空间均匀 分布线电荷的电场强度计算公式（2）； 

令k＝(x-a)²+(y-h)²，则 

根据式（3）得到平行Z轴方向的无限长直导线三维空间任意一点的电场强度。 

6.如权利要求5所述的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：当所述线电荷L2的坐标（x‘，y‘，z‘）的方程为： 

空间任意一点的坐标为（x，y，z），则所述式（3）变为式（4）： 

令    则式（4）变为式(5)： 

7.如权利要求1所述的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：所述步骤（3）中的声功率级通过式（6）确定； 

PWL(i)＝-164.6+120lgE+55lgdeq  （6） 

式中：E——导线的表面梯度，kV/cm； 

deq——为导线等效半径，单位为mm，根据式（8）计算可得： 

deq＝0.58n^0.48d  （7） 

n——为导线分裂数，d为次导线直径，单位为mm。 

该计算公式对于分裂间距为30～50cm，导线表面梯度为10～25kV/cm的常规对称分裂导线均是有效的。 

8.如权利要求7所述的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：所述步骤（4）中的可听噪声水平通过式（8）确定： 

式中：SLA——A计权声级； 

R_i——测点至被测i相导线的距离； 

Z——相数； 

PWL(i)——i相导线的声功率级。 

9.如权利要求1所述的一种确定交流输电线路交叉跨越架设区域可听噪声方法，其特征在于：本方法适合于导线表面场强在12～25kV/cm的高压输电线路；当导线表面场强若小于12kV/cm，认为导线不起电晕，该导线不产生可听噪声，因此不考虑表面场强小于12kV/cm的导线可听噪声计算问题。