基于隧穿磁阻传感与空气流体模型的直流电晕可听噪声研究

With development of ultra-high voltage DC transmission lines, audible noise generated by corona discharge of high voltage DC transmission lines became more and more severe. Research on the generating mechanism of DC corona audible noise will not only help to reduce the impact of audible noise on the environment, but also has great significance on the design of transmission lines and the efficient use of energy. The audible noise of DC corona is caused by the collisions between the charged particles and neutral particles in the air, which makes the distribution and motion of the space charge essential in the mechanism study of audible noise. Instead of numerical simulation or experimental measurement, this project innovatively used Tunneling magnetoresistive (TMR) sensors in array to monitor the dynamic magnetic filed generated by the DC corona. With machine learning algorithm introduced, we established the mapping relation from magnetic filed distribution to corona current distribution then to space charge distribution. With mathematical abstraction and statistical computation, accurate distribution of space charge in corona discharge was obtained. Introducing the air fluid model to study the collision process in corona discharge, we numerically calculated the audible noise, which solved an important electromagnetic environment issue of high-voltage DC transmission lines.

随着特高压直流输电系统的发展，直流线路电晕可听噪声产生的环境问题日益严重。对直流电晕的可听噪声产生机理的研究不仅有助于抑制可听噪声，减小其对周边环境的危害；同时对线路合理设计及能源有效利用也具有重大意义。直流电晕可听噪声由放电过程中带电粒子与空气分子的碰撞引起，因此电晕过程中空间电荷的分布与运动规律对研究可听噪声机理至关重要。区别于传统的空间电荷分布实验测量及数值仿真计算研究的方法，本项目创新性地采用基于隧穿磁阻（TMR）效应的磁场传感器阵列对直流电晕的动态磁场进行实时监测，并引入机器学习算法建立空间磁场分布-空间电晕电流分布-空间电荷分布的映射关系，通过数学抽象和统计学计算的方法准确获取直流电晕空间电荷分布及运动规律。结合直流电晕空间电荷分布与运动规律的研究成果，引入空气流体模型，最终对直流电晕可听噪声进行数值计算，解决直流输电线路电磁环境的一大关键问题。

随着我国经济的发展，用电负荷不断上升，高压输电线路的覆盖面积越来越广，由高压输电线路电晕引起的电磁环境问题尤其是可听噪声问题越来越受到公众的关注。对直流电晕 的可听噪声产生机理的研究不仅有助于抑制可听噪声，减小其对周边环境的危害;同时对线路合理设 计及能源有效利用也具有重大意义。直流电晕可听噪声由放电过程中带电粒子与空气分子的碰撞引起 ，因此电晕过程中空间电荷的分布与运动规律对研究可听噪声机理至关重要。本课题在实验室中搭建了直流电晕发生平台及电晕电流、空间磁场和可听噪声同步测量平台。采用基于隧穿磁阻(TMR)效应的磁场传感器阵列对直流电晕的动态磁场进行实时检测，实现了电晕电流、空间磁场和可听噪声的同步测量。通过引入机器学习算法及Comsol多物理场仿真软件，建立了空间磁场分布及空间电晕电流分布之间的映射关系。此外，本课题通过电晕电流、空间磁场及可听噪声的同步测量数据，系统性地研究了三者之间的关联关系。在此基础上，引入空气流体模型，从放电过程中粒子间能量和动量传递的角度出发列写了电晕的声波方程，建立了直流电晕产生声波的数学模型，揭示了可听噪声的产生机理，为后续研究奠定了基础。