吳 鵬 汲勝昌 曹 濤 李彥明 黎小林 李 巖 姚一峰

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049 2.南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心 廣州 510623 3.日新電機(jī)有限公司 無(wú)錫 214028)

1 引言

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，將交流電變換為直流電或者將直流電變換為交流電都是在換流站中完成的。隨著直流輸電電壓等級(jí)的提高、輸送功率的增大，換流站主設(shè)備，如換流變壓器、平波電抗器、濾波及并聯(lián)電容器裝置、換流閥等產(chǎn)生的噪聲污染越來(lái)越嚴(yán)重，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)家環(huán)境部門(mén)所制定的場(chǎng)界達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)換流站周邊居民正常的生產(chǎn)、生活造成了十分嚴(yán)重的影響。

直流換流站中裝設(shè)的濾波及并聯(lián)電容器裝置由于其臺(tái)數(shù)多，并且單臺(tái)容量大、流過(guò)每臺(tái)電容器的電流中含有大幅值的高次諧波成分，而成為換流站中噪聲來(lái)源的主要因素之一，電容器噪聲已成為一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。在CIGRE 的報(bào)告[1]中，直流換流站電容器塔的噪聲能夠達(dá)到105dB，而文獻(xiàn)[2-3]對(duì)諧波下的電容器組噪聲進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該電容器組可聽(tīng)噪聲不低于換流變壓器所產(chǎn)生的噪聲；北京電力科學(xué)研究院及河南電力試驗(yàn)研究院都曾對(duì)直流換流站站內(nèi)的可聽(tīng)噪聲水平進(jìn)行過(guò)測(cè)量，結(jié)果表明：電容器裝置附近的噪聲水平幾乎全部超標(biāo)，最大甚至達(dá)到了89.7dB[4-6]。

鑒于直流系統(tǒng)中電容器產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲非常大，超出了噪聲限制，非常有必要采取措施減小噪聲污染。換流站中的電容器塔體積大，噪聲輻射形式復(fù)雜。因此，塔的位置、朝向和聲屏技術(shù)等在換流站設(shè)計(jì)時(shí)都是改善換流站噪聲分布的有效措 施[1,7]。文獻(xiàn)[1]中，還有一些其他的內(nèi)部降噪措施，如減小電介質(zhì)受力，增加電容器元件的硬度和避開(kāi)電容器的模態(tài)頻率。聲屏障技術(shù)會(huì)額外增加昂貴的土地成本，因?yàn)閷?duì)于高壓設(shè)備需要足夠大的絕緣距離建聲屏避墻。而文獻(xiàn)[1]中的內(nèi)部措施，只是指導(dǎo)性建議，因其會(huì)改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可能會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題。主動(dòng)控聲技術(shù)一般采用閉環(huán)控制發(fā)聲器件使其向固定區(qū)域產(chǎn)生與所需抑制的噪聲頻率相同而相位相反的聲波，從而通過(guò)聲波疊加起到降低該區(qū)域噪聲的目的[8]。顯然，由于需要電控設(shè)備和不易應(yīng)用在大范圍區(qū)域降噪的原因，以及換流站的特殊要求，傳統(tǒng)的主動(dòng)控聲技術(shù)不能應(yīng)用在電容器裝置上。但是，該技術(shù)中相位相反的同頻率聲波疊加控制噪聲的方法應(yīng)用在電容器陣列上降噪是可行的。

本文分別針對(duì)單臺(tái)電容器和電容器塔提出了雙底面型低噪聲電容器和交錯(cuò)式電容器布置方式并對(duì)此開(kāi)展研究。所取得的成果對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展此方面的研究具有積極意義。

2 電容器噪聲的抑制措施

2.1 雙底面型低噪聲電容器設(shè)計(jì)理論

圖1 為實(shí)測(cè)的電容器各面振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，底面振動(dòng)遠(yuǎn)高于側(cè)面，電容器各面的聲輻射量差異較大，底面噪聲輻射量遠(yuǎn)大于其他面的噪聲輻射量，底面噪聲一般高出其他面6～10dB。若能把電容器底面噪聲降下來(lái)，即可以把單臺(tái)電容器的噪聲降下來(lái)。

圖1 電容器各面平均振動(dòng)加速度數(shù)據(jù) Fig.1 Some surfaces vibration of capacitor

雙底面型電容器底部雙底面結(jié)構(gòu)及兩個(gè)底面之間的振動(dòng)和噪聲傳遞過(guò)程分析如圖2 所示，第二底面輻射噪聲的能量來(lái)自于兩個(gè)途徑：第一底面輻射的聲透射；第一底面邊棱上的振動(dòng)傳遞。

圖2 雙底面聲傳播分析示意圖 Fig.2 The sound propagation model of double bottoms

目前所使用的電容器都為單底面結(jié)構(gòu)，其聲壓透射系數(shù)tp1為[9-10]

式中 R1—電容器油的聲阻抗；

R2—電容器外殼底面的聲阻抗；

R3—空氣的聲阻抗；

d—電容器底面厚度；

ω—聲波角頻率；

c2—電容器底面外殼中的聲速。

而對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的雙底面型電容器，其聲壓透射系數(shù)tp2為

式中 M—電容器外殼底面的單位面積質(zhì)量；

R3—空氣的聲阻抗；

D—電容器雙底面之間的空氣層厚度；

c3—空氣中的聲速。

另外

電容器外殼厚度為2mm，雙底面之間空氣層厚度為15mm。根據(jù)其他相關(guān)參數(shù)及式（1）～式（4）可以得到：?jiǎn)蔚酌娴母袈暳繛?2.44dB，而雙底面的隔聲量為47.2dB。單純考慮聲透射的情況下，雙底面比單底面隔聲效果增大了15dB。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，底面振動(dòng)為（1，1）模態(tài)，即中間振動(dòng)幅值大而四周振動(dòng)幅值小。第二底面與第一底面的剛性結(jié)構(gòu)連接都存在于第一底面的邊棱，結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞量微小。表1 為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的電容器底面邊棱及中心的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。

表1 底面邊棱處振動(dòng)數(shù)據(jù) Tab.1 Vibration of bottom edge

從表1 可以看出邊棱處的振動(dòng)遠(yuǎn)小于底面中心上的振動(dòng)，因此通過(guò)第一底面邊棱的剛性結(jié)構(gòu)傳遞到第二底面的振動(dòng)非常小，根據(jù)估算通過(guò)邊棱傳遞到第二底面的振動(dòng)約3dB。

綜合以上兩種能量傳遞作用，雙底面型電容器底面的降噪量約為12dB。

2.2 多臺(tái)電容器交錯(cuò)放置的降噪措施

換流站內(nèi)交流濾波裝置中的電容器都以固定的排列方式安裝在鐵架上構(gòu)成電容器塔，電容器塔上的電容器數(shù)量多并且排列有序，如圖3a 所示（不考慮鐵架）。由于同相的電容器頻率相同，交錯(cuò)布置方式的電容器塔可以通過(guò)自身的位置調(diào)整，使一批電容器在輻射面上發(fā)出的噪聲與另一批電容器在該輻射面上發(fā)出的噪聲滿(mǎn)足相位相反的條件，因此可以降低輻射區(qū)噪聲水平。交錯(cuò)式電容器布置方式構(gòu)成的電容器塔如圖3b 所示（不考慮鐵架）。

兩列同頻率同向傳播的聲波疊加為

圖3 常規(guī)電容器布置方式和交錯(cuò)式電容器布置方式 Fig.3 Regular placement and overlap placement of capacitors

電容器外殼表面的振動(dòng)滿(mǎn)足小振幅的條件，結(jié)構(gòu)振動(dòng)在外部流體介質(zhì)中距離表面r 處產(chǎn)生的輻射聲壓p 滿(mǎn)足Helmholtz 微分方程、流固界面條件以及Sommerfeld 輻射條件[11-12]。

式中 ?2—拉普拉斯算子；

k—波數(shù)，k=ω/c；

ω —角頻率；

c—流體介質(zhì)中的聲速；

ρ —流體密度；

n—結(jié)構(gòu)表面S 的外法向單位分量；

υn—結(jié)構(gòu)表面S 的外法向振速；

r=|Q?P|，Q 為結(jié)構(gòu)表面S 上任意點(diǎn)，P 為空間中任意點(diǎn)。

根據(jù)點(diǎn)源的球?qū)ΨQ(chēng)特性，方程（6）的基本解為

利用格林公式和相應(yīng)的外場(chǎng)問(wèn)題聲學(xué)邊界條件，得到采用聲壓p(P)與法向振速nυ 表示的外場(chǎng)問(wèn)題Helmholtz 直接方程

式中，c(P)=α/(4π)；α為結(jié)構(gòu)表面S 上點(diǎn)P 處的表面角。

對(duì)式（10）利用邊界元法進(jìn)行離散，即得直接法邊界元求解方程：

式中 A，B—影響矩陣；

p—節(jié)點(diǎn)聲壓矢量；

υ—節(jié)點(diǎn)法向速度矢量。 解得表面各節(jié)點(diǎn)處的p 和υ ，采用插值可得外場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格中任意點(diǎn)P 處輻射聲壓

式中 a，b—插值系數(shù)矩陣。

根據(jù)聲場(chǎng)理論采用邊界元法分別對(duì)圖3 中常規(guī)放置方式電容器塔和交錯(cuò)放置方式電容器塔噪聲輻射聲場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算邊界設(shè)置為自由場(chǎng)邊界，交錯(cuò)距離為0.15m，計(jì)算頻率1100Hz，電容器側(cè)面和頂面加載0.01m/s 的速度載荷，底面加載0.05m/s的速度載荷，以電容器塔地面為中心半徑為10m 的輻射聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 兩種電容器放置方式電容器塔的 噪聲輻射聲場(chǎng)比較 Fig.4 Sound field of regular capacitor stack and overlap placement capacitor stack

圖4 中A 區(qū)為電容器塔寬側(cè)面正對(duì)的聲場(chǎng)輻射區(qū)，B 區(qū)為電容器頂面正對(duì)的聲場(chǎng)輻射區(qū)。從圖4可以看出，常規(guī)放置方式的電容器塔在電容器頂面和側(cè)面正對(duì)的輻射區(qū)噪聲輻射方向集中、聲級(jí)高；而交錯(cuò)布置方式的電容器塔可以有效利用半波疊加降低電容器四個(gè)噪聲輻射面正對(duì)的輻射區(qū)噪聲水平，從仿真計(jì)算結(jié)果上看降噪量約為10dB。非正對(duì)區(qū)域噪聲會(huì)有部分小區(qū)域升高現(xiàn)象，但對(duì)于關(guān)心的0～6m 電容器塔向四周輻射的區(qū)域來(lái)說(shuō)，交錯(cuò)布置方式能有效降低大面積方向性集中的高聲級(jí)噪聲。

3 電容器兩種降噪措施的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 電容器振動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái) Fig.5 The experiment system for studying of the noise and vibration of capacitor

在實(shí)驗(yàn)中采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)主電路由諧波電流源、補(bǔ)償電抗器和試品電容器組成，組成并聯(lián)諧振電路可以降低系統(tǒng)中的無(wú)功需求。測(cè) 試系統(tǒng)包括三部分：電流測(cè)試子系統(tǒng)、外殼振動(dòng)測(cè)試子系統(tǒng)和噪聲測(cè)試子系統(tǒng)。測(cè)試電流子系統(tǒng)包括電流傳感器及電流變換電壓裝置接到A/D 采集卡傳入電腦；測(cè)試外殼振動(dòng)子系統(tǒng)為壓電式加速度振動(dòng)傳感器通過(guò)電荷放大器接A/D 采集卡傳入電腦；測(cè)試噪聲子系統(tǒng)為集聲壓傳感器和分析儀為一體的SPL 分析儀。ISO 標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定設(shè)備噪聲需高出環(huán)境噪聲一定的值才能進(jìn)行噪聲測(cè)量。為了避開(kāi)外界的噪聲干擾，圖5 中點(diǎn)劃線(xiàn)框內(nèi)試品電容器和測(cè)試系統(tǒng)布置在消聲室內(nèi)，而電抗器和諧波電流源布置在消聲室外。具體設(shè)備參數(shù)如下：

消聲室的空間為6.3m×5.5m×5.4m，自由聲場(chǎng)頻率范圍100Hz～10kHz，背景噪聲23.9dB。

諧波電流源的單頻率模式：0～600Hz 內(nèi)可調(diào)，最小頻率步長(zhǎng)0.1Hz；諧波模式：可實(shí)現(xiàn)四種諧波疊加，之間可獨(dú)立調(diào)節(jié)其中任一諧波電流幅值和相角等，諧波次數(shù)可選。

聲壓級(jí)測(cè)試儀為日本RION 公司生產(chǎn)的NA-28型聲壓級(jí)測(cè)試儀，靈敏度為?27dB，測(cè)量范圍為25～130dB。

壓電式振動(dòng)加速度傳感器的靈敏度為10pC/ms?2。

采集卡的最大采樣率100kHz，位數(shù)為24，可以4 通道同時(shí)采樣，USB 接口。

試品電容器的額定電壓5.55kV，容量572kvar。

電容器布置在消聲室的中央位置，并用架子支起，以保障噪聲的測(cè)量符合聲學(xué)測(cè)試要求。圖6 為消聲室內(nèi)架子上待測(cè)的電容器。

圖6 消聲室內(nèi)架上待測(cè)電容器 Fig.6 Filter capacitor in the semi-anechoic room

3.2 雙底面型低噪聲電容器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試品電容器和同型號(hào)常規(guī)電容器在表2 和表3的實(shí)驗(yàn)電流條件下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

電容器噪聲測(cè)點(diǎn)分布如圖7 所示，測(cè)點(diǎn)分為距電容器外殼20cm 和50cm 兩類(lèi)測(cè)點(diǎn)。

表2 單頻率實(shí)驗(yàn)條件 Tab.2 Single frequency current

表3 復(fù)合頻率實(shí)驗(yàn)條件 Tab.3 Harmonic currents

圖7 電容器噪聲測(cè)點(diǎn)分布 Fig.7 Measurement points arrangement for noise of capacitor

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4～表9 及圖8，其中C1 代表同型號(hào)常規(guī)電容器，C2 代表雙底面型電容器。

3.2.1 單頻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 600Hz，70A 電流作用下噪聲對(duì)比數(shù)據(jù) Tab.4 SPL (A) with current:600Hz,70A （單位：dB）

表5 550Hz，70A 電流作用下噪聲對(duì)比數(shù)據(jù) Tab.5 SPL (A) with current:550Hz,70A （單位：dB）

表6 450Hz，70A 電流作用下噪聲對(duì)比數(shù)據(jù) Tab.6 SPL (A) with current:450Hz,70A （單位：dB）

表7 350Hz，70A 電流作用下噪聲對(duì)比數(shù)據(jù) Tab.7 SPL (A) with current:350Hz,70A （單位：dB）

圖8 350Hz 電流下電容器底面50cm 處測(cè)點(diǎn)的 噪聲頻譜比較 Fig.8 SPL from the capacitor bottom 50cm with 350Hz current

3.2.2 復(fù)合頻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表8 第一組復(fù)合頻率電流作用下噪聲對(duì)比數(shù)據(jù) Tab.8 SPL (A) with the first harmonic currents （單位：dB）

表9 第二組復(fù)合頻率電流作用下噪聲對(duì)比數(shù)據(jù) Tab.9 SPL (A) with the second harmonic currents （單位：dB）

由3.2.1 節(jié)和3.2.2 節(jié)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，雙底面可以高效地降低電容器底面噪聲，降噪量大約8～15dB，而且具有寬頻帶的特性，所測(cè)頻率點(diǎn)都有較大的降噪量。而且成本小，制作工藝簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

3.3 交錯(cuò)式電容器布置方式降噪實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于受到實(shí)驗(yàn)條件限制，在消聲室內(nèi)僅對(duì)兩臺(tái)電容器和四臺(tái)電容器分別就常規(guī)放置方式和交錯(cuò)放置方式做了相關(guān)的噪聲對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中電容器交錯(cuò)放置方式如圖9 所示，交錯(cuò)距離14cm，電容器間距為常規(guī)間距10cm。

圖9 電容器交錯(cuò)放置實(shí)驗(yàn)布置 Fig.9 The overlap arrangement of capacitor for test

加載70A 的11 次諧波電流激勵(lì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 和圖11 所示。

從圖10 和圖11 中可以看出，在頂部和底部正對(duì)的區(qū)域，交錯(cuò)式布置方式的電容器噪聲比常規(guī)布置方式的電容器噪聲得到有效控制，特別是四臺(tái)電容器實(shí)驗(yàn)結(jié)果中底部正對(duì)區(qū)域和頂部正對(duì)區(qū)域降噪量達(dá)到10dB；而遠(yuǎn)離正對(duì)面的輻射區(qū)噪聲降低量不 顯著，并且個(gè)別測(cè)點(diǎn)如圖11 中測(cè)點(diǎn)5 噪聲反而升高，這是因?yàn)樵摐y(cè)點(diǎn)偏離頂部正對(duì)區(qū)域，來(lái)自側(cè)面的噪聲與頂面噪聲疊加使得該處噪聲升高。

圖10 兩臺(tái)電容器不同放置方式的噪聲 Fig.10 SPL (A) of two capacitors

圖11 四臺(tái)電容器不同放置方式的噪聲 Fig.11 SPL (A) of four capacitors

由于受到消聲室空間的限制，布置的測(cè)點(diǎn)距離電容器較近，并且只有一層電容器，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是部分反映了交錯(cuò)式布置的降噪效果，如圖 3b的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲實(shí)驗(yàn)不易實(shí)現(xiàn)。本小節(jié)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電容器交錯(cuò)布置方式噪聲輻射面正對(duì)的區(qū)域噪聲降低效果顯著，與2.2 節(jié)理論計(jì)算的圖4 結(jié)論符合。

4 實(shí)際應(yīng)用討論

雙底面型電容器可以有效降低單臺(tái)電容器最大噪聲輻射部分的噪聲輻射量，這將對(duì)電容器塔等尺寸較大的裝置起到降低總體噪聲輻射量的作用。由于雙底面不利于電容器底部的散熱，所以還需要對(duì)雙底面對(duì)電容總體溫升的影響進(jìn)行考察，考慮到底面面積較小，對(duì)整體散熱影響應(yīng)該不大。

有源主動(dòng)降噪主要根據(jù)聲探頭測(cè)得的聲波波形，然后通過(guò)控制發(fā)聲器件在同向發(fā)出頻率一致而相位相反的聲波來(lái)抵消原噪聲，以達(dá)到降低固定區(qū)域噪聲水平的目的。電容器陣列交錯(cuò)式布置方式是在不改變電容器結(jié)構(gòu)和不增加額外成本的情況下合理地調(diào)整電容器的布置，使一批電容器在輻射面上發(fā)出的噪聲與另一批電容器在該輻射面上發(fā)出的噪聲滿(mǎn)足相位相反的條件，從而可以如同有源主動(dòng)降噪一樣利用聲波疊加原理有效降低電容器塔周?chē)脑肼曀健＝诲e(cuò)式放置方式不僅可以用在同層電容器之間，還可以對(duì)不同層的電容器進(jìn)行合理的布置，綜合布置可以獲得更好的降噪效果。采用這種交錯(cuò)布置方式的電容器塔需要比采用常規(guī)布置方式的電容器塔在水平方向上多占用十幾厘米的空間，即交錯(cuò)距離，因此需花費(fèi)一定的土地成本，但是遠(yuǎn)比采用聲屏障所花費(fèi)的土地成本低。這種方式也略增大了等效的散熱面積，更有利于散熱。在應(yīng)用中，這種降噪方式需要根據(jù)電容器上流過(guò)的主要諧波電流情況合理設(shè)計(jì)電容器交錯(cuò)放置的尺寸，設(shè)計(jì)依據(jù)見(jiàn)2.2 節(jié)。

5 結(jié)論

為降低高壓直流換流站內(nèi)濾波電容器裝置的噪聲，對(duì)單臺(tái)電容器和電容器塔分別提出了雙底面型低噪聲電容器和電容器陣列的交錯(cuò)式布置方式。根據(jù)研究得到如下結(jié)論：

（1）雙底面型低噪聲電容器能夠比常規(guī)電容 器在噪聲輻射量最大的底面降低噪聲約10dB。

（2）電容器陣列的交錯(cuò)式布置方式比常規(guī)放 置方式在正對(duì)輻射面的區(qū)域內(nèi)能大幅降低可聽(tīng)噪聲。

在電容器交錯(cuò)式布置方式中，可以深入研究合理的布置方式使得電容器塔的噪聲輻射區(qū)噪聲最小，這是個(gè)優(yōu)化的問(wèn)題，需要借助相關(guān)軟件解決。

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