張偉為，于海波，劉國偉，解鵬程

(南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

隨著我國經(jīng)濟及工業(yè)建設(shè)的發(fā)展，適用于大容量、遠距離輸電以及電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的柔性直流輸電技術(shù)得到了飛速的發(fā)展[1-3]。換流站作為柔性直流輸電工程中各類設(shè)備安裝及運行的場地，常在設(shè)備運行的同時輻射出大量噪聲。隨著電壓等級升高，設(shè)備噪聲日益突出，噪聲污染問題亟待解決。

柔性直流換流站內(nèi)主要的電氣設(shè)備有換流閥、換流變壓器、橋臂電抗器、平波電抗器等，輔助系統(tǒng)包含水冷系統(tǒng)等[4]，其中最關(guān)鍵的換流閥由一定數(shù)量的直流閥塔組成，而閥塔上安裝了數(shù)量龐大的模組器件，設(shè)備運行時整體噪聲輻射水平較高，影響與之相鄰的主控室內(nèi)人員及巡視人員身心健康。隨著環(huán)保要求及綠色電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，柔性直流換流站內(nèi)的輻射噪聲逐漸引起工程設(shè)計及科研人員的重視。

正常運行時柔性直流輸電換流站的各個子系統(tǒng)均產(chǎn)生較大的輻射噪聲。目前相關(guān)研究工作主要集中在：

1)換流站整體噪聲測試及降噪措施研究。伍企舜、肖國鋒等[5-6]對閥廳內(nèi)噪聲測量的測點位置及參數(shù)選取等進行了討論，并提出了部分降噪措施；楊一鳴、胡雨龍等[7-8]則提出了一些特高壓換流站噪聲治理方法。

2)換流站其他設(shè)備噪聲研究。由于換流站內(nèi)電容器塔、換流變壓器、平波電抗器產(chǎn)生的噪聲也較為突出，因此吸引了不少國內(nèi)外學者的關(guān)注。Cox、尹克寧等[9-10]指出多頻率靜電力導致的電容器共振會造成電容器噪聲急劇增加；而汲勝昌、孫新波等[11-12]對電容器輻射噪聲開展了大量理論分析研究，并開展了試驗及仿真分析；孫濤等[13]通過建立電力變壓器的輻射噪聲分析模型，開展了仿真分析及試驗對比研究。

對閥廳內(nèi)閥塔上基本的組成設(shè)備(直流模組)進行合理的噪聲測試及分析，是開展柔直換流閥噪聲評價及控制的前提條件。由于柔性直流輸電模組單個電壓等級高(3 300 V)，殼體內(nèi)部各器件電壓高、電流大，根據(jù)對人及設(shè)備的安全距離(空氣凈距及爬電距離)要求，無法直接在其閥塔附件及模組內(nèi)部功率器件上布置測點，導致目前國內(nèi)外針對柔性直流輸電模組的振動噪聲測試及仿真研究極少。

考慮合理的絕緣措施，建立測試系統(tǒng)，對柔性直流輸電模組的振動及噪聲特性展開試驗研究，并結(jié)合仿真分析技術(shù)，建立可供深入研究的分析模型，對直流輸電系統(tǒng)的運行噪聲測定及降噪設(shè)計，具有非常重要的意義。

1 模組噪聲產(chǎn)生機理

柔性直流輸電模組由功率器件(IGBT)模塊頭及電容器組成，其中功率器件模塊頭組件由薄壁外殼、散熱器及功率器件等組成。模組整體運行時，功率器件產(chǎn)生振動，并激勵外部金屬殼體，最終產(chǎn)生輻射噪聲；同時，電容器由于靜電力引起芯子元件振動，并通過固定件傳遞給外殼，最終產(chǎn)生殼體輻射噪聲。兩者共同作用，導致模組在運行時產(chǎn)生較為嚴重的噪聲問題。

2 模組噪聲測試系統(tǒng)與試驗方法

眾多模組單元集成后組成柔性直流輸電換流閥，正常運行時會在閥廳內(nèi)產(chǎn)生較大的噪聲。確定測試工況、測點位置及測試系統(tǒng)等，是準確開展模組噪聲分析的首要條件。

2.1 測試工況的選擇

根據(jù)文獻[14]的要求，將測試模組布置在廠內(nèi)較為獨立的片區(qū)，且在周圍環(huán)境無干擾時開展試驗工作。

選擇正常運行工況，并待模組及散熱系統(tǒng)工作穩(wěn)定后開展振動噪聲測試工作。為便于描述，將模組模塊頭側(cè)稱為前面，電容器底部稱為后面，其他方向按大小稱為電容器寬面、窄面，模塊頭寬面、窄面。

2.2 測點位置布局

針對模組類產(chǎn)品噪聲機理的簡單分析，分別對振動加速度測點及輻射噪聲測點進行布局。

1)振動加速度測點。

經(jīng)分析，由于電容器是最大的輻射面，因此對其進行測試的過程中，振動傳感器在電容器上布置最多，而在模塊頭上，由于其輻射面積較小，對其進行測量的振動傳感器布置略少，測試點布置方案如圖1所示。

圖1 模組振動測試點布置圖

2)輻射噪聲測點。

綜合現(xiàn)場測試環(huán)境及相關(guān)文獻研究[11]，并考慮傳播衰減的影響，在電容器后面、寬面及模塊頭寬面位置各布置1個麥克風，共3個噪聲測點，測量距離選取為20 cm。具體測點位置如圖2所示。

圖2 輻射噪聲測點布置圖

采用國際專業(yè)振動噪聲測試系統(tǒng)LMS Test.Lab開展測試，頻率分辨率為2 Hz，采樣頻率為25 600 Hz，分析頻率為12 800 Hz。

2.3 振動測試結(jié)果

待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，提取各加速度測點數(shù)據(jù)并處理。模塊頭及電容器側(cè)加速度分別如圖3和圖4所示。

圖3 模塊頭部分測點振動加速度

圖4 電容器部分測點振動加速度

綜合分析可知：

1)模塊頭及電容器的振動加速度具有較好的頻率一致性，均在50 Hz及其倍頻處存在峰值，具有典型的電致動振動特性。

2)由于靜電力引起的電容器鐵芯振動通過支撐件傳遞給了殼體，導致電容器后面測點的加速度相對于窄面和寬面更為明顯，因此后續(xù)研究中重點關(guān)注鐵芯縱向的振動及噪聲特性。

3)模塊頭在100 Hz處達到加速度峰值，而在500 Hz之后，振動衰減得厲害，表現(xiàn)出很強的低頻特性；而電容器側(cè)加速度在2 300 Hz仍出現(xiàn)峰值，表明電容器單元上的載荷既有工頻成份又有高次諧波成份。

2.4 輻射噪聲測試

根據(jù)振動加速度測點數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場實際工況，選擇電容器后面、電容器寬面及模塊頭寬面為模組噪聲考察點。這3個位置包含了主要輻射聲源，本文選擇面板中心作為噪聲觀測點，對其輻射噪聲進行量化對比測試。為減小傳播衰減的影響，測點布置在距離表面20 cm處。不同面噪聲測試數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖5所示，近場總噪聲水平見表1。

圖5 近場聲壓級對比

表1 UPFC近場噪聲對比 dBA

綜合分析可知：

1)3 000 Hz以內(nèi)為主要噪聲貢獻頻段，高出3 000 Hz的噪聲對總噪聲貢獻小于0.5 dBA。

2)電容器后面近場噪聲為77.2 dBA，寬面為74.5 dBA，模塊頭面板為72.3 dBA。電容器后面噪聲最關(guān)鍵，且表現(xiàn)出很強的指向性，與振動測試及理論分析一致。

取1 000 Hz以內(nèi)的頻率段，細化研究柔直模組的噪聲特性，如圖6所示。

圖6 1 000 Hz內(nèi)近場聲壓級對比

從測試結(jié)果可以看出，與振動加速度信號一致，柔性直流輸電模組輻射噪聲具有典型的頻率特性，均為50 Hz及其倍頻成分，證明電致動引起的振動為主要的激勵源。

700 Hz(工頻14次諧波)處峰值較大，表明柔性直流輸電模組噪聲除了工頻成分外，還具有典型的諧波特性，后續(xù)研究可重點關(guān)注此頻率成分。

3 模組噪聲仿真分析

基于試驗測試，初步分析了模組的振動及輻射噪聲特性，本章將采用仿真的方法對其振動與輻射噪聲的關(guān)系進行深入探究。

3.1 聲學邊界元理論

(1)

(2)

式中：Ωae為聲場邊界Ωa上的一個單元；ra為單元Ωae內(nèi)部任意點，P(ra)為此點的聲壓，vn(ra)為此點的法向速度；ne為單元Ωae上的節(jié)點數(shù)量。

在直接邊界元中，往往是已知部分節(jié)點的聲壓和振動速度，對于其他節(jié)點，其聲壓和振動速度可通過插值法進行計算，例如對于節(jié)點b有：

Ab{pi}=jρ0ωBb{vni},b=1,2,…,na

(3)

式中：Ab和Bb都為(1×na)的系數(shù)矩陣，其中na為所有邊界元網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)量；pi為節(jié)點的聲壓；j為虛數(shù)單位；ρ0為流體密度；ω為角頻率；vni為節(jié)點的振動速度。

求解時，基于表面處的邊界條件，通過插值可得到具體位置的速度、聲壓等。

3.2 仿真計算模型

基于邊界元理論，結(jié)合模組實物，在LMS Virtual. Lab建立仿真分析模型。建立模型時需考慮測試現(xiàn)場實際的墻面及地面反射面，并設(shè)置與現(xiàn)場一致的測點，分析模型如圖7所示。

圖7 模組邊界元聲場分析模型

在建立的分析模型上，加載測得的電容器及模塊頭表面振動信號作為計算輸入，聲阻抗取空氣聲阻抗值(416.5 kg/(m2·s))。

與實際測試位置一致，在距電容器表面20 cm處設(shè)置場點進行輻射噪聲計算。仿真分析得到的聲場云圖分布如圖8所示。

圖8 模組邊界元輻射聲場

選取與實測點位置相同的觀測點提取仿真結(jié)果，開展測試與仿真結(jié)果對標工作，結(jié)果如圖9所示。

圖9 對標位置輻射噪聲仿真結(jié)果

由實測結(jié)果與仿真結(jié)果對比可知，模組底面及側(cè)面吻合度較高，且在頻率特性上，仿真與實測結(jié)果一致，驗證了此邊界元分析模型的正確性。后續(xù)的相關(guān)降噪技術(shù)研究，可在此模型上展開。

4 結(jié)論

模組是柔性直流閥塔的基本單元，也是閥塔的噪聲源。本文通過仿真及試驗結(jié)合的方法，對具體的模組進行了振動噪聲測試及仿真分析，結(jié)果表明：

1)柔性直流工程模組噪聲主要成分中，電容器在鐵芯縱向方向最明顯，具有很強的指向性，此特性有利于換流站整站聲場的優(yōu)化布局；

2) 3 000 Hz以內(nèi)為模組主要噪聲貢獻頻段，后續(xù)降噪措施重點在此頻段實施；

3)模組噪聲頻率特性明顯，以100 Hz及700 Hz(工頻14次諧波)貢獻量最大，既有工頻成份又有高次諧波成份；

4)建立邊界元模型，開展輻射噪聲分析能準確地預估模組的輻射聲場、定量地開展噪聲分析，為全閥塔噪聲分析、降噪設(shè)計及柔性直流工程建設(shè)提供了新的設(shè)計及分析方法。