高壓直流換流站交流濾波電容器降噪措施

吳 鵬 汲勝昌 曹 濤 李彥明 黎小林 李 巖 姚一峰

(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049 2.南方電網技術研究中心 廣州 510623 3.日新電機有限公司 無錫 214028)

1 引言

在高壓直流輸電系統中，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的提高、輸送功率的增大，換流站主設備，如換流變壓器、平波電抗器、濾波及并聯電容器裝置、換流閥等產生的噪聲污染越來越嚴重，已遠遠超出國家環境部門所制定的場界達標標準，對換流站周邊居民正常的生產、生活造成了十分嚴重的影響。

直流換流站中裝設的濾波及并聯電容器裝置由于其臺數多，并且單臺容量大、流過每臺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源的主要因素之一，電容器噪聲已成為一個不可忽視的問題。在CIGRE 的報告[1]中，直流換流站電容器塔的噪聲能夠達到105dB，而文獻[2-3]對諧波下的電容器組噪聲進行了研究，結果表明該電容器組可聽噪聲不低于換流變壓器所產生的噪聲；北京電力科學研究院及河南電力試驗研究院都曾對直流換流站站內的可聽噪聲水平進行過測量，結果表明：電容器裝置附近的噪聲水平幾乎全部超標，最大甚至達到了89.7dB[4-6]。

鑒于直流系統中電容器產生的可聽噪聲非常大，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，噪聲輻射形式復雜。因此，塔的位置、朝向和聲屏技術等在換流站設計時都是改善換流站噪聲分布的有效措 施[1,7]。文獻[1]中，還有一些其他的內部降噪措施，如減小電介質受力，增加電容器元件的硬度和避開電容器的模態頻率。聲屏障技術會額外增加昂貴的土地成本，因為對于高壓設備需要足夠大的絕緣距離建聲屏避墻。而文獻[1]中的內部措施，只是指導性建議，因其會改變內部結構，可能會帶來其他問題。主動控聲技術一般采用閉環控制發聲器件使其向固定區域產生與所需抑制的噪聲頻率相同而相位相反的聲波，從而通過聲波疊加起到降低該區域噪聲的目的[8]。顯然，由于需要電控設備和不易應用在大范圍區域降噪的原因，以及換流站的特殊要求，傳統的主動控聲技術不能應用在電容器裝置上。但是，該技術中相位相反的同頻率聲波疊加控制噪聲的方法應用在電容器陣列上降噪是可行的。

本文分別針對單臺電容器和電容器塔提出了雙底面型低噪聲電容器和交錯式電容器布置方式并對此開展研究。所取得的成果對進一步開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計理論

圖1 為實測的電容器各面振動加速度數據，底面振動遠高于側面，電容器各面的聲輻射量差異較大，底面噪聲輻射量遠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，即可以把單臺電容器的噪聲降下來。

圖1 電容器各面平均振動加速度數據 Fig.1 Some surfaces vibration of capacitor

雙底面型電容器底部雙底面結構及兩個底面之間的振動和噪聲傳遞過程分析如圖2 所示，第二底面輻射噪聲的能量來自于兩個途徑：第一底面輻射的聲透射；第一底面邊棱上的振動傳遞。

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構，其聲壓透射系數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。

而對于本文所設計的雙底面型電容器，其聲壓透射系數tp2為

式中 M—電容器外殼底面的單位面積質量；

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。根據其他相關參數及式（1）～式（4）可以得到：單底面的隔聲量為32.44dB，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。

根據實驗研究，底面振動為（1，1）模態，即中間振動幅值大而四周振動幅值小。第二底面與第一底面的剛性結構連接都存在于第一底面的邊棱，結構振動傳遞量微小。表1 為實驗中測得的電容器底面邊棱及中心的振動加速度數據。

表1 底面邊棱處振動數據 Tab.1 Vibration of bottom edge

從表1 可以看出邊棱處的振動遠小于底面中心上的振動，因此通過第一底面邊棱的剛性結構傳遞到第二底面的振動非常小，根據估算通過邊棱傳遞到第二底面的振動約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 多臺電容器交錯放置的降噪措施

換流站內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成電容器塔，電容器塔上的電容器數量多并且排列有序，如圖3a 所示（不考慮鐵架）。由于同相的電容器頻率相同，交錯布置方式的電容器塔可以通過自身的位置調整，使一批電容器在輻射面上發出的噪聲與另一批電容器在該輻射面上發出的噪聲滿足相位相反的條件，因此可以降低輻射區噪聲水平。交錯式電容器布置方式構成的電容器塔如圖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 常規電容器布置方式和交錯式電容器布置方式 Fig.3 Regular placement and overlap placement of capacitors

電容器外殼表面的振動滿足小振幅的條件，結構振動在外部流體介質中距離表面r 處產生的輻射聲壓p 滿足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，k=ω/c；

ω —角頻率；

c—流體介質中的聲速；

ρ —流體密度；

n—結構表面S 的外法向單位分量；

υn—結構表面S 的外法向振速；

r=|Q?P|，Q 為結構表面S 上任意點，P 為空間中任意點。

根據點源的球對稱特性，方程（6）的基本解為

利用格林公式和相應的外場問題聲學邊界條件，得到采用聲壓p(P)與法向振速nυ 表示的外場問題Helmholtz 直接方程

式中，c(P)=α/(4π)；α為結構表面S 上點P 處的表面角。

對式（10）利用邊界元法進行離散，即得直接法邊界元求解方程：

式中 A，B—影響矩陣；

p—節點聲壓矢量；

υ—節點法向速度矢量。 解得表面各節點處的p 和υ ，采用插值可得外場點網格中任意點P 處輻射聲壓

式中 a，b—插值系數矩陣。

根據聲場理論采用邊界元法分別對圖3 中常規放置方式電容器塔和交錯放置方式電容器塔噪聲輻射聲場進行計算。計算邊界設置為自由場邊界，交錯距離為0.15m，計算頻率1100Hz，電容器側面和頂面加載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 的輻射聲場計算結果如圖4 所示。

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

圖4 中A 區為電容器塔寬側面正對的聲場輻射區，B 區為電容器頂面正對的聲場輻射區。從圖4可以看出，常規放置方式的電容器塔在電容器頂面和側面正對的輻射區噪聲輻射方向集中、聲級高；而交錯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噪聲輻射面正對的輻射區噪聲水平，從仿真計算結果上看降噪量約為10dB。非正對區域噪聲會有部分小區域升高現象，但對于關心的0～6m 電容器塔向四周輻射的區域來說，交錯布置方式能有效降低大面積方向性集中的高聲級噪聲。

3 電容器兩種降噪措施的實驗驗證

3.1 實驗系統

圖5 電容器振動噪聲實驗平臺 Fig.5 The experiment system for studying of the noise and vibration of capacitor

在實驗中采用的實驗平臺如圖5 所示。實驗主電路由諧波電流源、補償電抗器和試品電容器組成，組成并聯諧振電路可以降低系統中的無功需求。測 試系統包括三部分：電流測試子系統、外殼振動測試子系統和噪聲測試子系統。測試電流子系統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；測試外殼振動子系統為壓電式加速度振動傳感器通過電荷放大器接A/D 采集卡傳入電腦；測試噪聲子系統為集聲壓傳感器和分析儀為一體的SPL 分析儀。ISO 標準[13]規定設備噪聲需高出環境噪聲一定的值才能進行噪聲測量。為了避開外界的噪聲干擾，圖5 中點劃線框內試品電容器和測試系統布置在消聲室內，而電抗器和諧波電流源布置在消聲室外。具體設備參數如下：

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

諧波電流源的單頻率模式：0～600Hz 內可調，最小頻率步長0.1Hz；諧波模式：可實現四種諧波疊加，之間可獨立調節其中任一諧波電流幅值和相角等，諧波次數可選。

聲壓級測試儀為日本RION 公司生產的NA-28型聲壓級測試儀，靈敏度為?27dB，測量范圍為25～130dB。

壓電式振動加速度傳感器的靈敏度為10pC/ms?2。

采集卡的最大采樣率100kHz，位數為24，可以4 通道同時采樣，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，以保障噪聲的測量符合聲學測試要求。圖6 為消聲室內架子上待測的電容器。

圖6 消聲室內架上待測電容器 Fig.6 Filter capacitor in the semi-anechoic room

3.2 雙底面型低噪聲電容器實驗結果

試品電容器和同型號常規電容器在表2 和表3的實驗電流條件下進行對比實驗。

電容器噪聲測點分布如圖7 所示，測點分為距電容器外殼20cm 和50cm 兩類測點。

表2 單頻率實驗條件 Tab.2 Single frequency current

表3 復合頻率實驗條件 Tab.3 Harmonic currents

圖7 電容器噪聲測點分布 Fig.7 Measurement points arrangement for noise of capacitor

實驗結果見表4～表9 及圖8，其中C1 代表同型號常規電容器，C2 代表雙底面型電容器。

3.2.1 單頻率實驗結果

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

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

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

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

圖8 350Hz 電流下電容器底面50cm 處測點的 噪聲頻譜比較 Fig.8 SPL from the capacitor bottom 50cm with 350Hz current

3.2.2 復合頻率實驗結果

表8 第一組復合頻率電流作用下噪聲對比數據 Tab.8 SPL (A) with the first harmonic currents （單位：dB）

表9 第二組復合頻率電流作用下噪聲對比數據 Tab.9 SPL (A) with the second harmonic currents （單位：dB）

由3.2.1 節和3.2.2 節中實驗數據可以看出，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，所測頻率點都有較大的降噪量。而且成本小，制作工藝簡單，易于批量生產，具有較高的工程應用價值。

3.3 交錯式電容器布置方式降噪實驗結果

由于受到實驗條件限制，在消聲室內僅對兩臺電容器和四臺電容器分別就常規放置方式和交錯放置方式做了相關的噪聲對比試驗，實驗中電容器交錯放置方式如圖9 所示，交錯距離14cm，電容器間距為常規間距10cm。

圖9 電容器交錯放置實驗布置 Fig.9 The overlap arrangement of capacitor for test

加載70A 的11 次諧波電流激勵，實驗結果如圖10 和圖11 所示。

從圖10 和圖11 中可以看出，在頂部和底部正對的區域，交錯式布置方式的電容器噪聲比常規布置方式的電容器噪聲得到有效控制，特別是四臺電容器實驗結果中底部正對區域和頂部正對區域降噪量達到10dB；而遠離正對面的輻射區噪聲降低量不 顯著，并且個別測點如圖11 中測點5 噪聲反而升高，這是因為該測點偏離頂部正對區域，來自側面的噪聲與頂面噪聲疊加使得該處噪聲升高。

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

圖11 四臺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，布置的測點距離電容器較近，并且只有一層電容器，因此實驗結果只是部分反映了交錯式布置的降噪效果，如圖 3b的遠場噪聲實驗不易實現。本小節實驗證實了電容器交錯布置方式噪聲輻射面正對的區域噪聲降低效果顯著，與2.2 節理論計算的圖4 結論符合。

4 實際應用討論

雙底面型電容器可以有效降低單臺電容器最大噪聲輻射部分的噪聲輻射量，這將對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，所以還需要對雙底面對電容總體溫升的影響進行考察，考慮到底面面積較小，對整體散熱影響應該不大。

有源主動降噪主要根據聲探頭測得的聲波波形，然后通過控制發聲器件在同向發出頻率一致而相位相反的聲波來抵消原噪聲，以達到降低固定區域噪聲水平的目的。電容器陣列交錯式布置方式是在不改變電容器結構和不增加額外成本的情況下合理地調整電容器的布置，使一批電容器在輻射面上發出的噪聲與另一批電容器在該輻射面上發出的噪聲滿足相位相反的條件，從而可以如同有源主動降噪一樣利用聲波疊加原理有效降低電容器塔周圍的噪聲水平。交錯式放置方式不僅可以用在同層電容器之間，還可以對不同層的電容器進行合理的布置，綜合布置可以獲得更好的降噪效果。采用這種交錯布置方式的電容器塔需要比采用常規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，即交錯距離，因此需花費一定的土地成本，但是遠比采用聲屏障所花費的土地成本低。這種方式也略增大了等效的散熱面積，更有利于散熱。在應用中，這種降噪方式需要根據電容器上流過的主要諧波電流情況合理設計電容器交錯放置的尺寸，設計依據見2.2 節。

5 結論

為降低高壓直流換流站內濾波電容器裝置的噪聲，對單臺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式布置方式。根據研究得到如下結論：

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

（2）電容器陣列的交錯式布置方式比常規放 置方式在正對輻射面的區域內能大幅降低可聽噪聲。

在電容器交錯式布置方式中，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噪聲最小，這是個優化的問題，需要借助相關軟件解決。

[1] CIGRE technical report.HVDC stations audible noise[R].No.202 W.G 14.26,France,2002.

[2] Cox M D,Guan H H.Vibration and audible noise of capacitors subjected to non-sinusoidal waveforms[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1994,9(2):856-862．

[3] 汲勝昌,寇小括,李彥明.換流站中電容器裝置噪聲水平計算方法的研究[J].中國電機工程學報,2006,21(3):112-118.

Ji Shengchang,Kou Xiaokuo,Li Yanming.Study on the calculation method of noise level for capacitor installation at converter station[J].Proceedings of the CSEE,2006,21(3):112-118.

[4] 中國電力科學研究院.三峽－常州±500kV 直流輸電工程可聽噪聲測試報告[R].2003.

[5] 中國電力科學研究院.三峽－廣州±500kV 直流輸電工程可聽噪聲測試報告[R].2004.

[6] 河南電力試驗研究院.靈寶換流站可聽噪聲測試報告[R].鄭州,2005.

[7] 韓輝,吳桂芳,陸家榆.±800kV 換流站閥廳與換流變壓器采用一字形或面對面布置的噪聲分析[J].電網技術,2008,32(9):1-5.

Han Hui,Wu Guifang,Lu Jiayu.Analysis on audible noise of ±800kV converter stations with layout of valve hall and converter transformer in single-line form or face-to-face form[J].Power System Technology,2008,32(9):1-5.

[8] 余文斌,武哲.基于飛行保護頭盔的主動消聲研 究[J].航天醫學與醫學工程,2005,18(4):307-308.

Yu Wenbin,Wu Zhe.A new type of active noise cancellation earmuffs[J].Space Medicine & Medical Engineering,2005,18(4):307-308.

[9] Bies D,Hansen C H.Engineering noise control[M].3ed.New York:E & FNSPON,2003.

[10] M P 諾頓.工程噪聲和振動分析基礎[M].盛元生 譯.北京:航空工業出版社,1993.

[11] 楊德慶,胡波.水下結構振動和聲輻射數值分析[C].MSC.Software 中國用戶論文集,2002.

[12] 王文平,項昌樂,劉輝.基于 FEM/BEM 變速器箱體輻射噪聲的研究[J].噪聲與振動控制,2007(5):107-111.

Wang Wenping,Xiang Changle,Liu Hui.Study on the radiation noise of gearbox housing based on FEM /BEM[J].Noise and Vibration Control,2007(5):107-111.

[13] ISO 3745,Acoustics-determination of sound power levels of noise sources using sound pressure-precision methods foranechoic and hemi-anechoic rooms[S].2ed,2003.