換流站電容器裝置振動與噪聲特性分析

沈 琪 汲勝昌 任 杰 吳 鵬 王 頌

（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.江蘇省電力公司電力科學研究院 南京 210036 3.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局 廣州 510663）

1 引言

相對于交流輸電系統，高壓直流輸電系統在遠距離、大容量輸電方面具有顯著優點，因此近些年來在我國發展迅猛。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[1]。隨著直流輸電電壓等級的提高、輸送功率的增大，直流換流站中裝設的濾波及并聯電容器的臺數隨之增加，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，使得電容器裝置成為換流站中噪聲的主要來源之一。中國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最大達到了89.7dB[2-4]。在CIGRE的報告[5]中也提及，直流換流站電容器塔的噪聲能夠達到105dB。因此濾波電容器裝置的可聽噪聲污染已經成為一個不可忽視的問題。

對電容器裝置產生的噪聲進行測量和分析，是研究電容器噪聲產生機理和抑制措施的基礎。美國的M.D.Cox 等人最早對電容器裝置的噪聲水平（A計權的聲壓級）進行了測量，結果表明：當流過每臺電容器的電流中含有大幅值的高次諧波成分時，電容器裝置的噪聲水平與變壓器的相當[6]。ABB 公司技術中心的Jan Smede 等人提出了風向、氣溫等環境條件會直接影響換流站站內的可聽噪聲水平的測量結果，為了比較有效地評估噪聲水平，應在順風向、風速1～5m/s的條件下進行測量[7]。近幾年來，國內對直流換流站電容器裝置的噪聲水平進行了大量測量與分析工作，考慮了直流系統的運行方式（單極或雙極）、輸送功率大小等因素的影響[2-4,8]。但目前國內外學者只是關心電容器裝置周圍聲壓級的大小，并未對噪聲頻譜特征與流過電流的關系等進行研究，因此無法為電容器裝置噪聲的抑制提供參考。另外，國內外在測量電容器裝置噪聲水平時都是使用聲壓計，易受到其他設備噪聲的影響，對于有多個噪聲源的換流站更是如此。相比而言，直接測量電容器裝置表面的振動信號能夠更直接地對產生噪聲污染的根源進行分析，并且不會受到周圍設備、天氣條件等的影響，能夠間接地體現出電容器裝置噪聲的水平及特性。

本文通過建立激光振動測量系統和基于傳聲器的噪聲測量系統，對換流站中正在運行的電容器裝置的振動及噪聲信號進行測量，研究諧波電流與單臺電容器振動之間的關系，分析整個電容器塔架的振動特性；同時根據測量得到的交流濾波場的噪聲水平，分析電容器裝置整體噪聲輻射的方向性。這對于合理有效的電容器裝置降噪措施的提出具有重要的意義。

2 電容器裝置振動與噪聲的測量

2.1 振動及噪聲測量系統的構成

2.1.1 測量對象

測量的電容器裝置位于南方電網某±500kV 換流站內的220kV 交流濾波場，電容器是由諾基亞電容器有限公司生產的，其電容值為33.0μF，容量為565kvar。整體電容器裝置如圖1 所示。

圖1 220kV 交流濾波場電容器裝置Fig.1 The capacitor installation in the 220kV filtering field

2.1.2 振動測量系統

考慮到測量人員的安全性，圖1 所示的圍欄之內的電容器裝置區域并不允許靠近，也就是說基于傳統壓電式振動傳感器的測量系統不適用于換流站中的電容器裝置。為了實現振動信號的無接觸式“遙測”，本文建立了基于激光測振儀的振動測量系統，如圖2 所示。

圖2 激光測振系統Fig.2 Laser vibration measuring system

圖2 中，激光測振儀能在一定距離內準確地測量電容器裝置表面的振動速度信號，且其發射的激光能量很弱，不會影響被測設備的運行。表1 是該激光測振儀在各測量范圍下的換算系數和測量精度。激光測振儀將測量得到的振動速度轉換成電壓信號，通過電纜與最高采樣頻率為500kHz的數據采集卡相連，最后由USB 數據線輸入筆記本電腦進行存儲。

表1 激光測振儀技術參數Tab.1 The technical parameter of laser vibrometer

2.1.3 噪聲測量系統

換流站中對濾波場周圍噪聲測量的系統如圖3所示。

圖3 噪聲測量系統Fig.3 Noise measuring system for capacitor

圖3 中，交流濾波場中的主要噪聲源為電容器裝置、高低壓電抗器和電阻箱。噪聲傳感器是由電容型傳聲器和前置放大器組合而成，兩者共同工作可以把聲音信號轉換成電壓信號。傳聲器的靈敏度為50mV/Pa，前置放大器的增益為20dB，兩者的頻率響應范圍在10～20kHz 之間，并通過USB 數據線連接到電腦，顯示和記錄噪聲時域波形。

2.1.4 現場環境對測量系統的影響

振動測量系統采用激光測振儀測量聲源表面的振動速度信號。一般情況下，聲源表面受到環境中噪聲聲波的影響會感應一部分能量而出現微弱的振動信號，這將對聲源自身的振動信號產生干擾；但相比空氣，電容器和塔架的密度大，單位體積內的質量較大，由空氣入射的聲波在振動面上幾乎完全被反射，并且通過對附近未運行電容器裝置的振動測量，也說明了環境噪聲不會對信號的測量結果造成影響。

對于噪聲信號測量系統，由于無法采取有效的措施屏蔽環境噪聲的影響，因此在滿足風向和溫度等測量條件的情況下，選擇背景噪聲較小的時間內進行測量。

2.2 振動及噪聲信號測量過程

2.2.1 電容器裝置振動信號的測量

電容器裝置主要由電容器和金屬塔架組成，因此振動信號主要來自這兩個部分。

對于裝置上的電容器，其型號相同，并以同一種方式固定在塔架上，這決定了每臺電容器具有相同的固有振動特性；另外，裝置上的每兩臺電容器并聯為一組，若干組串聯而成，這種連接方式決定了流過每一臺電容器的激勵電流及其兩端的電壓均相同，也就是說，各個電容器受到的電應力是相同的。由上述兩點可知，每臺電容器外殼具有相同的振動特性，可以選取任意一臺電容器作為測量對象。測量振動信號時，將激光測振儀固定在距離地面高度為1.5m的金屬支架上，在濾波場護欄外，與電容器裝置大約3.0m的距離進行測量。由于物體表面對垂直入射的激光具有比較理想的反射，而電容器裝置底層距離地面高度為1.8m 左右，與激光測振儀基本在同一高度，因此選取底層塔架上靠外側的電容器作為測量對象。電容器外殼測量點位置分布如圖4 所示。

圖4 電容器外殼振動測量點分布圖Fig.4 Vibration measuring point arrangement of capacitor shell

金屬塔架的振動主要來自于其上固定的電容器。為了說明每一層塔架振動之間的差異，需要測量各層金屬塔架橫梁中點的振動數據。但隨著塔架高度的增加，激光測振儀的激光束與測量面之間產生一個仰角，并隨著高度的增加而增大，這在計算實際振動數據時需要修正，即仰角修正問題。

2.2.2 交流濾波場噪聲信號的測量

交流濾波場周圍噪聲信號的測量是為了分析濾波場內所有噪聲源在各方向輻射的噪聲情況。濾波場中的噪聲源主要包括電容器裝置、電抗器和電阻箱，因此建立如圖5 所示噪聲測量點分布圖。圖中實線表示各個噪聲源的軸對稱線，虛線表示相鄰噪聲源之間的中點線。

圖5 噪聲信號測量點分布圖Fig.5 Noise vibration measuring point arrangement

噪聲傳感器固定在距離地面1.5m的支架上，距離交流濾波場護欄大約0.5m，并按照圖5 中所示間隔逐點測量噪聲信號。測量時需要注意風速和風向對測量的影響，一般在風速為1～5m/s的條件下進行測量比較理想。現場利用熱敏風速計，在 0～10m/s 范圍內可以準確地測量風速，精度達到0.01m/s。對部分測量點處測得風速值進行平均，得到平均風速大約為1.30m/s，此時測得的噪聲信號符合要求。

2.3 振動信號的仰角修正

激光測振儀是利用激光多普勒效應的原理來測量物體表面振動的。對于垂直反射的激光信號，測振儀能夠準確地采集并顯示振動波形。但由于現場條件的限制，需要對高度大于激光測振儀水平高度的塔架橫梁表面進行較大仰角的測量，勢必影響測量的準確性，因此應對測得的數據進行仰角修正。圖6 是激光測振儀測量物體表面振動速度的原理示意圖。圖6 中S為激光測振儀的光源及光波接收器，并保持相對靜止；P為物體表面振動的初始位置，P′為振動表面在下一時刻δt的位置，其法線方向的振動速度為v。當物體表面位于P處時，激光測振儀發射的激光束SP照射到P處產生散射，反射光沿PS返回并被光波接收器接收，總光程為

圖6 激光測振儀測量原理示意圖Fig.6 The measuring principle of laser vibrometer

經過δt后，物體表面運動至P′處，此時的光程為

因此在δt時間內，光波接收器中接收到的激光光程差為

由于振動的位移PP′遠小于入射光程SP和反射光程SP′，所以可以忽略SP和SP′的夾角，得到

因此，光程差為PP′+P′P。假設n是沿從光源到反射面，再回到接收器光路上的波數或周期數，則在無限小的時間間隔δt中，假設P移動到P′的距離為vδt，v為反射面振動速度。在光程中周期數將減少為[9]

式中，λ和λ″分別為散射前后的波長，式（5）可以表示為

由于fλ=f″λ″=c，并且

則

在一般情況下，不需要區分λ和λ″，這樣就可得到一級近似的多普勒頻移

根據激光多普勒效應的原理得到ΔfD，并通過激光測振儀內部運算電路得到反射光方向的速度v1，結合θ角可以計算出物體法線方向振動速度v。

仰角θ可以從圖6 中物體和激光測振儀的高度及兩者之間的距離來確定。

所以由以上推導可知實際振動速度為

表2 所示是每一層電容器塔架的高度及測量距離。其中，H2是激光測振儀高度，L為激光測振儀與電容器塔架的水平距離，H1是測量點位置高度，Th1～Th1分別表示由下往上的第一層至第五層。據此，根據式（10）可以計算得到1～5 層測量點，在不同離地高度下的仰角θ的余弦值（見表2），后續的塔架振動數據將據此進行修正。

表2 塔架測量點數據Tab.2 The measuring data of capacitor frame

3 試驗結果及其分析

3.1 電容器振動與電流頻率的關系

電容器是由多個電容單元串并聯組成的，每一個電容單元又是由兩塊鋁箔片和中間所夾的絕緣介質繞制而成的，因此電容器可以看作是由無數個平板電容串并聯而成。當電容器中流過交流電流時，在每一個電容單元兩端形成交變的電壓，該電壓在介質中產生交變的電場，因此金屬鋁箔片在電場中受交變的靜電力作用而產生振動，并最終傳遞到外殼。根據平行板電容器極板的受力分析可知，兩個極板之間的吸引力為

式中，C為電容器的電容量，以A為極板面積，則電容C的表達式為

當平行極板之間的距離為d時，利用式（12）～式（14）可以得到兩個極板之間的吸引力F(t)為

對于電容器單元的某一個極板，其振動方向始終在同一直線上，可以近似為單自由度系統的受迫振動，受迫力就是靜電力F(t)。因此，極板振動的運動方程可表示為

式中，m為極板質量；c為極板的粘性阻尼系數；k為極板的剛度，這些參數均是與極板的材料和結構有關的常量。x(t)為極板相對平衡位置的位移，加速度。為了得到加速度與電壓之間的近似表達式，忽略極板的粘性阻尼系數和剛度，即得到

對于單頻率電壓信號u(t)=Unsin(ωt)，代入式（15），可得

從上式可見加速度信號的頻率為所加激勵信號頻率的兩倍，而當激勵電壓含有較多諧波頻率時，如

對電壓進行二次方展開后，將得到更加復雜的頻率分量，主要包括2ωi和ωi±ωj。所以在測量振動信號的同時，還需要了解激勵電壓的頻率情況。換流站中在主控室可以得到濾波電路上的電流數據，而電容器兩端的電壓與流過的電流具有相同的頻率值，因此針對頻率分量兩者可以通用。

該換流站使用12 脈動換流電路實現交直流的轉換。對于雙調諧濾波電路，流過電容器裝置的電流除基波50Hz 以外，主要是來自直流側的12±1 次諧波，所以電容器上承擔的電壓的頻率分量主要為50Hz、550Hz 和650Hz。其電流時域和頻域波形如圖7 所示。

圖7 電流信號時域和頻域波形Fig.7 The current signal waveforms and spectrum

將流過電容器上的電流近似表示為

總量控制能夠促進分級管理與各負其責。可降低行政成本、提高管理效率。中央層面可以專注于宏觀管理與大案要案的查處；地方層面可以錨定包括“點源”與“面源”污染控制的屬地管理責任而不可推卸。

式中，ωi=2πfi，f1=50Hz，f2=550Hz，f3=650Hz，對電流二次方項展開，可以得到頻率分量為100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz、1 300Hz。

以底面測量點D1為例，對振動加速度信號進行快速傅里葉變換，得到各個頻率分量，圖8 所示為底面振動加速度的時域和頻域波形，圖8b 中所示振動加速度信號的頻率分量，與電流二次方后得到的頻率分量完全一致。

圖8 振動加速度時域和頻域波形Fig.8 The vibration acceleration waveforms and spectrum

3.2 電容器振動特性分析

由于電容器外殼結構和內部振動傳播途徑的不同，使電容器外殼各面振動之間存在較大的差異。對于頂面，由于安裝有兩個絕緣子，其表面振動受到限制，所以主要以寬側面、窄側面和底面為研究對象，來說明各面振動特性的區別。取點K1、Z1和D1的振動數據，經過預處理后，通過快速傅里葉變換算法，得到頻域下各面的振動特性。從圖8 中可以看出，振動信號的幅值主要集中在 100Hz、500Hz、600Hz 和700Hz 上，因此對同一頻率下，將不同測量面的振動加速度幅值列于圖9。

圖9 不同頻率下各測量點振動幅值Fig.9 The vibration amplitude of measuring points in different frequencies

如圖9 所示，在同一頻率下，對于不同測量面的振動幅值呈現相同的趨勢，即底面D1處的振動最強，窄側面Z1最弱，這與各面的結構和振動的激勵源有關。在電容器中，外殼的振動是對內部電容器單元極板振動的響應。在結構上，電容單元一層一層疊加，并平行于底面固定在電容器外殼內。當電容器元件加載電壓時，因為箔片每一側都受到靜電力的作用，且方向相反，大部分鋁箔片處于平衡狀態，而在底部和頂部邊緣處的鋁箔片只受到單方向靜電力作用，因此電容器外殼振動主要集中在底部和頂部[10]，而且整個芯子元件在縱向方向上振動，對平行于振動面的底面具有最大的激勵作用。而對于寬側面和窄側面，雖然振動相對較弱，但寬側面的振動要稍微大于窄側面，其主要原因在于寬側面面積較大，其受到側面邊界的約束作用較小，具有較大的振動自由度；另一方面，電容器通過窄側面固定在塔架上，這也在一定程度上限制了窄側面的振動幅度。

3.3 塔架振動特性分析

每一臺電容器通過螺栓和螺母固定在裝置塔架上，屬于剛性聯結，這使得電容器外殼的振動可以輕松地通過連接件傳遞給塔架，對于塔架上的近百臺電容器，各自產生的振動在塔架內反復傳播，相互疊加，形成比較復雜的振動形式。為了說明每一層塔架的振動情況，將激光測振儀測量得到的振動數據通過仰角修正，用振動幅度的有效值來近似代表每一層塔架振動的強度。圖10 是經過計算修正后得到的各層振動幅度有效值。

圖10 電容器裝置1～4 層塔架振動幅度Fig.10 The vibration amplitude of capacitor frame in 1～4 floor

被測電容器裝置共有6 層，但最上面2 層的仰角過大導致數據誤差增大，因此只對底下4 層的數據進行分析。從圖10 中可以清晰地看出，隨著裝置層數的增加，即塔架高度的增加，塔架的振動逐漸增強。對于固定在地面的電容器裝置，隨著高度的增加，塔架自由度受到地面固定端的約束作用逐漸減小。同時，裝置上所有電容器的振動通過金屬塔架傳播，在固定端發生折反射，而相對于大地來說，金屬的密度較大，具有較好的振動傳播性能，因此振動大部分被反射回塔架。根據塔架的振動情況，可將其分成兩部分，一部分是不受固定端約束的塔架的振動，主要表現為每一層具有相同的振動幅度；另一部分為固定端向塔架反射的振動，表現為以固定端為振源，向塔架自由端傳播振動，并隨著與固定端的距離增大，即高度的增加，振動強度逐漸加強。這兩部分共同作用，從而在電容器塔架內部形成比較復雜的振動傳播規律，表現在振動幅值上，就出現了隨著高度增加，振動增強的趨勢。

3.4 濾波場周邊噪聲分析

交流濾波場在運行情況下，噪聲主要來自電容器裝置、電抗器和電阻箱，它們各自產生的噪聲在空間輻射過程中相互疊加，形成了不同于單輻射源的噪聲分布。各種設備不但本身的噪聲輻射情況存在差異，而且各自的空間位置對外界輻射的噪聲水平也存在一定的影響。因此，對濾波場周圍噪聲水平的測量，可以得到各個方向上的噪聲輻射情況，這為濾波場整體噪聲的控制提供了參考。針對噪聲源的位置，將濾波場區域的周長劃分為如圖5 所示的測量點。圖11 是其中一個測量點3 處得到的噪聲聲壓時域和頻域波形。從圖中可以看出，時域下波形發生周期性振蕩，從頻域下更能直觀地看出其振蕩頻率，頻率點主要分布在100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz 和1 300Hz，這些頻率點與電容器表面振動頻率分量相同，如圖8b 所示。可見振動與噪聲之間的聯系密不可分。

圖11 測量點3 處噪聲聲壓時域和頻域波形Fig.11 Noise pressure waveforms and spectrum in point 3

以上得到的僅是測量點的聲壓值，為了模擬人耳的聽覺特性，一般都是用計權網絡對信號中的不同頻率成分進行衰減，得到計權聲級來表征，常用的計權網絡有A 計權、B 計權和C 計權，其中A 計權網絡是模擬人耳對40 方純音的響度，當信號通過時，其低、中頻段（1 000Hz 以下）有較大的衰減。A 計權聲級能夠較好地反映人耳對噪聲的強度和頻率的主觀感覺，對于一個連續的穩定噪聲，這是一種較好的評價方法。常用的A 計權網絡在1/3 倍頻程下進行修正，修正值見表3。

表3 1/3 頻程下A 計權值Tab.3 A-weighting value in 1/3 octave

在IEC61672 標準中還給出了頻率計權值的計算公式[10]

式中f1=20.6Hz；f2=107.7Hz；f3=737.9Hz；f4=12 194Hz。

除了使用頻率修正的方法，還可以通過數字濾波器的原理來計算A 計權聲級。對于頻率計權，這是一種有嚴格要求的帶通濾波器法，首先求出其傳遞函數，再轉換為數字濾波器，直接對時域聲壓波形進行濾波[11]。

圖12 是對所有測量點得到的聲壓數據進行A計權，得到A 計權聲級，并結合實際濾波場的布局，做出的360°噪聲輻射方向圖。參照圖5 所示濾波場布局，0°方向上為測量點31的A 計權聲級，然后按照逆時針順序，根據數據量將圓周均勻劃分，得到圖12 所示方向圖。

圖12 中所示90°方向為濾波場軸對稱線所在位置，雖然對稱的結構和激勵輻射的噪聲也具有對稱性，但當存在外界干擾時，這種對稱性將受到一定影響。圖12 噪聲輻射的方向圖中，對稱性并不明顯，主要表現為對稱軸左側噪聲較大。這是由于濾波場左側存在運行的補償電容器裝置，其輻射的噪聲對測量造成了較大的干擾。在各方向的噪聲輻射情況上，180°～210°和330°～360°之間出現最大的噪聲輻射，其值均大于75dB，根據圖5 所示，這兩處位于電容器裝置和高壓側電抗器之間，因此可以確定這都是濾波場噪聲的主要來源。

圖12 濾波場噪聲輻射方向圖Fig.12 The noise radiation pattern of filtering field

3.5 對電容器裝置減振和降噪的一些建議

根據前面對電容器裝置的振動特性，及濾波場噪聲輻射方向性，提出一些降噪措施的建議。

針對電容器及塔架的整體振動特性，從根本上解決電容器裝置的噪聲問題，需要從單臺電容器的內部結構入手，其次對外殼振動劇烈的部位適當地采取限制措施，比如增加阻尼結構實現振動的吸收和衰減，在關鍵部位隔離振動等，這都可以有效降低振動，從而減少噪聲輻射量。

交流濾波場在各個方向上輻射的噪聲水平與噪聲源的輻射特點和整體的布局有關，雖然限制每一個噪聲源的振動對降低噪聲輻射有一定的作用，但不能防止它們輻射的噪聲之間相互疊加而產生的類似共振加強的現象。因此合理安排濾波場內各個噪聲源的空間位置，盡量避開共振區，可以削弱噪聲之間相互疊加而出現的局部方向噪聲增強的現象。

總之，對電容器裝置和濾波場的減振及降噪措施，除了滿足電氣絕緣配合和系統正常工作的前提下，還要考慮換流站的土地建設成本。

4 結論

本文以南網某換流站220kV 濾波場中的電容器裝置為研究對象，通過建立激光振動測量系統和基于傳聲器的噪聲測量系統，對換流站中正在運行的電容器裝置的振動及噪聲特性進行了研究，主要得到以下結論：

（1）雙調諧濾波電路中，流過電容器的電流頻率為50Hz 基波和12±1 次諧波，而外殼表面的振動頻率為100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz、1 300Hz，即振動頻率為電流頻率的二倍頻以及各頻率之間的和頻與差頻。

（2）在不同頻率下，電容器外殼各個側面中，底面振動信號最強，窄側面振動最弱，這主要與外殼的結構和內部元件振動的性質有關。

（3）電容器外殼的振動通過連接件傳遞給裝置塔架，因此兩者在振動頻率點上基本一致，而且隨著塔架高度的增加，振動自由度隨之增大，因此振動不斷加強。

（4）濾波場周圍噪聲在頻率點上與電容器裝置的振動頻率點吻合，在輻射方向性上，高壓端電抗器和電容器裝置附近產生的噪聲較強，而且整體輻射具有一定的對稱性。

本文最后基于研究得到了電容器裝置的振動及噪聲特性，提出了對電容器裝置進行減振和降噪的措施，這對于降低換流站中交流濾波電容器裝置的噪聲水平具有指導意義。

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