基于電力電容器芯子結構改進的振動控制方法

王嬌嬌，劉夫云，李德璽，陳鑫淼

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林541004）

0 引言

隨著人口的不斷增長以及城市化快速發展，直流換流站內電容器裝置往往建立在靠近人口密集的區域，但該裝置所產生的噪聲嚴重的影響了周圍居民的正常生活。在CIGRE technical report報告中指出在特高壓直流換流站中電容器的噪聲水平范圍已經達到60～105 dB[1]。根據中國電力科學研究院對某換流站內的A計權噪聲進行的實驗測試結果[2]：電力電容器裝置附近的輻射噪聲高達89.7 dB，大大超過了人類可接受的噪聲范圍。因此，如何有效地控制電力電容器的振動輻射噪聲，已成為丞待解決的難題。

關于電容器振動控制技術早就開始被關注研究，并取得了一定的成效。2012年，Zhu L等人[3]對雙底面電容器的隔振降噪效果進行了研究，結果顯示：采用雙底面電力電容器，底面的振動明顯減小。2013年，左強林等人[4]用大量的實驗表明：在電容器底部加隔聲腔能夠有效的降低電容器噪聲。2015年，黃國興等人[5]在電容器的頂部和底部加入復合微穿孔板，實驗結果表明：該結構可使電容器頂部和底部的降噪量達到6～7 dB。2015年，甘林等人[6]在電容器芯子底面與殼體間設置波紋管減振器，使得電容器底部的噪聲降低了9 dB。上述學者對電容器振動噪聲控制研究多集中在芯子與外殼隔振等方面，而對電容器芯子振動控制及振動仿真建模等方面進行研究的文獻還鮮有見刊。但電容器產生輻射噪聲主要來源于芯子的振動，研究芯子的振動及其控制方法是目前解決電容器噪聲問題的關鍵難題。

本文從電力電容器芯子減振理論及振動產生機理進行分析，并考慮到質量塊具有良好的安全性、成本低、工程易于實現等優勢，所以提出了在芯子串段間合理設置質量塊的方法，使電容器的固有頻率避開電流的激勵頻率，從而降低電容器的振動[7]；并對提出的方法進行仿真建模及試驗驗證；根據試驗測試結果，驗證了在芯子串段間加載質量塊可以改善電容器的振動噪聲問題。

1 加載質量塊的電容器芯子振動產生機理

1.1 加載質量塊的電容器結構分析

加載質量塊的電容器的外部結構主要由殼體、電介質引線鐵、陶瓷套管、吊耳等組成，內部主要由放電電阻、絕緣浸漬劑、芯子、質量塊等材料組成，如圖1所示。其中，絕緣浸漬劑（如芐基甲苯等）用來填充電容器內部的空隙，防止電極之間通過電解質放電，導致電容器故障；芯子單元是由鋁箔和絕緣材料（如聚丙烯薄膜等）疊加在一起纏繞并壓制成扁平狀，電容器芯子由芯子單元通過電路的串聯和并聯組成，然后經過真空處理，裝入箱殼后充入絕緣浸漬劑密封；部分質量塊通過焊接工藝固定在殼體的頂部與底部，其他質量塊分布在芯子串段之間。

圖1 加載質量塊的電容器結構圖

1.2 電容器芯子振動機理分析

當電容器加載有交變電流時，相鄰的鋁箔之間組成了交變的電場。因為芯子元件是扁平狀的，兩側卷繞圓弧部分相對于平行極板面積較小，故其面積可以忽略不計，可將電容器極板等效為平行板電容器模型進行分析，如圖2所示，u（t）為在電容器芯子極板上作用的電壓，A為等效極板面積。如圖3所示，由于芯子元件中間的所有鋁箔兩側均受到大小相等方向相反的電場力，處于受力平衡狀態，所以只有處于元件最外端的鋁箔是單向受力的，因此，電容器振動有明顯的指向性，并且通過大量噪聲測試發現電容器頂部和底部為主要噪聲源。

圖2 電容器等效電路圖

圖3 芯子極板所受電場力分析圖

其中，A為等效極板的面積，ε為極板的電容率，x為兩極板間的距離，u（t）為極板間的電壓。

一般基波電壓與一種或多種高次諧波電壓同時加載形成電容器中的電壓。因此，當某n次諧波電壓與基波電壓疊加時，芯子極板上的總電壓表達式為：

假設初相位為零，聯立（1）-（2）式：

兩個極板之間的電場力 F（t）為[8]：

試驗電流工況參數為：基波頻率電流I1=50 A，諧波頻率電流I5=12 A，I11=5 A，I13=16 A，根據式（3）在MATLAB中進行仿真計算，實驗電流工況電場力的時域曲線如圖4所示。

圖4 試驗工況下的電場力時域圖

2 加載質量塊的電容器芯子有限元仿真及設計方案分析

2.1 芯子減振理論分析

電容器芯子振動主要由于加載在芯子上的電流激勵頻率與芯子的某階固有頻率相等，產生共振引起的，因此，芯子的相關減振方案可以利用反共振的發生原理進行設計。反共振指當機械系統所受到的激振力的頻率為某一值時，會出現一個振動靜止的狀態。每個反共振峰出現在相鄰的共振峰之間，并且在反共振峰處振動振幅最小。

當不考慮阻尼對機械系統的影響時，任意一個MDOF系統的位移導納矩陣表達式為[9]：

其中，Δ 為阻抗矩陣[k]- ω2[m]的行列式，[Δij]為阻抗矩陣的代數余子式。

當僅在多自由度系統中第j節點處施加簡諧力f=Fejwt，則在系統中第i點產生的位移振幅可表示為：

由以上分析可知，當激勵頻率ω滿足：Δ=[k]-ω2[m] =0時，系統會出現共振現象。Δij=0時，系統將在坐標i點產生反共振。具體方程如下：

通過式（6）和式（7）可以求得n個共振頻率和m個反共振頻率且m＜n，只要激勵頻率ω與共振及反共振中任意一個頻率重合，共振或反共振現象都會發生。工程上大部分應用的減振措施就是依據反共振發生原理，在原來振動系統上設計一個附加的系統來抑制原系統的振動。利用反共振原理降低電容器的方法有多種，比如在殼體上安裝加強筋板，改變電容器殼體的質量，等方案，但考慮到經濟性及工程上是否易實現等問題，在芯子串段間合理設置質量塊的方法，對于降低電容器的振動比較合適。

2.2 加載質量塊的電容器芯子振動有限元模型

加載質量塊的電容器的振動有限元模型主要由芯子串段、殼體、吊耳及質量塊組成，芯子串段等效為尺寸大小相同的長方體結構，各組件的材料屬性如表1所示。根據電力電容器實際接觸分析可知，電容器芯子和等效虛擬介質及質量塊之間的接觸方式均為法向無滲透、切向無滑動接觸，芯子與殼體之間的接觸方式為共節點接觸。電力電容器通過吊耳與電容器塔架相連。為了模擬電力電容器實際工作狀態，故在吊耳處施加固定約束。分別在殼體的頂部和底部施加電場力，電場力的大小如圖4所示。電容器的內部為大阻尼系統[10]，因此阻尼比ζ取1.1。建立在芯子串段頂部和底部加載質量塊的電容器芯子振動有限元模型如圖5所示。

表1 加載質量塊的電容器材料屬性

圖5 加載質量塊的電容器芯子振動仿真模型

圖6 為通過ANSYS中的瞬態動力學仿真得到的電容器芯子底部加速度云圖。由仿真結果可知，未加質量塊時芯子底部最大加速度為1.1 m/s2，在殼體頂部和底部分別加入5 kg質量塊后，芯子底部的最大加速度值為0.79 m/s2，雖然振動有所減小，但是提高減振降噪效果，需要合理布置質量塊的質量和位置。

圖6 電容器芯子底部加速度有限元仿真云圖

2.3 質量塊結構參數設計分析

在電容器芯子振動仿真模型的基礎上，提出在芯子串段間合理設置質量塊的方法，通過改變質量塊的質量和在位置，在ANSYS中仿真電容器芯子底部的振動。如圖7所示，質量塊分別安置在芯子串段間1、2、3、4位置處，通過合理改變質量塊的質量和位置，來降低電容器芯子本身的振動，從而減少芯子振動向外殼的傳遞，進而降低電容器外殼的輻射噪聲。

圖7 芯子串段間質量塊的位置分布

2.3.1 設計目標

選取電力電容器芯子底部振動加速度的最小值作為設計目標。

2.3.2 設計變量

針對質量塊的質量（0～10 kg）及在芯子串段間的位置（在1，2，4和2，3位置處加質量塊）作為設計變量進行振動仿真。

2.3.3 設計結果

基于電容器芯子振動仿真模型，根據分析設計的方案，在芯子串段之間的不同位置加載不同質量的質量塊，仿真獲得電容器芯子底部不同節點處的振動加速度。

如圖8和圖9所示，為在芯子串段不同位置處加載不同質量的質量塊后，電容器芯子底部不同節點的加速度峰峰值仿真曲線圖。由圖8可知，隨著質量塊質量的增加，底部加速度幅值也隨之增加，因此在串段2，3位置處加載質量塊的方式并不能降低電容器的振動。由圖9可知，隨著質量塊質量的增加，加速度幅值隨之下降，尤其在加載5 kg的質量塊時，加速度幅值下降比較明顯，且中間8號節點的振動加速度幅值從1.1 m/s2降低到0.5 m/s2，因此在串段1，2，4位置處加載質量塊的方式可以降低電容器的振動，如果質量塊的質量繼續增加時，加速度幅值下降趨勢變緩，同時也會增加降噪成本。

圖8 2，3位置加質量塊電容器芯子底部加速度

圖9 1，2，4位置加質量塊電容器芯子底部加速度

3 加載質量塊的電容器噪聲實驗對比

在消聲室中，利用PSV-400激光測振儀和DASP東方所16信號通道振動噪聲測試系統，分別對常規電容器和在芯子串段間2，3（命名為“樣品1電容器”）、1，2，4 位置（命名為“樣品 2 電容器”）加載 5 kg的質量塊的電容器進行振動噪聲實驗測試。圖10為在消聲室內電容器振動噪聲測試圖。

圖10 電容器振動和噪聲測試現場圖

如圖11和圖12所示，為常規電容器和樣品1電容器、樣品2電容器各節點振動加速度對比圖。可以看出，在芯子串段2，3位置處加質量塊后，電容器底部各節點振動加速度明顯變大，并沒有減振效果；而在芯子串段1，2，4位置處加質量塊后，電容器底部各節點振動加速度明顯降低，其中中間9節點的振動從1.2 m/s2降低到了0.68 m/s2。

圖11 樣品1和常規電容器底面加速度對比

通過噪聲測試，常規電容器、樣品1電容器、樣品2電容器底部的噪聲分別為50.8 dB、55.2 dB、47.9 dB。相比于常規電容器，樣品1電容器底部的噪聲增加了4.4 dB，樣品2電容器底部的噪聲減少了2.9 dB。所以，質量塊在芯子串段間1，2，4位置時，具有一定的減振降噪效果。

4 結束語

（1）本文分析了加載質量塊的電容器芯子振動機理與減振機理，解釋了在芯子串段間加載質量塊作為減振措施的原因。

（2）建立了加載質量塊的電容器芯子振動有限元模型，通過改變質量塊的質量和位置，對電容器芯子修改前后的底部加速度進行仿真對比，仿真結果顯示：合理加載質量塊的電容器芯子底部加速度相比于未加載質量塊時有明顯降低。

（3）對實際加載質量塊的電容器進行振動噪聲測試，結果表明，修改后的電容器底部振動加速度最大值從1.2 m/s2降低到0.68 m/s2，且輻射噪聲降低了2.9 dB。根據試驗測試對比結果，驗證了在芯子串段間合理加載質量塊可以有效地降低電容器的振動噪聲。