干式空心濾波電抗器降噪技術研究與實施

陳 棟，王麗君，劉 飛，金文德，陳曉剛，趙建輝，許甫茹，謝亞男

(1. 西安中揚電氣股份有限公司，陜西西安 710075；2. 國網浙江省電力有限公司，浙江杭州 310007)

0 引 言

我國的特高壓輸電工程項目，對協調我國資源分布與經濟發展的不平衡性、節約輸電走廊、降低網損、提高輸電能力具有重要意義，由此帶動我國電工裝備在電壓等級、輸送容量、輸電經濟性等方面都達到了國際領先水平[1]。但特高壓輸電工程中的換流站會產生大量的諧波電流，當諧波電流流經濾波系統時，會在電抗器等設備上產生大量噪聲，對環境產生巨大的影響，有些甚至影響到換流站周圍居民的正常生活[2-6]。

本文從干式空心電抗器噪聲振動產生的機理著手，結合±500 kV寶安換流站交流濾波場12/24通道的“L2”交流干式空心濾波電抗器噪聲超標項目，進行了干式空心電抗器的低噪聲化研究，從本體降噪及輔助降噪相結合的方式提出多個降噪方案，并對各方案進行逐一試制和試驗比對，匯總實施效果，提出了一種能夠有效降低電抗器噪聲水平的降噪裝置，解決了工程問題。

1 干式空心電抗器噪聲原理及特點

1.1 干式空心電抗器噪聲原理

干式空心電抗器線圈由一個或多個包封層組成，采用電工鋁導線繞制，環氧樹脂浸漬玻璃絲包繞形成包封，包封間有絕緣撐條，每個包封的引出線匯集于兩端的鋁制星形架上，作為電抗器電流的輸入和輸出端，繞制完成經高溫固化成型為圓筒式結構。

電抗器噪聲的產生原因：當交流電流通過繞組時，會在繞組內部及外部產生交變磁場，磁場反過來作用于載流的線圈繞組，對繞組產生磁場力[7]，因交變電流隨時間變化，磁場的大小和方向隨之變化，因此繞組受到的磁場力發生變化引起繞組振動，振動產生的位移通過繞組之間的撐條傳遞，形成振動模態，從而產生噪聲[8-11]。

對于干式空心電抗器，各個繞組及各線匝所受的磁場力不同，但各點受力大小F與該點的電流I及該處的磁感應強度B的乘積成正比，與電流的平方成正比，其關系為[3]

利用半角公式展開磁場力與電流的時域函數，可得到頻率為f的單頻正弦電流所形成的磁場力F為[7]

其中：kh為系數，由幾何尺寸及導磁系數確定，與電流I的大小、頻率無關；A(I)為電流幅值的函數。

式(2)表明，頻率為f的單一電流I產生一個相當于預先施加的靜態磁場力和一個主振頻為2f的磁場力Fv。

任意兩個電流i1、i2流過電抗器則形成其他頻率的磁場力。經過公式換算，可產生頻率為2f1、2f2、(f1+f2)、(f2-f1)的磁場力[12]。

繞組振動的振幅又與速度及電磁力大小成正比，繞組噪聲的聲功率W與振動速度v的平方及電磁力F的平方成正比，與負載電流I的四次方成正比，其關系為[3]

其中：ω為聲的角頻率(s-1)；x為振動幅值(m)。

1.2 干式空心交流濾波電抗器噪聲特點

換流站中交流濾波場電抗器擔負著濾除各次諧波的任務，因此電抗器中流過的電流除基波電流外，還有其他的交流諧波分量。由式(2)可以得出，換流站內干式空心濾波電抗器產品上流過的各次交流諧波電流相互作用會產生出更多頻率、更高幅值的磁場力，因此其噪聲水平經常很高。

文中涉及的貴州至廣東±500 kV寶安換流站項目，其濾波通道“L1”電抗器和“L2”電抗器，通流電流較大的諧波頻率就有1、5、9、11、13、23等頻次，特別是11、13次頻率的電流，造成該通道原安裝電抗器聲功率級(文中的聲功率級皆為A計權聲功率級)測試結果約105 dB(A)，換流站周圍可聽噪聲較大，站址附近居民受噪聲影響大，投訴較多，導致貴州至廣東第二回直流工程無法通過環保驗收。

2 交流濾波電抗器降噪技術研究

通過對寶安換流站交流場濾波電抗器諧波電流頻譜的分析，研發生產了低噪聲交流濾波電抗器，再經過多項降噪方案的綜合應用，最終滿足聲功率級不大于85 dB的要求。

2.1 方案一：導線結構形式及工藝措施的改進

首先從產品生產工藝上，一方面采用高強度的改性環氧固化體系，提高固化物的強度和韌性，另外，對固化包封進行應力設計，在繞制過程中增加綁扎，提高環氧復合材料的密實度和機械強度等，從而提高電抗器結構強度和整體性。

對同一型號交流濾波器電抗器，分別采用不同結構形式的鋁導線進行設計和制作，驗證導線結構形式對產品噪聲振動的影響。

2.2 方案二：改變產品高度

選用方案一中經試驗驗證性能較好的產品工藝及導線結構形式，對同一型號的交流濾波器電抗器，分別采用了不同的高度設計，擬通過改變產品結構來改變固有自振頻率，避開外界的強迫振動頻率，驗證結構改變對噪聲大小的影響。

2.3 方案三：改變隔聲罩的安裝布置方式

通過改變產品高度，改變了產品的固有自振頻率，在此基礎上對產品結構進一步優化，調整隔聲罩的安裝布置方式，將罩體與線圈本體脫離，降低罩體與線圈接觸的振動傳遞，避免聲波產生耦合共振降低隔聲效應。隔聲罩體采用圓形筒狀，內壁與線圈外表面的設計距離大于100 mm，以便罩體更好地發揮隔聲功效。

2.4 方案四：外部隔聲裝置的改進

按照交流濾波器電抗器的空氣聲傳播途徑，采用“穿衣戴帽、衣帽連體”的外部隔聲罩結構設計，在方案三獨立隔聲罩上加設帽體，帽體和隔聲罩之間直接無縫相連，以降低該部分噪聲對環境的輻射強度。

鑒于該交流濾波電抗器運行環境比較苛刻，空氣濕度較大，有一定的鹽霧等級，電場強度較高，隔聲罩內部的線圈上下電位差較大，故隔聲罩內表面未粘貼吸聲材料，以免因為吸附潮氣污穢，降低線圈的外絕緣性能，影響設備的安全運行。

2.5 方案五：消聲裝置設計

電抗器線圈外加裝了外部隔聲裝置后，冷空氣從隔聲罩下部進入，從上部通風口流出，解決了線圈的散熱問題，但是進出風口也成為噪聲的輻射口。為了減少噪聲通過散熱通道的向外發散，在方案四帽體上部通風口和隔聲罩下部通風口處分別加裝消聲筒，進一步進行消聲處理。其部件具體結構如圖1所示，整體安裝結構如圖2所示。消聲筒的消聲性能主要與其直徑、長度以及吸聲材料的性能有關[13-16]。消聲筒消聲量可按式(4)進行計算[17]：

其中：φ(a0)為材料吸聲系數，a0為正入射吸聲系數；P為消聲筒通道截面周長(m)；S為消聲筒通道截面面積(m2)；L為消聲筒的有效長度(m)。

吸聲材料選擇吸聲系數大、絕緣強度高、耐熱性能好、使用壽命長、耐老化性好的多孔材料。經過設計，隔聲罩上方的消聲筒、隔聲罩下部的消聲筒如圖1(b)所示。

圖1 消聲裝置部件示意圖Fig.1 Component diagram of silencing device

對以上五種降噪方案進行綜合應用，研發生產了低噪聲交流濾波電抗器，將電抗器與隔聲消聲裝置進行整體安裝，效果如圖2所示。低噪聲的電抗器設計制造完成后，在廠內進行了組裝及試驗，廠內試驗現場如圖3所示。

圖2 隔聲消聲裝置整體安裝效果圖Fig.2 Overall installation of sound insulation and silencing device

圖3 在廠內進行的低噪聲電抗器試驗現場Fig.3 Test site of low noise reactor in factory

3 試驗驗證

3.1 噪聲試驗

以上各方案試制完成后通過噪聲測試驗證各方案的降噪效果。試驗時電抗器底部距地面高度為0.8 m，聲級計離電抗器表面3 m處，對電抗器線圈高度的H/3和2H/3位置上沿圓周方向進行多點測量，這種測量方法符合GB/T 1094.10—2003電力變壓器第10部分：聲級測定的標準要求[18]。

對電抗器逐次施加單一頻率的諧波電流，記錄各測點聲壓級水平，并按照GB/T 1094.10—2003標準要求、計算方法等對產品的噪聲水平進行計算和修正，計算出各測點噪聲平均A計權聲壓級，進而計算得A計權聲功率級。各方案實施后的噪聲測試結果匯總整理如表1所示。產品的噪聲測試結果對比如圖4所示。

圖4 噪聲測試結果對比圖Fig.4 Comparison of noise test results

表1 電抗器不同降噪方案的噪聲測試數據Table 1 Noise test data of different reactor noise reduction solutions

需要說明的是，各次測量時間雖然不同，但本著以下原則予以施加負載：保證同一頻率下相同幅值電流。除第二方案僅施加了11次諧波(550 Hz)電流外，其余都分別施加了1、11、13、23次諧波電流進行試驗，基本保證測試結果在同一條件背景噪聲39.4 dB(聲壓級)下進行對比。

根據噪聲試驗結果分析可得：

(1) 經過試制對比，工藝措施的改進和導線形式的不同，可以從一定程度上改善振動和噪聲的幅值，但是幅度有限，不能完全解決振動和噪聲問題。

(2) 方案二測試結果表明：產品結構的改變，調整了電抗器的固有自振頻率，在背景噪聲增大的情況下，聲功率級仍有所減小。

(3) 方案三測試結果：較之與線圈一體的隔聲罩連接方式，調整后的電抗器噪聲減小了3 dB(A)。因此驗證了線圈作為噪聲源，當外加隔聲罩時，在罩內的駐波諧振和罩殼的諧振頻率下，或在設備與隔聲罩通過空氣介質耦合而發生共振等情況時，隔聲罩不僅起不到隔聲的作用，甚至會變成噪聲源的“放大器”，所以需要隔聲罩罩體脫離線圈并保持與其表面有一定距離。

(4) 方案四測試結果：降噪效果約為5～8 dB(A)。這表明“穿衣戴帽”式隔聲裝置設計，能夠在全方位阻隔噪聲的發散。

(5) 方案五測試結果表明：采用隔聲裝置的電抗器在增加了消聲裝置后，其11、13次諧波噪聲的降噪效果又有明顯提升，11次噪聲從89 dB(A)降至71 dB(A)，13次噪聲從87降至69 dB(A)，總聲功率從93 dB(A)降至75 dB(A)，總體降噪約18 dB(A)。

3.2 溫升試驗

為了檢驗該濾波電抗器采取最終方案后，其溫度場能否滿足技術要求，廠內對產品安裝整體隔聲、消聲裝置后，進行了溫升試驗。試驗結果：繞組最高溫度78.5℃，環境溫度25℃，滿足溫升要求，說明該隔聲裝置的設計滿足電抗器通風散熱的需求。

電抗器是換流站的重要設備之一，為了進一步驗證加裝隔聲裝置的電抗器能否滿足溫度場要求，在極端溫度下對電抗器的溫度進行了實地測試。寶安換流站屬于濕熱型環境條件，夏季極端最高平均溫度為36 ℃，冬季極端最低平均溫度為1 ℃，現場運行環境空氣相對濕度100%；現場實地測試是在夏季極端天氣下進行，測試產品運行的最高溫度為78℃，產品運行溫度滿足要求值；寶安站自2018年10月投入運行至今，產品運行穩定。

3.3 現場驗收試驗

通過試制研究及對上述方案進行匯總后，對±500 kV寶安換流站噪聲治理工程二期雙調諧濾波電抗器進行了技術改造，項目完成后在現場進行了噪聲實地測試，現場情況如圖5所示。改造前后噪聲測試結果對比如表2所示。

圖5 ±500 kV寶安換流站濾波電抗器現場Fig.5 Filter reactors in±500 kV Bao’an converter station

表2 交流濾波電抗器現場噪聲測試結果對比Table 2 Comparison of noise test results of AC filter reactor

測試結果表明：通過生產工藝改進、采用合理的隔聲罩布置方式、改變線圈固有的自振頻率、加裝隔聲、消聲裝置等降噪方案制作的低噪聲濾波電抗器，現場噪聲測試聲功率治理前為105 dB(A)，治理后為84 dB(A)，背景噪聲60 dB(A)(聲壓級)，噪聲降低了約21 dB(A)；廠內試驗室測量結果與現場實地測試結果因測試環境、比對基數不同，結果略有差異。總的來說，低噪聲濾波電抗器降噪效果明顯，完成目標任務。

4 結 論

本文通過對噪聲產生原理的分析，掌握干式空心電抗器振動的產生、傳遞規律，以解決±500 kV寶安換流站噪聲治理工程二期電抗器的噪聲問題為目的，從本體降噪和輔助降噪兩方面，提出多種降噪方案并予以實施驗證，最終完成一種低噪聲干式空心濾波電抗器結構。

通過改進工藝、提高制造質量、控制振動的產生和耦合，結合調整電抗器結構尺寸、重量與自振頻率的關系消除共振的產生等本體降噪措施達到一定的降噪效果。

通過開發隔聲消聲構件、裝置和材料等輔助降噪措施，形成低噪聲干式空心濾波電抗器結構設計方案，系統性地應用在產品中，達到現場降噪21 dB(A)的明顯效果。

研制過程進行的多種方式的嘗試，對電抗器噪聲控制研究積累了一定的數據和經驗，對今后研究工作的改進和深入以及具體工程的應用推廣都具有積極意義。