高壓直流換流站內(nèi)濾波電容器可聽噪聲特性研究

丁國(guó)君,劉 陽(yáng),關(guān)弘路,姚 偉,王 棟,郭 磊

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司,河南 鄭州 450000;2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院,河南 鄭州 450000)

0 引言

高壓直流輸電由于輸送距離長(zhǎng)、容量大、可實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)異步互聯(lián)等優(yōu)勢(shì),在新一代電力系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)中發(fā)揮了舉足輕重的作用[1-2]。但自2015年1月環(huán)保法實(shí)施以來,換流站開始按照?qǐng)鼋缭肼暭?jí)來衡量是否達(dá)到環(huán)保法規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。這給變電站和換流站的環(huán)境友好型發(fā)展帶來了巨大壓力。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(簡(jiǎn)稱“CIGRE”)和國(guó)際電工委員會(huì)(International Elertrotechnical Commission,IEC)關(guān)于換流站內(nèi)濾波電容器噪聲的研究報(bào)告中指明,濾波電容器的噪聲聲功率級(jí)甚至能夠達(dá)到105 dB(A計(jì)權(quán)可聽噪聲)[3-4]。現(xiàn)有的輔助降噪方式主要有隔聲罩和聲屏障兩類。隔聲罩方式存在影響散熱和電容器可靠性等問題。聲屏障存在需施工、成本高及聲繞射超標(biāo)等問題。因此,降低濾波電容器噪聲已經(jīng)成為換流變電站的首要難題[5]。

目前的研究認(rèn)為,濾波電容器的振動(dòng)機(jī)理可歸納為以下4個(gè)方面[6]:在交變電壓激勵(lì)下,濾波電容器的極板上會(huì)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)力;極板上的電場(chǎng)力作為濾波電容器的振動(dòng)源,激勵(lì)電容器內(nèi)部芯子產(chǎn)生振動(dòng);內(nèi)部芯子的振動(dòng)通過結(jié)構(gòu)傳遞到電容器外殼;外殼振動(dòng)會(huì)引起周圍空氣波動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生噪聲傳播。McDuff將電容器極板之間的電場(chǎng)力作為其振動(dòng)的激勵(lì)源[7]。Cox得出電容器的振動(dòng)和噪聲頻率與極板間的靜電力頻率一致的結(jié)論[8]。CIGRE報(bào)告中指出:電容器單元內(nèi)部每個(gè)極板同時(shí)受到大小相等、方向相反的電場(chǎng)力作用,導(dǎo)致極板處于動(dòng)態(tài)的受力平衡狀態(tài),最終只剩下最外層和最內(nèi)層2個(gè)極板受不平衡的電場(chǎng)力作用。濾波電容器的振動(dòng)研究普遍將極板上的電場(chǎng)力作為振動(dòng)的激勵(lì)源[9]。李金宇研究了濾波電容器振動(dòng)與噪聲多倍頻現(xiàn)象及其產(chǎn)生機(jī)理。研究結(jié)果表明,引起電容器出現(xiàn)多倍頻現(xiàn)象的原因是電場(chǎng)力與極板振動(dòng)間存在耦合作用[10]。文獻(xiàn)[11]詳細(xì)分析了濾波電容器芯子溫度對(duì)可聽噪聲特性的影響機(jī)理,證明了溫度對(duì)高頻噪聲的影響作用大于對(duì)低頻噪聲的影響作用。文獻(xiàn)[12]分析了諧波電流相位對(duì)濾波電容器噪聲的影響。

目前的研究集中在電容器的減振降噪方面,而關(guān)于電容器的內(nèi)部振動(dòng)機(jī)理和多工況條件下的噪聲特性研究較少。因此,本文分析了濾波電容器噪聲產(chǎn)生的原因,通過結(jié)合運(yùn)行工況、結(jié)構(gòu)參數(shù)及電壓激勵(lì)條件,掌握不同激勵(lì)疊加工況下濾波電容器的噪聲特性,為濾波電容器減振降噪提供了數(shù)據(jù)參考。本文能為濾波電容器的低噪聲化設(shè)計(jì)提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 濾波電容器噪聲產(chǎn)生機(jī)理

通過引言部分的分析可知,濾波電容器所產(chǎn)生的可聽噪聲非常嚴(yán)重。為了研究濾波電容器的可聽噪聲特性,需掌握濾波電容器的本體結(jié)構(gòu)及其噪聲產(chǎn)生機(jī)理。濾波電容器主要由多個(gè)電容器元件串并聯(lián)形成的芯子串段組成,再通過浸漬絕緣油形成完整的電容器。其中,單個(gè)電容器元件由2層鋁箔和6層聚丙烯薄膜卷繞而成。電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)濾波電容器加載激勵(lì)時(shí),其內(nèi)部的每層極板都受到上下2個(gè)方向的靜電力作用。不同方向的靜電力大小相同,因此電容器元件內(nèi)部的極板處于平衡狀態(tài)。而電容器最上層和最下層極板只受1個(gè)方向的力的作用,因此處于不平衡狀態(tài)。電容器元件受力如圖2所示。

圖2 電容器元件受力圖

由圖2可知,電容器元件的頂部和底部對(duì)其振動(dòng)的影響最大,是引起整個(gè)芯子振動(dòng)的主要原因。電容器芯子元件的振動(dòng)通過不斷傳遞,引起電容器整體在縱向上的振動(dòng),即電容器的外殼振動(dòng)主要集中在底部和頂部,而側(cè)面的振動(dòng)相對(duì)較小。電容器上下底面的振動(dòng)引起附近空氣產(chǎn)生波動(dòng),進(jìn)而將噪聲傳播出去。

電容器介質(zhì)的電極間受到電場(chǎng)力的作用,從而使電容器內(nèi)部的元件產(chǎn)生振動(dòng)。這種元件振動(dòng)通過襯墊包封件、浸漬劑傳給外殼而使箱壁振動(dòng),形成噪聲后向空氣中傳播。電容器介質(zhì)極板間電場(chǎng)力如圖3所示。

圖3 電容器介質(zhì)極板間電場(chǎng)力

濾波電容器極板之間所受的作用力F(N/m2)與電壓的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式中:A為電容器元件極板面積;ε為電容器內(nèi)部介質(zhì)介電常數(shù);u為極板間電壓;d為極板間介質(zhì)厚度;E為電容器極板間電場(chǎng)強(qiáng)度。

換流站實(shí)際運(yùn)行電容器會(huì)受到基波電壓和諧波電壓的同時(shí)作用。如忽略基波和不同諧波相位差影響,則外施電壓可表示為:

u=U1sinωt+Uh1sin(h1+ωt)+Uh2sin(h2ωt)

(2)

式中:ω為激勵(lì)的角頻率,rad/s;U1為濾波電容器被施加的基波電壓幅值,kV;Uh1為濾波電容器上h1次諧波的幅值,kV;Uh2為濾波電容器上h2次諧波的幅值,kV。

結(jié)合式(1)和式(2)可知,外施電壓在電容器極板上會(huì)產(chǎn)生不均衡的力。

U1Uh1cos[(h1+1)ωt]+U1Uh2cos[(h2-1)ωt]+

U1Uh2cos[(h2+1)ωt]+Uh1Uh2×

cos[(h2-h1)ωt]+Uh1Uh2cos[(h2+h1)ωt]}

(3)

式中:k為常數(shù)。

由式(3)可知,基波電壓和諧波電壓越大、次數(shù)越多,產(chǎn)生的振動(dòng)力也越大。由于基波電壓遠(yuǎn)大于諧波電壓,對(duì)于雙調(diào)諧的交流濾波電容器而言,當(dāng)特征諧波為h1、h2次時(shí),在激勵(lì)頻率為100、50(h1-1)、50(h1+1)、50(h2-1)、50(h2+1)時(shí),濾波電容器產(chǎn)生的噪聲會(huì)比較突出。但是,h1和h2如果是低次諧波(諧波次數(shù)為7次以下),即頻率在350 Hz以下,其噪聲比中頻(即頻率在350～1 200 Hz之間)諧波噪聲要低。這主要和人耳對(duì)頻率的敏感程度有關(guān)。實(shí)際濾波電容器的11次和13次諧波含量較多,導(dǎo)致中頻諧波噪聲占比很大。但11次和13次諧波含量對(duì)濾波電容器的可聽噪聲影響程度需通過試驗(yàn)測(cè)量,以進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 電容器單元振動(dòng)及噪聲測(cè)試

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

為了研究基波、11次和13次諧波含量對(duì)濾波電容器的可聽噪聲影響程度,本試驗(yàn)于某電容器公司的噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)室有半消聲實(shí)驗(yàn)室、噪聲多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)、多諧波激勵(lì)電源和控制器等單元。濾波電容器噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部空間尺寸為5×4×4 m3,總占地面積大約為60 m2。

實(shí)驗(yàn)室中有諧波發(fā)生電源(容量為540 kVA)、中頻變壓器(容量為540 kVA)、工頻補(bǔ)償電抗器(容量為5 600 kVA)和工頻調(diào)壓器(容量為250 kVA)。用于測(cè)量濾波電容器噪聲的主要設(shè)備有噪聲信號(hào)分析儀、電容式聲傳感器、前置放大器、聲學(xué)校準(zhǔn)器。實(shí)驗(yàn)室中的電源可以對(duì)濾波電容器樣機(jī)施加工頻和任意諧波疊加的激勵(lì),并模擬濾波電容器的實(shí)際運(yùn)行工況,從而對(duì)其表面振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)試。

本試驗(yàn)以AAM6.30-470-1W型電容器單元為試驗(yàn)對(duì)象,在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量其不同工況下的噪聲特性,為開展電容器單元本體的噪聲控制工作積累重要數(shù)據(jù)。這是進(jìn)行濾波電容器降噪的前提。本試驗(yàn)嚴(yán)格按照《聲學(xué)聲壓法測(cè)定電力電容器單元的聲功率級(jí)和指向特性 第1部分 半消聲室精密法》(GB/T 32524.1—2016)和《電力電容器噪聲測(cè)量方法》(GB/T 28543—2012),對(duì)濾波電容器單元周圍的噪聲測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了布置。布置的17個(gè)點(diǎn)標(biāo)注為數(shù)字1～17。電容器單元的噪聲布點(diǎn)如圖4所示。

圖4 電容器單元的噪聲布點(diǎn)示意圖

濾波電容器的端部采用絕緣子柱進(jìn)行支撐,高度為600 mm,能夠耐受的電壓水平為工頻過電壓140 kV、雷電過電壓325 kV、操作過電壓250 kV。試驗(yàn)中所用的設(shè)備如下:聲傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析軟件、筆記本電腦、支撐聲傳感器的三腳架、抗電磁干擾的數(shù)據(jù)采集線、膠帶、米尺等。聲傳感器與濾波電容器表面的垂直距離設(shè)置為1 m。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

半消聲室的聲壓級(jí)為15 dB,滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)對(duì)AAM6.30-470-1W型電容器單元加載BP11-13基波工況。加載基波工況下的電容器單元噪聲頻譜特征如圖5所示。

圖5 加載基波工況下的電容器單元噪聲頻譜特征

通過圖5中的數(shù)據(jù)可以看出,電容器單元的噪聲峰值頻率以100 Hz為主,表現(xiàn)出以基波噪聲為特征的多峰值頻譜特征。

加載基波工況下的電容器單元各測(cè)點(diǎn)噪聲值如表1所示。

表1 加載基波工況下的電容器單元各測(cè)點(diǎn)噪聲值

在此加載工況下,電容器單元的總聲級(jí)為30.5 dB,整體噪聲較低;同時(shí),靠近電容器上下底面的噪聲值較高,顯示出明顯的指向性特征。

試驗(yàn)對(duì)AAM6.30-470-1W型電容器單元加載BP11-13基波+11次諧波工況。加載基波+11次諧波工況下的電容器噪聲頻譜特征如圖6所示。

圖6 加載基波+11次諧波工況下的電容器噪聲頻譜特征

由圖6可知,電容器單元的噪聲峰值頻率以100 Hz、500 Hz、600 Hz為主,表現(xiàn)出以基波和諧波噪聲為特征的多峰值頻譜特征。

加載基波+11次諧波工況下的電容器單元各測(cè)點(diǎn)噪聲值如表2所示。電容器單元總聲級(jí)為53.4 dB。在此加載工況下,電容器單元整體噪聲較高,顯示出明顯的指向性特征。

表2 加載基波+11次諧波工況下的電容器單元各測(cè)點(diǎn)噪聲值

試驗(yàn)對(duì)AAM6.30-470-1W型電容器單元加載BP11-13基波+13次諧波工況。加載基波+13次諧波工況下的噪聲頻譜特征如圖7所示。

圖7 加載基波+13次諧波工況下的噪聲頻譜特征

通過對(duì)此工況下的噪聲特征進(jìn)行分析可知,電容器單元的噪聲峰值頻率以600 Hz、700 Hz、1 300 Hz為主,表現(xiàn)出以基波和諧波噪聲為特征的多峰值頻譜特征。

加載基波+13次諧波工況下的電容器單元各測(cè)點(diǎn)噪聲值如表3所示。

表3 加載基波+13次諧波工況下的電容器單元各測(cè)點(diǎn)噪聲值

電容器單元總聲級(jí)為65.4 dB。在此加載工況下,電容器單元整體噪聲較高,各項(xiàng)噪聲水平同樣顯示出明顯的指向性特征。

3 結(jié)論

高壓直流換流站內(nèi)濾波電容器的噪聲問題十分嚴(yán)重。過量的振動(dòng)和噪聲會(huì)影響換流站內(nèi)電容器的壽命以及周邊環(huán)境,亟需掌握其聲振規(guī)律。目前,對(duì)于濾波電容器的噪聲產(chǎn)生機(jī)理和特性并不明確。本文通過研究AAM6.30-470-1W型電容器在不同工況下的可聽噪聲特性,得出的主要結(jié)論為:當(dāng)激勵(lì)只含有基波分量時(shí),噪聲最小,主要集中在100 Hz分量;當(dāng)激勵(lì)含有基波和13次諧波分量時(shí),濾波電容器的噪聲達(dá)到最大,噪聲的諧波分量也較多;濾波電容器的上下底面輻射噪聲很大,側(cè)面噪聲較小。因此,可在濾波電容器上下底面添加隔音棉等降噪措施。本文為濾波電容器的降噪手段提供思路。