換流站電容器裝置振動(dòng)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(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049 2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 南京 210036 3.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局 廣州 510663）

1 引言

相對(duì)于交流輸電系統(tǒng)，高壓直流輸電系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)，因此近些年來(lái)在我國(guó)發(fā)展迅猛。在高壓直流輸電系統(tǒng)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(jí)的提高、輸送功率的增大，直流換流站中裝設(shè)的濾波及并聯(lián)電容器的臺(tái)數(shù)隨之增加，并且單臺(tái)容量大、流過(guò)每臺(tái)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(lái)源之一。中國(guó)電力科學(xué)研究院及河南電力試驗(yàn)研究院都曾對(duì)直流換流站內(nèi)的可聽(tīng)噪聲水平進(jìn)行過(guò)測(cè)量，結(jié)果表明：電容器裝置附近的噪聲水平最大達(dá)到了89.7dB[2-4]。在CIGRE的報(bào)告[5]中也提及，直流換流站電容器塔的噪聲能夠達(dá)到105dB。因此濾波電容器裝置的可聽(tīng)噪聲污染已經(jīng)成為一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。

對(duì)電容器裝置產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行測(cè)量和分析，是研究電容器噪聲產(chǎn)生機(jī)理和抑制措施的基礎(chǔ)。美國(guó)的M.D.Cox 等人最早對(duì)電容器裝置的噪聲水平（A計(jì)權(quán)的聲壓級(jí)）進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明：當(dāng)流過(guò)每臺(tái)電容器的電流中含有大幅值的高次諧波成分時(shí)，電容器裝置的噪聲水平與變壓器的相當(dāng)[6]。ABB 公司技術(shù)中心的Jan Smede 等人提出了風(fēng)向、氣溫等環(huán)境條件會(huì)直接影響換流站站內(nèi)的可聽(tīng)噪聲水平的測(cè)量結(jié)果，為了比較有效地評(píng)估噪聲水平，應(yīng)在順風(fēng)向、風(fēng)速1～5m/s的條件下進(jìn)行測(cè)量[7]。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)直流換流站電容器裝置的噪聲水平進(jìn)行了大量測(cè)量與分析工作，考慮了直流系統(tǒng)的運(yùn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者只是關(guān)心電容器裝置周圍聲壓級(jí)的大小，并未對(duì)噪聲頻譜特征與流過(guò)電流的關(guān)系等進(jìn)行研究，因此無(wú)法為電容器裝置噪聲的抑制提供參考。另外，國(guó)內(nèi)外在測(cè)量電容器裝置噪聲水平時(shí)都是使用聲壓計(jì)，易受到其他設(shè)備噪聲的影響，對(duì)于有多個(gè)噪聲源的換流站更是如此。相比而言，直接測(cè)量電容器裝置表面的振動(dòng)信號(hào)能夠更直接地對(duì)產(chǎn)生噪聲污染的根源進(jìn)行分析，并且不會(huì)受到周圍設(shè)備、天氣條件等的影響，能夠間接地體現(xiàn)出電容器裝置噪聲的水平及特性。

本文通過(guò)建立激光振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和基于傳聲器的噪聲測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)換流站中正在運(yùn)行的電容器裝置的振動(dòng)及噪聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，研究諧波電流與單臺(tái)電容器振動(dòng)之間的關(guān)系，分析整個(gè)電容器塔架的振動(dòng)特性；同時(shí)根據(jù)測(cè)量得到的交流濾波場(chǎng)的噪聲水平，分析電容器裝置整體噪聲輻射的方向性。這對(duì)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(dòng)與噪聲的測(cè)量

2.1 振動(dòng)及噪聲測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1.1 測(cè)量對(duì)象

測(cè)量的電容器裝置位于南方電網(wǎng)某±500kV 換流站內(nèi)的220kV 交流濾波場(chǎng)，電容器是由諾基亞電容器有限公司生產(chǎn)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(chǎng)電容器裝置Fig.1 The capacitor installation in the 220kV filtering field

2.1.2 振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

考慮到測(cè)量人員的安全性，圖1 所示的圍欄之內(nèi)的電容器裝置區(qū)域并不允許靠近，也就是說(shuō)基于傳統(tǒng)壓電式振動(dòng)傳感器的測(cè)量系統(tǒng)不適用于換流站中的電容器裝置。為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的無(wú)接觸式“遙測(cè)”，本文建立了基于激光測(cè)振儀的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 激光測(cè)振系統(tǒng)Fig.2 Laser vibration measuring system

圖2 中，激光測(cè)振儀能在一定距離內(nèi)準(zhǔn)確地測(cè)量電容器裝置表面的振動(dòng)速度信號(hào)，且其發(fā)射的激光能量很弱，不會(huì)影響被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行。表1 是該激光測(cè)振儀在各測(cè)量范圍下的換算系數(shù)和測(cè)量精度。激光測(cè)振儀將測(cè)量得到的振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)電纜與最高采樣頻率為500kHz的數(shù)據(jù)采集卡相連，最后由USB 數(shù)據(jù)線輸入筆記本電腦進(jìn)行存儲(chǔ)。

表1 激光測(cè)振儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 The technical parameter of laser vibrometer

2.1.3 噪聲測(cè)量系統(tǒng)

換流站中對(duì)濾波場(chǎng)周圍噪聲測(cè)量的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 噪聲測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Noise measuring system for capacitor

圖3 中，交流濾波場(chǎng)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(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。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(yīng)范圍在10～20kHz 之間，并通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線連接到電腦，顯示和記錄噪聲時(shí)域波形。

2.1.4 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響

振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采用激光測(cè)振儀測(cè)量聲源表面的振動(dòng)速度信號(hào)。一般情況下，聲源表面受到環(huán)境中噪聲聲波的影響會(huì)感應(yīng)一部分能量而出現(xiàn)微弱的振動(dòng)信號(hào)，這將對(duì)聲源自身的振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生干擾；但相比空氣，電容器和塔架的密度大，單位體積內(nèi)的質(zhì)量較大，由空氣入射的聲波在振動(dòng)面上幾乎完全被反射，并且通過(guò)對(duì)附近未運(yùn)行電容器裝置的振動(dòng)測(cè)量，也說(shuō)明了環(huán)境噪聲不會(huì)對(duì)信號(hào)的測(cè)量結(jié)果造成影響。

對(duì)于噪聲信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，由于無(wú)法采取有效的措施屏蔽環(huán)境噪聲的影響，因此在滿足風(fēng)向和溫度等測(cè)量條件的情況下，選擇背景噪聲較小的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

2.2 振動(dòng)及噪聲信號(hào)測(cè)量過(guò)程

2.2.1 電容器裝置振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量

電容器裝置主要由電容器和金屬塔架組成，因此振動(dòng)信號(hào)主要來(lái)自這兩個(gè)部分。

對(duì)于裝置上的電容器，其型號(hào)相同，并以同一種方式固定在塔架上，這決定了每臺(tái)電容器具有相同的固有振動(dòng)特性；另外，裝置上的每?jī)膳_(tái)電容器并聯(lián)為一組，若干組串聯(lián)而成，這種連接方式?jīng)Q定了流過(guò)每一臺(tái)電容器的激勵(lì)電流及其兩端的電壓均相同，也就是說(shuō)，各個(gè)電容器受到的電應(yīng)力是相同的。由上述兩點(diǎn)可知，每臺(tái)電容器外殼具有相同的振動(dòng)特性，可以選取任意一臺(tái)電容器作為測(cè)量對(duì)象。測(cè)量振動(dòng)信號(hào)時(shí)，將激光測(cè)振儀固定在距離地面高度為1.5m的金屬支架上，在濾波場(chǎng)護(hù)欄外，與電容器裝置大約3.0m的距離進(jìn)行測(cè)量。由于物體表面對(duì)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(cè)振儀基本在同一高度，因此選取底層塔架上靠外側(cè)的電容器作為測(cè)量對(duì)象。電容器外殼測(cè)量點(diǎn)位置分布如圖4 所示。

圖4 電容器外殼振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)分布圖Fig.4 Vibration measuring point arrangement of capacitor shell

金屬塔架的振動(dòng)主要來(lái)自于其上固定的電容器。為了說(shuō)明每一層塔架振動(dòng)之間的差異，需要測(cè)量各層金屬塔架橫梁中點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。但隨著塔架高度的增加，激光測(cè)振儀的激光束與測(cè)量面之間產(chǎn)生一個(gè)仰角，并隨著高度的增加而增大，這在計(jì)算實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)需要修正，即仰角修正問(wèn)題。

2.2.2 交流濾波場(chǎng)噪聲信號(hào)的測(cè)量

交流濾波場(chǎng)周圍噪聲信號(hào)的測(cè)量是為了分析濾波場(chǎng)內(nèi)所有噪聲源在各方向輻射的噪聲情況。濾波場(chǎng)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(cè)量點(diǎn)分布圖。圖中實(shí)線表示各個(gè)噪聲源的軸對(duì)稱線，虛線表示相鄰噪聲源之間的中點(diǎn)線。

圖5 噪聲信號(hào)測(cè)量點(diǎn)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(chǎng)護(hù)欄大約0.5m，并按照?qǐng)D5 中所示間隔逐點(diǎn)測(cè)量噪聲信號(hào)。測(cè)量時(shí)需要注意風(fēng)速和風(fēng)向?qū)y(cè)量的影響，一般在風(fēng)速為1～5m/s的條件下進(jìn)行測(cè)量比較理想。現(xiàn)場(chǎng)利用熱敏風(fēng)速計(jì)，在 0～10m/s 范圍內(nèi)可以準(zhǔn)確地測(cè)量風(fēng)速，精度達(dá)到0.01m/s。對(duì)部分測(cè)量點(diǎn)處測(cè)得風(fēng)速值進(jìn)行平均，得到平均風(fēng)速大約為1.30m/s，此時(shí)測(cè)得的噪聲信號(hào)符合要求。

2.3 振動(dòng)信號(hào)的仰角修正

激光測(cè)振儀是利用激光多普勒效應(yīng)的原理來(lái)測(cè)量物體表面振動(dòng)的。對(duì)于垂直反射的激光信號(hào)，測(cè)振儀能夠準(zhǔn)確地采集并顯示振動(dòng)波形。但由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，需要對(duì)高度大于激光測(cè)振儀水平高度的塔架橫梁表面進(jìn)行較大仰角的測(cè)量，勢(shì)必影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此應(yīng)對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行仰角修正。圖6 是激光測(cè)振儀測(cè)量物體表面振動(dòng)速度的原理示意圖。圖6 中S為激光測(cè)振儀的光源及光波接收器，并保持相對(duì)靜止；P為物體表面振動(dòng)的初始位置，P′為振動(dòng)表面在下一時(shí)刻δt的位置，其法線方向的振動(dòng)速度為v。當(dāng)物體表面位于P處時(shí)，激光測(cè)振儀發(fā)射的激光束SP照射到P處產(chǎn)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(cè)振儀測(cè)量原理示意圖Fig.6 The measuring principle of laser vibrometer

經(jīng)過(guò)δt后，物體表面運(yùn)動(dòng)至P′處，此時(shí)的光程為

因此在δt時(shí)間內(nèi)，光波接收器中接收到的激光光程差為

由于振動(dòng)的位移PP′遠(yuǎn)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(shè)n是沿從光源到反射面，再回到接收器光路上的波數(shù)或周期數(shù)，則在無(wú)限小的時(shí)間間隔δt中，假設(shè)P移動(dòng)到P′的距離為vδt，v為反射面振動(dòng)速度。在光程中周期數(shù)將減少為[9]

式中，λ和λ″分別為散射前后的波長(zhǎng)，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(qū)分λ和λ″，這樣就可得到一級(jí)近似的多普勒頻移

根據(jù)激光多普勒效應(yīng)的原理得到ΔfD，并通過(guò)激光測(cè)振儀內(nèi)部運(yùn)算電路得到反射光方向的速度v1，結(jié)合θ角可以計(jì)算出物體法線方向振動(dòng)速度v。

仰角θ可以從圖6 中物體和激光測(cè)振儀的高度及兩者之間的距離來(lái)確定。

所以由以上推導(dǎo)可知實(shí)際振動(dòng)速度為

表2 所示是每一層電容器塔架的高度及測(cè)量距離。其中，H2是激光測(cè)振儀高度，L為激光測(cè)振儀與電容器塔架的水平距離，H1是測(cè)量點(diǎn)位置高度，Th1～Th1分別表示由下往上的第一層至第五層。據(jù)此，根據(jù)式（10）可以計(jì)算得到1～5 層測(cè)量點(diǎn)，在不同離地高度下的仰角θ的余弦值（見(jiàn)表2），后續(xù)的塔架振動(dòng)數(shù)據(jù)將據(jù)此進(jìn)行修正。

表2 塔架測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.2 The measuring data of capacitor frame

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 電容器振動(dòng)與電流頻率的關(guān)系

電容器是由多個(gè)電容單元串并聯(lián)組成的，每一個(gè)電容單元又是由兩塊鋁箔片和中間所夾的絕緣介質(zhì)繞制而成的，因此電容器可以看作是由無(wú)數(shù)個(gè)平板電容串并聯(lián)而成。當(dāng)電容器中流過(guò)交流電流時(shí)，在每一個(gè)電容單元兩端形成交變的電壓，該電壓在介質(zhì)中產(chǎn)生交變的電場(chǎng)，因此金屬鋁箔片在電場(chǎng)中受交變的靜電力作用而產(chǎn)生振動(dòng)，并最終傳遞到外殼。根據(jù)平行板電容器極板的受力分析可知，兩個(gè)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(dá)式為

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

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

式中，m為極板質(zhì)量；c為極板的粘性阻尼系數(shù)；k為極板的剛度，這些參數(shù)均是與極板的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。x(t)為極板相對(duì)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(dá)式，忽略極板的粘性阻尼系數(shù)和剛度，即得到

對(duì)于單頻率電壓信號(hào)u(t)=Unsin(ωt)，代入式（15），可得

從上式可見(jiàn)加速度信號(hào)的頻率為所加激勵(lì)信號(hào)頻率的兩倍，而當(dāng)激勵(lì)電壓含有較多諧波頻率時(shí)，如

對(duì)電壓進(jìn)行二次方展開(kāi)后，將得到更加復(fù)雜的頻率分量，主要包括2ωi和ωi±ωj。所以在測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，還需要了解激勵(lì)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(shù)據(jù)，而電容器兩端的電壓與流過(guò)的電流具有相同的頻率值，因此針對(duì)頻率分量?jī)烧呖梢酝ㄓ谩?/p>

該換流站使用12 脈動(dòng)換流電路實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換。對(duì)于雙調(diào)諧濾波電路，流過(guò)電容器裝置的電流除基波50Hz 以外，主要是來(lái)自直流側(cè)的12±1 次諧波，所以電容器上承擔(dān)的電壓的頻率分量主要為50Hz、550Hz 和650Hz。其電流時(shí)域和頻域波形如圖7 所示。

圖7 電流信號(hào)時(shí)域和頻域波形Fig.7 The current signal waveforms and spectrum

將流過(guò)電容器上的電流近似表示為

總量控制能夠促進(jìn)分級(jí)管理與各負(fù)其責(zé)。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(diǎn)源”與“面源”污染控制的屬地管理責(zé)任而不可推卸。

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

以底面測(cè)量點(diǎn)D1為例，對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到各個(gè)頻率分量，圖8 所示為底面振動(dòng)加速度的時(shí)域和頻域波形，圖8b 中所示振動(dòng)加速度信號(hào)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(dòng)加速度時(shí)域和頻域波形Fig.8 The vibration acceleration waveforms and spectrum

3.2 電容器振動(dòng)特性分析

由于電容器外殼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部振動(dòng)傳播途徑的不同，使電容器外殼各面振動(dòng)之間存在較大的差異。對(duì)于頂面，由于安裝有兩個(gè)絕緣子，其表面振動(dòng)受到限制，所以主要以寬側(cè)面、窄側(cè)面和底面為研究對(duì)象，來(lái)說(shuō)明各面振動(dòng)特性的區(qū)別。取點(diǎn)K1、Z1和D1的振動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，通過(guò)快速傅里葉變換算法，得到頻域下各面的振動(dòng)特性。從圖8 中可以看出，振動(dòng)信號(hào)的幅值主要集中在 100Hz、500Hz、600Hz 和700Hz 上，因此對(duì)同一頻率下，將不同測(cè)量面的振動(dòng)加速度幅值列于圖9。

圖9 不同頻率下各測(cè)量點(diǎn)振動(dòng)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(duì)于不同測(cè)量面的振動(dòng)幅值呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，即底面D1處的振動(dòng)最強(qiáng)，窄側(cè)面Z1最弱，這與各面的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)的激勵(lì)源有關(guān)。在電容器中，外殼的振動(dòng)是對(duì)內(nèi)部電容器單元極板振動(dòng)的響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)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(nèi)。當(dāng)電容器元件加載電壓時(shí)，因?yàn)椴恳粋?cè)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(tài)，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(dòng)主要集中在底部和頂部[10]，而且整個(gè)芯子元件在縱向方向上振動(dòng)，對(duì)平行于振動(dòng)面的底面具有最大的激勵(lì)作用。而對(duì)于寬側(cè)面和窄側(cè)面，雖然振動(dòng)相對(duì)較弱，但寬側(cè)面的振動(dòng)要稍微大于窄側(cè)面，其主要原因在于寬側(cè)面面積較大，其受到側(cè)面邊界的約束作用較小，具有較大的振動(dòng)自由度；另一方面，電容器通過(guò)窄側(cè)面固定在塔架上，這也在一定程度上限制了窄側(cè)面的振動(dòng)幅度。

3.3 塔架振動(dòng)特性分析

每一臺(tái)電容器通過(guò)螺栓和螺母固定在裝置塔架上，屬于剛性聯(lián)結(jié)，這使得電容器外殼的振動(dòng)可以輕松地通過(guò)連接件傳遞給塔架，對(duì)于塔架上的近百臺(tái)電容器，各自產(chǎn)生的振動(dòng)在塔架內(nèi)反復(fù)傳播，相互疊加，形成比較復(fù)雜的振動(dòng)形式。為了說(shuō)明每一層塔架的振動(dòng)情況，將激光測(cè)振儀測(cè)量得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)仰角修正，用振動(dòng)幅度的有效值來(lái)近似代表每一層塔架振動(dòng)的強(qiáng)度。圖10 是經(jīng)過(guò)計(jì)算修正后得到的各層振動(dòng)幅度有效值。

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

被測(cè)電容器裝置共有6 層，但最上面2 層的仰角過(guò)大導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差增大，因此只對(duì)底下4 層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖10 中可以清晰地看出，隨著裝置層數(shù)的增加，即塔架高度的增加，塔架的振動(dòng)逐漸增強(qiáng)。對(duì)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(shí)，裝置上所有電容器的振動(dòng)通過(guò)金屬塔架傳播，在固定端發(fā)生折反射，而相對(duì)于大地來(lái)說(shuō)，金屬的密度較大，具有較好的振動(dòng)傳播性能，因此振動(dòng)大部分被反射回塔架。根據(jù)塔架的振動(dòng)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(dòng)，主要表現(xiàn)為每一層具有相同的振動(dòng)幅度；另一部分為固定端向塔架反射的振動(dòng)，表現(xiàn)為以固定端為振源，向塔架自由端傳播振動(dòng)，并隨著與固定端的距離增大，即高度的增加，振動(dòng)強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)。這兩部分共同作用，從而在電容器塔架內(nèi)部形成比較復(fù)雜的振動(dòng)傳播規(guī)律，表現(xiàn)在振動(dòng)幅值上，就出現(xiàn)了隨著高度增加，振動(dòng)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

3.4 濾波場(chǎng)周邊噪聲分析

交流濾波場(chǎng)在運(yùn)行情況下，噪聲主要來(lái)自電容器裝置、電抗器和電阻箱，它們各自產(chǎn)生的噪聲在空間輻射過(guò)程中相互疊加，形成了不同于單輻射源的噪聲分布。各種設(shè)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(duì)外界輻射的噪聲水平也存在一定的影響。因此，對(duì)濾波場(chǎng)周圍噪聲水平的測(cè)量，可以得到各個(gè)方向上的噪聲輻射情況，這為濾波場(chǎng)整體噪聲的控制提供了參考。針對(duì)噪聲源的位置，將濾波場(chǎng)區(qū)域的周長(zhǎng)劃分為如圖5 所示的測(cè)量點(diǎn)。圖11 是其中一個(gè)測(cè)量點(diǎn)3 處得到的噪聲聲壓時(shí)域和頻域波形。從圖中可以看出，時(shí)域下波形發(fā)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(diǎn)主要分布在100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz 和1 300Hz，這些頻率點(diǎn)與電容器表面振動(dòng)頻率分量相同，如圖8b 所示。可見(jiàn)振動(dòng)與噪聲之間的聯(lián)系密不可分。

圖11 測(cè)量點(diǎn)3 處噪聲聲壓時(shí)域和頻域波形Fig.11 Noise pressure waveforms and spectrum in point 3

以上得到的僅是測(cè)量點(diǎn)的聲壓值，為了模擬人耳的聽(tīng)覺(jué)特性，一般都是用計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)中的不同頻率成分進(jìn)行衰減，得到計(jì)權(quán)聲級(jí)來(lái)表征，常用的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)有A 計(jì)權(quán)、B 計(jì)權(quán)和C 計(jì)權(quán)，其中A 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對(duì)40 方純音的響度，當(dāng)信號(hào)通過(guò)時(shí)，其低、中頻段（1 000Hz 以下）有較大的衰減。A 計(jì)權(quán)聲級(jí)能夠較好地反映人耳對(duì)噪聲的強(qiáng)度和頻率的主觀感覺(jué)，對(duì)于一個(gè)連續(xù)的穩(wěn)定噪聲，這是一種較好的評(píng)價(jià)方法。常用的A 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)在1/3 倍頻程下進(jìn)行修正，修正值見(jiàn)表3。

表3 1/3 頻程下A 計(jì)權(quán)值Tab.3 A-weighting value in 1/3 octave

在IEC61672 標(biāo)準(zhǔn)中還給出了頻率計(jì)權(quán)值的計(jì)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(guò)數(shù)字濾波器的原理來(lái)計(jì)算A 計(jì)權(quán)聲級(jí)。對(duì)于頻率計(jì)權(quán)，這是一種有嚴(yán)格要求的帶通濾波器法，首先求出其傳遞函數(shù)，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器，直接對(duì)時(shí)域聲壓波形進(jìn)行濾波[11]。

圖12 是對(duì)所有測(cè)量點(diǎn)得到的聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行A計(jì)權(quán)，得到A 計(jì)權(quán)聲級(jí)，并結(jié)合實(shí)際濾波場(chǎng)的布局，做出的360°噪聲輻射方向圖。參照?qǐng)D5 所示濾波場(chǎng)布局，0°方向上為測(cè)量點(diǎn)31的A 計(jì)權(quán)聲級(jí)，然后按照逆時(shí)針順序，根據(jù)數(shù)據(jù)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?yàn)闉V波場(chǎng)軸對(duì)稱線所在位置，雖然對(duì)稱的結(jié)構(gòu)和激勵(lì)輻射的噪聲也具有對(duì)稱性，但當(dāng)存在外界干擾時(shí)，這種對(duì)稱性將受到一定影響。圖12 噪聲輻射的方向圖中，對(duì)稱性并不明顯，主要表現(xiàn)為對(duì)稱軸左側(cè)噪聲較大。這是由于濾波場(chǎng)左側(cè)存在運(yùn)行的補(bǔ)償電容器裝置，其輻射的噪聲對(duì)測(cè)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(xiàn)最大的噪聲輻射，其值均大于75dB，根據(jù)圖5 所示，這兩處位于電容器裝置和高壓側(cè)電抗器之間，因此可以確定這都是濾波場(chǎng)噪聲的主要來(lái)源。

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

3.5 對(duì)電容器裝置減振和降噪的一些建議

根據(jù)前面對(duì)電容器裝置的振動(dòng)特性，及濾波場(chǎng)噪聲輻射方向性，提出一些降噪措施的建議。

針對(duì)電容器及塔架的整體振動(dòng)特性，從根本上解決電容器裝置的噪聲問(wèn)題，需要從單臺(tái)電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，其次對(duì)外殼振動(dòng)劇烈的部位適當(dāng)?shù)夭扇∠拗拼胧热缭黾幼枘峤Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的吸收和衰減，在關(guān)鍵部位隔離振動(dòng)等，這都可以有效降低振動(dòng)，從而減少噪聲輻射量。

交流濾波場(chǎng)在各個(gè)方向上輻射的噪聲水平與噪聲源的輻射特點(diǎn)和整體的布局有關(guān)，雖然限制每一個(gè)噪聲源的振動(dòng)對(duì)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(chǎn)生的類似共振加強(qiáng)的現(xiàn)象。因此合理安排濾波場(chǎng)內(nèi)各個(gè)噪聲源的空間位置，盡量避開(kāi)共振區(qū)，可以削弱噪聲之間相互疊加而出現(xiàn)的局部方向噪聲增強(qiáng)的現(xiàn)象。

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

4 結(jié)論

本文以南網(wǎng)某換流站220kV 濾波場(chǎng)中的電容器裝置為研究對(duì)象，通過(guò)建立激光振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和基于傳聲器的噪聲測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)換流站中正在運(yùn)行的電容器裝置的振動(dòng)及噪聲特性進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）雙調(diào)諧濾波電路中，流過(guò)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(dòng)頻率為100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz、1 300Hz，即振動(dòng)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(gè)側(cè)面中，底面振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)，窄側(cè)面振動(dòng)最弱，這主要與外殼的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部元件振動(dòng)的性質(zhì)有關(guān)。

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

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

本文最后基于研究得到了電容器裝置的振動(dòng)及噪聲特性，提出了對(duì)電容器裝置進(jìn)行減振和降噪的措施，這對(duì)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(dǎo)意義。

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