電抗器結(jié)構(gòu)聲輻射仿真分析與應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)上海金山供電公司 余娟娟 蔣陳忠 葉 青 中國(guó)電建集團(tuán)裝備研究院有限公司 王海玲 孟令丹

并聯(lián)電抗器是電力系統(tǒng)中不可缺少的電氣設(shè)備，主要用于吸收系統(tǒng)中的容性無(wú)功功率、限制過(guò)電壓、抑制同步電機(jī)帶輕載時(shí)可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁現(xiàn)象，起到穩(wěn)定和保護(hù)電力系統(tǒng)的作用。電抗器噪聲是變電站噪聲的主要來(lái)源之一，對(duì)廠(chǎng)界噪聲貢獻(xiàn)突出。為探索解決電抗器噪聲擾民問(wèn)題，研究學(xué)者從聲源治理和傳播途徑治理等方面進(jìn)行了一系列研究，提出優(yōu)化電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、器身與油箱設(shè)置減振系統(tǒng)、隔聲屏障、隔聲裝置及有源控制技術(shù)等一系列控制電抗器噪聲的可行方法。

1 電抗器噪聲

并聯(lián)油浸式電抗器主要由油箱和內(nèi)部核芯部件兩部分組成。電抗器正常工作時(shí)，線(xiàn)圈繞組通入交變電流，產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，由于相鄰鐵芯餅之間有氣隙，處于磁場(chǎng)中的鐵芯餅的上下表面會(huì)受到電磁力的作用。同時(shí)由于鐵磁材料的固有屬性，在外磁場(chǎng)作用下，鐵磁材料的尺寸在各方向都會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)生磁致伸縮變形。兩種交變的電磁激勵(lì)使得鐵芯發(fā)生振動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)鐵芯和油箱的固定連接結(jié)構(gòu)以及變壓器油傳遞到油箱，然后通過(guò)油箱的振動(dòng)向周?chē)諝廨椛湓肼暋?/p>

為進(jìn)一步明確電抗器噪聲頻率特性，對(duì)電抗器噪聲進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研檢測(cè)。圖1給出額定容量為20000kVar、電壓等級(jí)為35kV 的并聯(lián)電抗器噪聲級(jí)頻譜分布情況，圖2給出各頻帶能量百分比。圖中可明顯看出，電抗器聲能主要集中在1/3倍頻程100Hz 頻帶范圍內(nèi)，約占到了電抗器聲能量88%，其次是200Hz。

圖1 35kV 并聯(lián)電抗器噪聲級(jí)及頻譜分布情況

圖2 電抗器聲能量百分比分布圖

2 電抗器噪聲分析模型

電抗器的振動(dòng)來(lái)源主要有兩種，一種是因處于交變磁場(chǎng)中的鐵磁材料的磁致伸縮變形，另一種是由于受到交變的電磁力所引起的振動(dòng)。磁致伸縮變形以及電磁力導(dǎo)致的鐵振動(dòng)可直接向油介質(zhì)中輻射聲能量，聲場(chǎng)再激勵(lì)電抗器油箱向外輻射噪聲。另外磁致伸縮應(yīng)力和電磁力又可通過(guò)鐵心與油箱間的連接激勵(lì)油箱結(jié)構(gòu)振動(dòng)向外聲輻射。

電抗器油箱結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。油箱結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)由鐵心連接處激勵(lì)力Fm和鐵心通過(guò)油介質(zhì)輻射的聲場(chǎng)激勵(lì)Fp兩部分共同決定。油箱結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程可表示為：[M]{Y'']+[C]{Y'}+[K]{Y}={F}，其中[M]、[C]、[K]分別為油箱的質(zhì)量系數(shù)矩陣、阻尼系數(shù)矩陣和彈性系數(shù)矩陣，由油箱的物理結(jié)構(gòu)決定。{Y}為振動(dòng)位移矢量，{Y'}、{Y'']是位移矢量的一階、二階導(dǎo)數(shù)，表示速度和加速度矢量。{F}表示力矢量，表征油箱受到的外力，由Fm和Fp決定。振動(dòng)響應(yīng)分析就是求解電抗器油箱的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可用有限元計(jì)算軟件來(lái)完成。

電抗器油箱結(jié)構(gòu)聲輻射。電抗器油箱可看成是一個(gè)閉空間的外部聲場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題。油箱結(jié)構(gòu)振動(dòng)與空氣聲場(chǎng)之間的耦合可用下式表達(dá)，式中[Ms]、[Cs]、[Ks]表示電抗器油箱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量系數(shù)矩陣、阻尼系數(shù)矩陣和彈性系數(shù)矩陣，[Ma]、[Ca]、[Ka]表示空氣的聲質(zhì)量矩陣、聲阻尼矩陣和聲彈性矩陣。

將振動(dòng)表面外法向的加速度或速度分布與輻射聲壓分布聯(lián)系起來(lái)，根據(jù)不同的邊界等條件可用級(jí)數(shù)展開(kāi)或有限元方法對(duì)輻射聲壓或聲功率數(shù)值計(jì)算。

3 電抗器模型輻射噪聲計(jì)算分析

電抗器的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題的分析實(shí)際上是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題的研究。本項(xiàng)研究主要關(guān)注結(jié)構(gòu)與聲場(chǎng)建模分析，在仿真計(jì)算過(guò)程中將用力源點(diǎn)激勵(lì)模擬電抗器鐵心與油箱連接點(diǎn)的力激勵(lì)，用線(xiàn)源聲激勵(lì)模擬電抗器鐵心振動(dòng)向油介質(zhì)的直接聲輻射，以期獲得電抗器油箱結(jié)構(gòu)輻射聲場(chǎng)的分布，結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲場(chǎng)計(jì)算通過(guò)仿真軟件完成。

3.1 電抗器油箱計(jì)算模型

根據(jù)電抗器實(shí)體結(jié)構(gòu)，將電抗器油箱簡(jiǎn)化為圓柱殼結(jié)構(gòu)，模型如圖3。頂蓋和底蓋上的各種附件約束等效成加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，上下各有四條加強(qiáng)筋，油箱底蓋與地面的固定約束點(diǎn)放置在底蓋的四條加強(qiáng)筋上。計(jì)算模型中激勵(lì)源考慮了點(diǎn)力激勵(lì)和線(xiàn)源聲激勵(lì)，上、下底蓋板分別放置了三個(gè)點(diǎn)力激勵(lì)點(diǎn)，中間電抗器油內(nèi)放置了三個(gè)線(xiàn)源聲激勵(lì)，兩種激勵(lì)方式可單獨(dú)激勵(lì)，也可同時(shí)加載激勵(lì)。主要仿真了電抗器室內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境，考慮室內(nèi)六個(gè)反射面。

圖3 電抗器油箱結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2 電抗器室內(nèi)環(huán)境計(jì)算模型

本項(xiàng)目依托上海匯豐110kV 變電站工程，電抗器室房間尺寸為：6000mm×6000mm×5000mm，電抗器距離地面高度約150mm，由此建立的電抗器室內(nèi)環(huán)境計(jì)算模型如圖4所示。通風(fēng)窗口深度（y）1000mm，出口連接完美匹配層PML，模擬無(wú)反射端口。房間墻壁和底面設(shè)為硬聲場(chǎng)邊界條件，模擬光滑全反射壁面。電抗器油箱內(nèi)部充滿(mǎn)油，設(shè)為壓力聲場(chǎng)求解域，油箱外部為空氣介質(zhì)，同樣設(shè)為壓力聲場(chǎng)求解域，電抗器油箱為不銹鋼材質(zhì)，設(shè)為固體力學(xué)求解域。電抗器油箱內(nèi)外表面設(shè)為聲結(jié)構(gòu)耦合界面。電抗器三個(gè)線(xiàn)源激勵(lì)總聲功率設(shè)為0.01W，模擬電抗器鐵心磁致伸縮變形直接向油內(nèi)輻射聲；上面三個(gè)點(diǎn)力激勵(lì)源為-50N、下面三個(gè)激勵(lì)點(diǎn)源為50N，模擬鐵心固定點(diǎn)對(duì)電抗器油箱的力激勵(lì)。

圖4 電抗器室內(nèi)環(huán)境計(jì)算模型

3.3 室內(nèi)環(huán)境仿真分析結(jié)果

3.3.1 剛性壁面電抗器室內(nèi)環(huán)境仿真分析

在電抗器室內(nèi)不進(jìn)行特殊聲學(xué)裝修，激勵(lì)源同時(shí)加載時(shí)電抗器室內(nèi)100Hz 聲場(chǎng)分布如圖5～8所示。由于房間剛性壁面，導(dǎo)致室內(nèi)聲場(chǎng)分布及其不均勻，存在明顯的高聲壓區(qū)和低聲壓區(qū)。靠近電抗器及墻壁區(qū)域聲壓級(jí)較高，尤其電抗器頂部和底部是明顯的高輻射區(qū)域，這是由圓形電抗器油箱外形結(jié)構(gòu)決定的。據(jù)圖9可看出，在100Hz 頻率激勵(lì)下，上下頂部平板結(jié)構(gòu)相對(duì)于側(cè)面曲面結(jié)構(gòu)更容易在外部激勵(lì)下發(fā)生變形，頂部振動(dòng)位移幅值可達(dá)0.016mm，側(cè)面位移幅值只有0.0033mm。這主要是因?yàn)樵诘皖l時(shí)頂部和底部平板容易激勵(lì)，是主要輻射源，在高頻時(shí)由于側(cè)面趨于平板結(jié)構(gòu)，側(cè)面非常容易激勵(lì)，因此在電抗器油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)主要激勵(lì)頻率有針對(duì)性的進(jìn)行油箱外形設(shè)計(jì)。

圖5 Z=500mm 切面聲場(chǎng)分布

圖6 Z=3500mm 切面聲場(chǎng)分布

圖7 x=2300mm 切面聲場(chǎng)分布

圖8 x=4600mm 切面聲場(chǎng)分布

圖9 電抗器油箱表面振動(dòng)位移

進(jìn)一步的分析表明，當(dāng)激勵(lì)頻率為20 0 Hz、300Hz、400Hz、500Hz 時(shí)，房間內(nèi)聲壓級(jí)都有較明顯提高，這主要是因?yàn)轭l率增加電抗器油箱結(jié)構(gòu)輻射效率變高導(dǎo)致的。此外，電抗器油箱表面振動(dòng)模態(tài)變得復(fù)雜，300Hz、400Hz 油箱頂面出現(xiàn)高階模態(tài)振動(dòng)，400Hz 側(cè)面也開(kāi)始出高階模態(tài)振動(dòng)，500Hz 側(cè)面高階模態(tài)振動(dòng)更加明顯。

從圖5可看出，在y=6000mm 墻壁上有兩個(gè)聲場(chǎng)干涉低谷區(qū)域，中心分別位于x=2300mm、4180mm。通風(fēng)窗恰好位于其中的第一個(gè)低聲壓區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)入通風(fēng)窗的聲能量比較低。但從圖7看，基于該仿真模型，窗口位置應(yīng)該向上移動(dòng)在z=960mm位置會(huì)具有更好的效果。或者如不考慮通風(fēng)窗需要正對(duì)著電抗器，單純從低噪聲傳遞角度考慮，通風(fēng)窗位于第二個(gè)低聲壓區(qū)會(huì)更好。基于以上假設(shè)，分別移動(dòng)了窗口位置，重新計(jì)算了移動(dòng)位置后的聲場(chǎng)分布，如圖10～13所示，比較窗口入射聲功率和平均聲壓級(jí)如表1。從通風(fēng)窗入口聲功率對(duì)比可看出，在W3位置入射聲功率最低、W2位置次之。但從通風(fēng)和噪聲同時(shí)考慮，窗口在W2位置可能更好。

圖10 窗口上移后z=960切面聲場(chǎng)分布

圖11 窗口上移后x=2300mm切面聲場(chǎng)分布

圖12 窗口右移后z=500mm 切面聲場(chǎng)分布

圖13 窗口右移后x=4180mm切面聲場(chǎng)分布

表1 窗口不位置聲功率和平均聲壓級(jí)

3.3.2 吸聲壁面電抗器室內(nèi)環(huán)境仿真分析

為有效控制電抗器噪聲，會(huì)在電抗器室內(nèi)壁面敷設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)，本部分對(duì)電抗器室內(nèi)敷設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)后室內(nèi)聲場(chǎng)變化情況予以分析。假設(shè)敷設(shè)的穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在100Hz 具有良好的吸聲性能（圖14）。房間內(nèi)聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖15、圖16所示。敷設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)后，房間內(nèi)聲壓級(jí)有明顯降低，聲場(chǎng)干涉變?nèi)酢?/p>

圖14 敷設(shè)結(jié)構(gòu)的吸聲性能

圖15 加吸聲結(jié)構(gòu)后室內(nèi)房間聲場(chǎng)分布（100Hz-xy 平面）

圖16 加吸聲結(jié)構(gòu)后室內(nèi)房間聲場(chǎng)分布（100Hz-yz 平面）

圖17 硬壁面室內(nèi)房間聲場(chǎng)分布（100Hz-xy 平面）

圖18 硬壁面室內(nèi)房間聲場(chǎng)分布（100Hz-yz 平面）

圖19 房間加吸聲結(jié)構(gòu)并移動(dòng)通風(fēng)窗聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果（z=1600mm）

進(jìn)一步分析通風(fēng)窗口位置處對(duì)外輻射聲功率級(jí)可發(fā)現(xiàn)，在電抗器室敷設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)后，窗口通風(fēng)位置聲功率和平均聲壓級(jí)都有所增加，因?yàn)榧游暡牧虾蠓块g內(nèi)聲場(chǎng)分布變化較大，低聲壓級(jí)位置已不在原先位置。把通風(fēng)窗位置移到新的低聲壓級(jí)位置（730，6000，1600），重新計(jì)算聲場(chǎng)分布結(jié)果如圖19所示，通風(fēng)窗口聲功率和平均聲壓級(jí)對(duì)比如表格2所示。移動(dòng)通風(fēng)窗口位置后，在通風(fēng)窗口可實(shí)現(xiàn)較低的輻射聲功率和平均聲壓級(jí)。

表2 硬壁面和阻抗壁面通風(fēng)窗入口聲功率和平均聲壓級(jí)