高壓直流換流站內濾波電容器可聽噪聲特性研究

丁國君,劉 陽,關弘路,姚 偉,王 棟,郭 磊

(1.國網河南省電力公司,河南 鄭州 450000;2.國網河南省電力公司電力科學研究院,河南 鄭州 450000)

0 引言

高壓直流輸電由于輸送距離長、容量大、可實現交流電網異步互聯等優勢,在新一代電力系統的規劃建設中發揮了舉足輕重的作用[1-2]。但自2015年1月環保法實施以來,換流站開始按照場界噪聲級來衡量是否達到環保法規定的標準。這給變電站和換流站的環境友好型發展帶來了巨大壓力。國際大電網會議(簡稱“CIGRE”)和國際電工委員會(International Elertrotechnical Commission,IEC)關于換流站內濾波電容器噪聲的研究報告中指明,濾波電容器的噪聲聲功率級甚至能夠達到105 dB(A計權可聽噪聲)[3-4]。現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等問題。因此,降低濾波電容器噪聲已經成為換流變電站的首要難題[5]。

目前的研究認為,濾波電容器的振動機理可歸納為以下4個方面[6]:在交變電壓激勵下,濾波電容器的極板上會產生交變的電場力;極板上的電場力作為濾波電容器的振動源,激勵電容器內部芯子產生振動;內部芯子的振動通過結構傳遞到電容器外殼;外殼振動會引起周圍空氣波動,進而產生噪聲傳播。McDuff將電容器極板之間的電場力作為其振動的激勵源[7]。Cox得出電容器的振動和噪聲頻率與極板間的靜電力頻率一致的結論[8]。CIGRE報告中指出:電容器單元內部每個極板同時受到大小相等、方向相反的電場力作用,導致極板處于動態的受力平衡狀態,最終只剩下最外層和最內層2個極板受不平衡的電場力作用。濾波電容器的振動研究普遍將極板上的電場力作為振動的激勵源[9]。李金宇研究了濾波電容器振動與噪聲多倍頻現象及其產生機理。研究結果表明,引起電容器出現多倍頻現象的原因是電場力與極板振動間存在耦合作用[10]。文獻[11]詳細分析了濾波電容器芯子溫度對可聽噪聲特性的影響機理,證明了溫度對高頻噪聲的影響作用大于對低頻噪聲的影響作用。文獻[12]分析了諧波電流相位對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,而關于電容器的內部振動機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生的原因,通過結合運行工況、結構參數及電壓激勵條件,掌握不同激勵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據參考。本文能為濾波電容器的低噪聲化設計提供理論和試驗基礎。

1 濾波電容器噪聲產生機理

通過引言部分的分析可知,濾波電容器所產生的可聽噪聲非常嚴重。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構及其噪聲產生機理。濾波電容器主要由多個電容器元件串并聯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。電容器內部結構如圖 1所示。

圖1 電容器內部結構圖

當濾波電容器加載激勵時,其內部的每層極板都受到上下2個方向的靜電力作用。不同方向的靜電力大小相同,因此電容器元件內部的極板處于平衡狀態。而電容器最上層和最下層極板只受1個方向的力的作用,因此處于不平衡狀態。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其振動的影響最大,是引起整個芯子振動的主要原因。電容器芯子元件的振動通過不斷傳遞,引起電容器整體在縱向上的振動,即電容器的外殼振動主要集中在底部和頂部,而側面的振動相對較小。電容器上下底面的振動引起附近空氣產生波動,進而將噪聲傳播出去。

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

圖3 電容器介質極板間電場力

濾波電容器極板之間所受的作用力F(N/m2)與電壓的關系如式(1)所示。

(1)

式中:A為電容器元件極板面積;ε為電容器內部介質介電常數;u為極板間電壓;d為極板間介質厚度;E為電容器極板間電場強度。

換流站實際運行電容器會受到基波電壓和諧波電壓的同時作用。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。

結合式(1)和式(2)可知,外施電壓在電容器極板上會產生不均衡的力。

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。

由式(3)可知,基波電壓和諧波電壓越大、次數越多,產生的振動力也越大。由于基波電壓遠大于諧波電壓,對于雙調諧的交流濾波電容器而言,當特征諧波為h1、h2次時,在激勵頻率為100、50(h1-1)、50(h1+1)、50(h2-1)、50(h2+1)時,濾波電容器產生的噪聲會比較突出。但是,h1和h2如果是低次諧波(諧波次數為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。這主要和人耳對頻率的敏感程度有關。實際濾波電容器的11次和13次諧波含量較多,導致中頻諧波噪聲占比很大。但11次和13次諧波含量對濾波電容器的可聽噪聲影響程度需通過試驗測量,以進行詳細分析。

2 電容器單元振動及噪聲測試

2.1 試驗設置

為了研究基波、11次和13次諧波含量對濾波電容器的可聽噪聲影響程度,本試驗于某電容器公司的噪聲測試實驗室內完成。噪聲測試實驗室有半消聲實驗室、噪聲多點測試系統、通風系統和信息采集系統、多諧波激勵電源和控制器等單元。濾波電容器噪聲測試實驗室的內部空間尺寸為5×4×4 m3,總占地面積大約為60 m2。

實驗室中有諧波發生電源(容量為540 kVA)、中頻變壓器(容量為540 kVA)、工頻補償電抗器(容量為5 600 kVA)和工頻調壓器(容量為250 kVA)。用于測量濾波電容器噪聲的主要設備有噪聲信號分析儀、電容式聲傳感器、前置放大器、聲學校準器。實驗室中的電源可以對濾波電容器樣機施加工頻和任意諧波疊加的激勵,并模擬濾波電容器的實際運行工況,從而對其表面振動和噪聲進行測試。

本試驗以AAM6.30-470-1W型電容器單元為試驗對象,在實驗室測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據。這是進行濾波電容器降噪的前提。本試驗嚴格按照《聲學聲壓法測定電力電容器單元的聲功率級和指向特性 第1部分 半消聲室精密法》(GB/T 32524.1—2016)和《電力電容器噪聲測量方法》(GB/T 28543—2012),對濾波電容器單元周圍的噪聲測點進行了布置。布置的17個點標注為數字1～17。電容器單元的噪聲布點如圖4所示。

圖4 電容器單元的噪聲布點示意圖

濾波電容器的端部采用絕緣子柱進行支撐,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。試驗中所用的設備如下:聲傳感器、數據采集器、數據分析軟件、筆記本電腦、支撐聲傳感器的三腳架、抗電磁干擾的數據采集線、膠帶、米尺等。聲傳感器與濾波電容器表面的垂直距離設置為1 m。

2.2 試驗結果分析

半消聲室的聲壓級為15 dB,滿足試驗要求。試驗對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中的數據可以看出,電容器單元的噪聲峰值頻率以100 Hz為主,表現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點噪聲值如表1所示。

表1 加載基波工況下的電容器單元各測點噪聲值

在此加載工況下,電容器單元的總聲級為30.5 dB,整體噪聲較低;同時,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。

試驗對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點噪聲值如表2所示。電容器單元總聲級為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點噪聲值

試驗對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

通過對此工況下的噪聲特征進行分析可知,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點噪聲值如表3所示。

表3 加載基波+13次諧波工況下的電容器單元各測點噪聲值

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

3 結論

高壓直流換流站內濾波電容器的噪聲問題十分嚴重。過量的振動和噪聲會影響換流站內電容器的壽命以及周邊環境,亟需掌握其聲振規律。目前,對于濾波電容器的噪聲產生機理和特性并不明確。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,得出的主要結論為:當激勵只含有基波分量時,噪聲最小,主要集中在100 Hz分量;當激勵含有基波和13次諧波分量時,濾波電容器的噪聲達到最大,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。