高压直流换流站内滤波电容器可听噪声特性研究

丁国君,刘 阳,关弘路,姚 伟,王 栋,郭 磊

(1.国网河南省电力公司,河南 郑州 450000;2.国网河南省电力公司电力科学研究院,河南 郑州 450000)

0 引言

高压直流输电由于输送距离长、容量大、可实现交流电网异步互联等优势,在新一代电力系统的规划建设中发挥了举足轻重的作用[1-2]。但自2015年1月环保法实施以来,换流站开始按照场界噪声级来衡量是否达到环保法规定的标准。这给变电站和换流站的环境友好型发展带来了巨大压力。国际大电网会议(简称“CIGRE”)和国际电工委员会(International Elertrotechnical Commission,IEC)关于换流站内滤波电容器噪声的研究报告中指明,滤波电容器的噪声声功率级甚至能够达到105 dB(A计权可听噪声)[3-4]。现有的辅助降噪方式主要有隔声罩和声屏障两类。隔声罩方式存在影响散热和电容器可靠性等问题。声屏障存在需施工、成本高及声绕射超标等问题。因此,降低滤波电容器噪声已经成为换流变电站的首要难题[5]。

目前的研究认为,滤波电容器的振动机理可归纳为以下4个方面[6]:在交变电压激励下,滤波电容器的极板上会产生交变的电场力;极板上的电场力作为滤波电容器的振动源,激励电容器内部芯子产生振动;内部芯子的振动通过结构传递到电容器外壳;外壳振动会引起周围空气波动,进而产生噪声传播。McDuff将电容器极板之间的电场力作为其振动的激励源[7]。Cox得出电容器的振动和噪声频率与极板间的静电力频率一致的结论[8]。CIGRE报告中指出:电容器单元内部每个极板同时受到大小相等、方向相反的电场力作用,导致极板处于动态的受力平衡状态,最终只剩下最外层和最内层2个极板受不平衡的电场力作用。滤波电容器的振动研究普遍将极板上的电场力作为振动的激励源[9]。李金宇研究了滤波电容器振动与噪声多倍频现象及其产生机理。研究结果表明,引起电容器出现多倍频现象的原因是电场力与极板振动间存在耦合作用[10]。文献[11]详细分析了滤波电容器芯子温度对可听噪声特性的影响机理,证明了温度对高频噪声的影响作用大于对低频噪声的影响作用。文献[12]分析了谐波电流相位对滤波电容器噪声的影响。

目前的研究集中在电容器的减振降噪方面,而关于电容器的内部振动机理和多工况条件下的噪声特性研究较少。因此,本文分析了滤波电容器噪声产生的原因,通过结合运行工况、结构参数及电压激励条件,掌握不同激励叠加工况下滤波电容器的噪声特性,为滤波电容器减振降噪提供了数据参考。本文能为滤波电容器的低噪声化设计提供理论和试验基础。

1 滤波电容器噪声产生机理

通过引言部分的分析可知,滤波电容器所产生的可听噪声非常严重。为了研究滤波电容器的可听噪声特性,需掌握滤波电容器的本体结构及其噪声产生机理。滤波电容器主要由多个电容器元件串并联形成的芯子串段组成,再通过浸渍绝缘油形成完整的电容器。其中,单个电容器元件由2层铝箔和6层聚丙烯薄膜卷绕而成。电容器内部结构如图 1所示。

图1 电容器内部结构图

当滤波电容器加载激励时,其内部的每层极板都受到上下2个方向的静电力作用。不同方向的静电力大小相同,因此电容器元件内部的极板处于平衡状态。而电容器最上层和最下层极板只受1个方向的力的作用,因此处于不平衡状态。电容器元件受力如图2所示。

图2 电容器元件受力图

由图2可知,电容器元件的顶部和底部对其振动的影响最大,是引起整个芯子振动的主要原因。电容器芯子元件的振动通过不断传递,引起电容器整体在纵向上的振动,即电容器的外壳振动主要集中在底部和顶部,而侧面的振动相对较小。电容器上下底面的振动引起附近空气产生波动,进而将噪声传播出去。

电容器介质的电极间受到电场力的作用,从而使电容器内部的元件产生振动。这种元件振动通过衬垫包封件、浸渍剂传给外壳而使箱壁振动,形成噪声后向空气中传播。电容器介质极板间电场力如图3所示。

图3 电容器介质极板间电场力

滤波电容器极板之间所受的作用力F(N/m2)与电压的关系如式(1)所示。

(1)

式中:A为电容器元件极板面积;ε为电容器内部介质介电常数;u为极板间电压;d为极板间介质厚度;E为电容器极板间电场强度。

换流站实际运行电容器会受到基波电压和谐波电压的同时作用。如忽略基波和不同谐波相位差影响,则外施电压可表示为:

u=U1sinωt+Uh1sin(h1+ωt)+Uh2sin(h2ωt)

(2)

式中:ω为激励的角频率,rad/s;U1为滤波电容器被施加的基波电压幅值,kV;Uh1为滤波电容器上h1次谐波的幅值,kV;Uh2为滤波电容器上h2次谐波的幅值,kV。

结合式(1)和式(2)可知,外施电压在电容器极板上会产生不均衡的力。

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为常数。

由式(3)可知,基波电压和谐波电压越大、次数越多,产生的振动力也越大。由于基波电压远大于谐波电压,对于双调谐的交流滤波电容器而言,当特征谐波为h1、h2次时,在激励频率为100、50(h1-1)、50(h1+1)、50(h2-1)、50(h2+1)时,滤波电容器产生的噪声会比较突出。但是,h1和h2如果是低次谐波(谐波次数为7次以下),即频率在350 Hz以下,其噪声比中频(即频率在350～1 200 Hz之间)谐波噪声要低。这主要和人耳对频率的敏感程度有关。实际滤波电容器的11次和13次谐波含量较多,导致中频谐波噪声占比很大。但11次和13次谐波含量对滤波电容器的可听噪声影响程度需通过试验测量,以进行详细分析。

2 电容器单元振动及噪声测试

2.1 试验设置

为了研究基波、11次和13次谐波含量对滤波电容器的可听噪声影响程度,本试验于某电容器公司的噪声测试实验室内完成。噪声测试实验室有半消声实验室、噪声多点测试系统、通风系统和信息采集系统、多谐波激励电源和控制器等单元。滤波电容器噪声测试实验室的内部空间尺寸为5×4×4 m3,总占地面积大约为60 m2。

实验室中有谐波发生电源(容量为540 kVA)、中频变压器(容量为540 kVA)、工频补偿电抗器(容量为5 600 kVA)和工频调压器(容量为250 kVA)。用于测量滤波电容器噪声的主要设备有噪声信号分析仪、电容式声传感器、前置放大器、声学校准器。实验室中的电源可以对滤波电容器样机施加工频和任意谐波叠加的激励,并模拟滤波电容器的实际运行工况,从而对其表面振动和噪声进行测试。

本试验以AAM6.30-470-1W型电容器单元为试验对象,在实验室测量其不同工况下的噪声特性,为开展电容器单元本体的噪声控制工作积累重要数据。这是进行滤波电容器降噪的前提。本试验严格按照《声学声压法测定电力电容器单元的声功率级和指向特性 第1部分 半消声室精密法》(GB/T 32524.1—2016)和《电力电容器噪声测量方法》(GB/T 28543—2012),对滤波电容器单元周围的噪声测点进行了布置。布置的17个点标注为数字1～17。电容器单元的噪声布点如图4所示。

图4 电容器单元的噪声布点示意图

滤波电容器的端部采用绝缘子柱进行支撑,高度为600 mm,能够耐受的电压水平为工频过电压140 kV、雷电过电压325 kV、操作过电压250 kV。试验中所用的设备如下:声传感器、数据采集器、数据分析软件、笔记本电脑、支撑声传感器的三脚架、抗电磁干扰的数据采集线、胶带、米尺等。声传感器与滤波电容器表面的垂直距离设置为1 m。

2.2 试验结果分析

半消声室的声压级为15 dB,满足试验要求。试验对AAM6.30-470-1W型电容器单元加载BP11-13基波工况。加载基波工况下的电容器单元噪声频谱特征如图5所示。

图5 加载基波工况下的电容器单元噪声频谱特征

通过图5中的数据可以看出,电容器单元的噪声峰值频率以100 Hz为主,表现出以基波噪声为特征的多峰值频谱特征。

加载基波工况下的电容器单元各测点噪声值如表1所示。

表1 加载基波工况下的电容器单元各测点噪声值

在此加载工况下,电容器单元的总声级为30.5 dB,整体噪声较低;同时,靠近电容器上下底面的噪声值较高,显示出明显的指向性特征。

试验对AAM6.30-470-1W型电容器单元加载BP11-13基波+11次谐波工况。加载基波+11次谐波工况下的电容器噪声频谱特征如图6所示。

图6 加载基波+11次谐波工况下的电容器噪声频谱特征

由图6可知,电容器单元的噪声峰值频率以100 Hz、500 Hz、600 Hz为主,表现出以基波和谐波噪声为特征的多峰值频谱特征。

加载基波+11次谐波工况下的电容器单元各测点噪声值如表2所示。电容器单元总声级为53.4 dB。在此加载工况下,电容器单元整体噪声较高,显示出明显的指向性特征。

表2 加载基波+11次谐波工况下的电容器单元各测点噪声值

试验对AAM6.30-470-1W型电容器单元加载BP11-13基波+13次谐波工况。加载基波+13次谐波工况下的噪声频谱特征如图7所示。

图7 加载基波+13次谐波工况下的噪声频谱特征

通过对此工况下的噪声特征进行分析可知,电容器单元的噪声峰值频率以600 Hz、700 Hz、1 300 Hz为主,表现出以基波和谐波噪声为特征的多峰值频谱特征。

加载基波+13次谐波工况下的电容器单元各测点噪声值如表3所示。

表3 加载基波+13次谐波工况下的电容器单元各测点噪声值

电容器单元总声级为65.4 dB。在此加载工况下,电容器单元整体噪声较高,各项噪声水平同样显示出明显的指向性特征。

3 结论

高压直流换流站内滤波电容器的噪声问题十分严重。过量的振动和噪声会影响换流站内电容器的寿命以及周边环境,亟需掌握其声振规律。目前,对于滤波电容器的噪声产生机理和特性并不明确。本文通过研究AAM6.30-470-1W型电容器在不同工况下的可听噪声特性,得出的主要结论为:当激励只含有基波分量时,噪声最小,主要集中在100 Hz分量;当激励含有基波和13次谐波分量时,滤波电容器的噪声达到最大,噪声的谐波分量也较多;滤波电容器的上下底面辐射噪声很大,侧面噪声较小。因此,可在滤波电容器上下底面添加隔音棉等降噪措施。本文为滤波电容器的降噪手段提供思路。