高压直流换流站交流滤波电容器降噪措施

吴 鹏 汲胜昌 曹 涛 李彦明 黎小林 李 岩 姚一峰

(1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049 2.南方电网技术研究中心 广州 510623 3.日新电机有限公司 无锡 214028)

1 引言

在高压直流输电系统中，将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电都是在换流站中完成的。随着直流输电电压等级的提高、输送功率的增大，换流站主设备，如换流变压器、平波电抗器、滤波及并联电容器装置、换流阀等产生的噪声污染越来越严重，已远远超出国家环境部门所制定的场界达标标准，对换流站周边居民正常的生产、生活造成了十分严重的影响。

直流换流站中装设的滤波及并联电容器装置由于其台数多，并且单台容量大、流过每台电容器的电流中含有大幅值的高次谐波成分，而成为换流站中噪声来源的主要因素之一，电容器噪声已成为一个不可忽视的问题。在CIGRE 的报告[1]中，直流换流站电容器塔的噪声能够达到105dB，而文献[2-3]对谐波下的电容器组噪声进行了研究，结果表明该电容器组可听噪声不低于换流变压器所产生的噪声；北京电力科学研究院及河南电力试验研究院都曾对直流换流站站内的可听噪声水平进行过测量，结果表明：电容器装置附近的噪声水平几乎全部超标，最大甚至达到了89.7dB[4-6]。

鉴于直流系统中电容器产生的可听噪声非常大，超出了噪声限制，非常有必要采取措施减小噪声污染。换流站中的电容器塔体积大，噪声辐射形式复杂。因此，塔的位置、朝向和声屏技术等在换流站设计时都是改善换流站噪声分布的有效措 施[1,7]。文献[1]中，还有一些其他的内部降噪措施，如减小电介质受力，增加电容器元件的硬度和避开电容器的模态频率。声屏障技术会额外增加昂贵的土地成本，因为对于高压设备需要足够大的绝缘距离建声屏避墙。而文献[1]中的内部措施，只是指导性建议，因其会改变内部结构，可能会带来其他问题。主动控声技术一般采用闭环控制发声器件使其向固定区域产生与所需抑制的噪声频率相同而相位相反的声波，从而通过声波叠加起到降低该区域噪声的目的[8]。显然，由于需要电控设备和不易应用在大范围区域降噪的原因，以及换流站的特殊要求，传统的主动控声技术不能应用在电容器装置上。但是，该技术中相位相反的同频率声波叠加控制噪声的方法应用在电容器阵列上降噪是可行的。

本文分别针对单台电容器和电容器塔提出了双底面型低噪声电容器和交错式电容器布置方式并对此开展研究。所取得的成果对进一步开展此方面的研究具有积极意义。

2 电容器噪声的抑制措施

2.1 双底面型低噪声电容器设计理论

图1 为实测的电容器各面振动加速度数据，底面振动远高于侧面，电容器各面的声辐射量差异较大，底面噪声辐射量远大于其他面的噪声辐射量，底面噪声一般高出其他面6～10dB。若能把电容器底面噪声降下来，即可以把单台电容器的噪声降下来。

图1 电容器各面平均振动加速度数据 Fig.1 Some surfaces vibration of capacitor

双底面型电容器底部双底面结构及两个底面之间的振动和噪声传递过程分析如图2 所示，第二底面辐射噪声的能量来自于两个途径：第一底面辐射的声透射；第一底面边棱上的振动传递。

图2 双底面声传播分析示意图 Fig.2 The sound propagation model of double bottoms

目前所使用的电容器都为单底面结构，其声压透射系数tp1为[9-10]

式中 R1—电容器油的声阻抗；

R2—电容器外壳底面的声阻抗；

R3—空气的声阻抗；

d—电容器底面厚度；

ω—声波角频率；

c2—电容器底面外壳中的声速。

而对于本文所设计的双底面型电容器，其声压透射系数tp2为

式中 M—电容器外壳底面的单位面积质量；

R3—空气的声阻抗；

D—电容器双底面之间的空气层厚度；

c3—空气中的声速。

另外

电容器外壳厚度为2mm，双底面之间空气层厚度为15mm。根据其他相关参数及式（1）～式（4）可以得到：单底面的隔声量为32.44dB，而双底面的隔声量为47.2dB。单纯考虑声透射的情况下，双底面比单底面隔声效果增大了15dB。

根据实验研究，底面振动为（1，1）模态，即中间振动幅值大而四周振动幅值小。第二底面与第一底面的刚性结构连接都存在于第一底面的边棱，结构振动传递量微小。表1 为实验中测得的电容器底面边棱及中心的振动加速度数据。

表1 底面边棱处振动数据 Tab.1 Vibration of bottom edge

从表1 可以看出边棱处的振动远小于底面中心上的振动，因此通过第一底面边棱的刚性结构传递到第二底面的振动非常小，根据估算通过边棱传递到第二底面的振动约3dB。

综合以上两种能量传递作用，双底面型电容器底面的降噪量约为12dB。

2.2 多台电容器交错放置的降噪措施

换流站内交流滤波装置中的电容器都以固定的排列方式安装在铁架上构成电容器塔，电容器塔上的电容器数量多并且排列有序，如图3a 所示（不考虑铁架）。由于同相的电容器频率相同，交错布置方式的电容器塔可以通过自身的位置调整，使一批电容器在辐射面上发出的噪声与另一批电容器在该辐射面上发出的噪声满足相位相反的条件，因此可以降低辐射区噪声水平。交错式电容器布置方式构成的电容器塔如图3b 所示（不考虑铁架）。

两列同频率同向传播的声波叠加为

图3 常规电容器布置方式和交错式电容器布置方式 Fig.3 Regular placement and overlap placement of capacitors

电容器外壳表面的振动满足小振幅的条件，结构振动在外部流体介质中距离表面r 处产生的辐射声压p 满足Helmholtz 微分方程、流固界面条件以及Sommerfeld 辐射条件[11-12]。

式中 ∇2—拉普拉斯算子；

k—波数，k=ω/c；

ω —角频率；

c—流体介质中的声速；

ρ —流体密度；

n—结构表面S 的外法向单位分量；

υn—结构表面S 的外法向振速；

r=|Q−P|，Q 为结构表面S 上任意点，P 为空间中任意点。

根据点源的球对称特性，方程（6）的基本解为

利用格林公式和相应的外场问题声学边界条件，得到采用声压p(P)与法向振速nυ 表示的外场问题Helmholtz 直接方程

式中，c(P)=α/(4π)；α为结构表面S 上点P 处的表面角。

对式（10）利用边界元法进行离散，即得直接法边界元求解方程：

式中 A，B—影响矩阵；

p—节点声压矢量；

υ—节点法向速度矢量。 解得表面各节点处的p 和υ ，采用插值可得外场点网格中任意点P 处辐射声压

式中 a，b—插值系数矩阵。

根据声场理论采用边界元法分别对图3 中常规放置方式电容器塔和交错放置方式电容器塔噪声辐射声场进行计算。计算边界设置为自由场边界，交错距离为0.15m，计算频率1100Hz，电容器侧面和顶面加载0.01m/s 的速度载荷，底面加载0.05m/s的速度载荷，以电容器塔地面为中心半径为10m 的辐射声场计算结果如图4 所示。

图4 两种电容器放置方式电容器塔的 噪声辐射声场比较 Fig.4 Sound field of regular capacitor stack and overlap placement capacitor stack

图4 中A 区为电容器塔宽侧面正对的声场辐射区，B 区为电容器顶面正对的声场辐射区。从图4可以看出，常规放置方式的电容器塔在电容器顶面和侧面正对的辐射区噪声辐射方向集中、声级高；而交错布置方式的电容器塔可以有效利用半波叠加降低电容器四个噪声辐射面正对的辐射区噪声水平，从仿真计算结果上看降噪量约为10dB。非正对区域噪声会有部分小区域升高现象，但对于关心的0～6m 电容器塔向四周辐射的区域来说，交错布置方式能有效降低大面积方向性集中的高声级噪声。

3 电容器两种降噪措施的实验验证

3.1 实验系统

图5 电容器振动噪声实验平台 Fig.5 The experiment system for studying of the noise and vibration of capacitor

在实验中采用的实验平台如图5 所示。实验主电路由谐波电流源、补偿电抗器和试品电容器组成，组成并联谐振电路可以降低系统中的无功需求。测 试系统包括三部分：电流测试子系统、外壳振动测试子系统和噪声测试子系统。测试电流子系统包括电流传感器及电流变换电压装置接到A/D 采集卡传入电脑；测试外壳振动子系统为压电式加速度振动传感器通过电荷放大器接A/D 采集卡传入电脑；测试噪声子系统为集声压传感器和分析仪为一体的SPL 分析仪。ISO 标准[13]规定设备噪声需高出环境噪声一定的值才能进行噪声测量。为了避开外界的噪声干扰，图5 中点划线框内试品电容器和测试系统布置在消声室内，而电抗器和谐波电流源布置在消声室外。具体设备参数如下：

消声室的空间为6.3m×5.5m×5.4m，自由声场频率范围100Hz～10kHz，背景噪声23.9dB。

谐波电流源的单频率模式：0～600Hz 内可调，最小频率步长0.1Hz；谐波模式：可实现四种谐波叠加，之间可独立调节其中任一谐波电流幅值和相角等，谐波次数可选。

声压级测试仪为日本RION 公司生产的NA-28型声压级测试仪，灵敏度为−27dB，测量范围为25～130dB。

压电式振动加速度传感器的灵敏度为10pC/ms−2。

采集卡的最大采样率100kHz，位数为24，可以4 通道同时采样，USB 接口。

试品电容器的额定电压5.55kV，容量572kvar。

电容器布置在消声室的中央位置，并用架子支起，以保障噪声的测量符合声学测试要求。图6 为消声室内架子上待测的电容器。

图6 消声室内架上待测电容器 Fig.6 Filter capacitor in the semi-anechoic room

3.2 双底面型低噪声电容器实验结果

试品电容器和同型号常规电容器在表2 和表3的实验电流条件下进行对比实验。

电容器噪声测点分布如图7 所示，测点分为距电容器外壳20cm 和50cm 两类测点。

表2 单频率实验条件 Tab.2 Single frequency current

表3 复合频率实验条件 Tab.3 Harmonic currents

图7 电容器噪声测点分布 Fig.7 Measurement points arrangement for noise of capacitor

实验结果见表4～表9 及图8，其中C1 代表同型号常规电容器，C2 代表双底面型电容器。

3.2.1 单频率实验结果

表4 600Hz，70A 电流作用下噪声对比数据 Tab.4 SPL (A) with current:600Hz,70A （单位：dB）

表5 550Hz，70A 电流作用下噪声对比数据 Tab.5 SPL (A) with current:550Hz,70A （单位：dB）

表6 450Hz，70A 电流作用下噪声对比数据 Tab.6 SPL (A) with current:450Hz,70A （单位：dB）

表7 350Hz，70A 电流作用下噪声对比数据 Tab.7 SPL (A) with current:350Hz,70A （单位：dB）

图8 350Hz 电流下电容器底面50cm 处测点的 噪声频谱比较 Fig.8 SPL from the capacitor bottom 50cm with 350Hz current

3.2.2 复合频率实验结果

表8 第一组复合频率电流作用下噪声对比数据 Tab.8 SPL (A) with the first harmonic currents （单位：dB）

表9 第二组复合频率电流作用下噪声对比数据 Tab.9 SPL (A) with the second harmonic currents （单位：dB）

由3.2.1 节和3.2.2 节中实验数据可以看出，双底面可以高效地降低电容器底面噪声，降噪量大约8～15dB，而且具有宽频带的特性，所测频率点都有较大的降噪量。而且成本小，制作工艺简单，易于批量生产，具有较高的工程应用价值。

3.3 交错式电容器布置方式降噪实验结果

由于受到实验条件限制，在消声室内仅对两台电容器和四台电容器分别就常规放置方式和交错放置方式做了相关的噪声对比试验，实验中电容器交错放置方式如图9 所示，交错距离14cm，电容器间距为常规间距10cm。

图9 电容器交错放置实验布置 Fig.9 The overlap arrangement of capacitor for test

加载70A 的11 次谐波电流激励，实验结果如图10 和图11 所示。

从图10 和图11 中可以看出，在顶部和底部正对的区域，交错式布置方式的电容器噪声比常规布置方式的电容器噪声得到有效控制，特别是四台电容器实验结果中底部正对区域和顶部正对区域降噪量达到10dB；而远离正对面的辐射区噪声降低量不 显著，并且个别测点如图11 中测点5 噪声反而升高，这是因为该测点偏离顶部正对区域，来自侧面的噪声与顶面噪声叠加使得该处噪声升高。

图10 两台电容器不同放置方式的噪声 Fig.10 SPL (A) of two capacitors

图11 四台电容器不同放置方式的噪声 Fig.11 SPL (A) of four capacitors

由于受到消声室空间的限制，布置的测点距离电容器较近，并且只有一层电容器，因此实验结果只是部分反映了交错式布置的降噪效果，如图 3b的远场噪声实验不易实现。本小节实验证实了电容器交错布置方式噪声辐射面正对的区域噪声降低效果显著，与2.2 节理论计算的图4 结论符合。

4 实际应用讨论

双底面型电容器可以有效降低单台电容器最大噪声辐射部分的噪声辐射量，这将对电容器塔等尺寸较大的装置起到降低总体噪声辐射量的作用。由于双底面不利于电容器底部的散热，所以还需要对双底面对电容总体温升的影响进行考察，考虑到底面面积较小，对整体散热影响应该不大。

有源主动降噪主要根据声探头测得的声波波形，然后通过控制发声器件在同向发出频率一致而相位相反的声波来抵消原噪声，以达到降低固定区域噪声水平的目的。电容器阵列交错式布置方式是在不改变电容器结构和不增加额外成本的情况下合理地调整电容器的布置，使一批电容器在辐射面上发出的噪声与另一批电容器在该辐射面上发出的噪声满足相位相反的条件，从而可以如同有源主动降噪一样利用声波叠加原理有效降低电容器塔周围的噪声水平。交错式放置方式不仅可以用在同层电容器之间，还可以对不同层的电容器进行合理的布置，综合布置可以获得更好的降噪效果。采用这种交错布置方式的电容器塔需要比采用常规布置方式的电容器塔在水平方向上多占用十几厘米的空间，即交错距离，因此需花费一定的土地成本，但是远比采用声屏障所花费的土地成本低。这种方式也略增大了等效的散热面积，更有利于散热。在应用中，这种降噪方式需要根据电容器上流过的主要谐波电流情况合理设计电容器交错放置的尺寸，设计依据见2.2 节。

5 结论

为降低高压直流换流站内滤波电容器装置的噪声，对单台电容器和电容器塔分别提出了双底面型低噪声电容器和电容器阵列的交错式布置方式。根据研究得到如下结论：

（1）双底面型低噪声电容器能够比常规电容 器在噪声辐射量最大的底面降低噪声约10dB。

（2）电容器阵列的交错式布置方式比常规放 置方式在正对辐射面的区域内能大幅降低可听噪声。

在电容器交错式布置方式中，可以深入研究合理的布置方式使得电容器塔的噪声辐射区噪声最小，这是个优化的问题，需要借助相关软件解决。

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