特高壓干式平波電抗器用隔聲罩及無(wú)磁金屬

田一,樊超，劉方，趙發(fā)平，佘彥杰，方濤，肖偉民

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102211；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司洛陽(yáng)供電公司，河南 洛陽(yáng) 471000；3.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054）

引言

近年來(lái)，為滿足跨區(qū)域、長(zhǎng)距離輸電的要求，電工裝備的電壓等級(jí)、額定容量不斷提升，其運(yùn)行噪聲水平隨之提升，導(dǎo)致噪聲投訴時(shí)有發(fā)生。有關(guān)方面針對(duì)變電站、換流站噪聲超標(biāo)問(wèn)題，啟動(dòng)了“十三五”噪聲超標(biāo)滾動(dòng)治理計(jì)劃，致力于營(yíng)造良好的電網(wǎng)聲環(huán)境，確保變電站、換流站在治理后廠界噪聲水平符合《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12348—2008）的規(guī)定。

高壓平波電抗器是高壓直流輸電工程的重要設(shè)備之一，在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，為實(shí)現(xiàn)換流站廠界噪聲達(dá)標(biāo)，需配置隔聲罩對(duì)其加以控制。但由于平波電抗器線圈中流通交變電流，產(chǎn)生高強(qiáng)度感應(yīng)磁場(chǎng)，隔聲罩與電抗器本體中的主要受力部件若采用磁導(dǎo)率較高的碳鋼材質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磁化現(xiàn)象和渦流發(fā)熱效應(yīng)，不僅增大了損耗，還導(dǎo)致鋼構(gòu)件長(zhǎng)期處于高溫工作狀態(tài)，甚至影響設(shè)備安全運(yùn)行。因此，本文針對(duì)特高壓平波電抗器的噪聲特性，設(shè)計(jì)了一套隔聲罩裝置，使用不銹鋼等無(wú)磁金屬進(jìn)行連接、承重，并采用試驗(yàn)方法驗(yàn)證了隔聲罩的降噪效果和無(wú)磁金屬的發(fā)熱狀況。

1 平波電抗器隔聲罩應(yīng)用設(shè)計(jì)

以某800kV/6250A特高壓直流干式平波電抗器為噪聲治理目標(biāo)，該設(shè)備共有25層包封，額定電感150mH，冷卻方式為自然空冷，其主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由于包封位于高空，需采用隔聲罩全面切斷噪聲傳播通道。

圖1 特高壓平波電抗器主要結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電抗器用隔聲罩由防雨帽、頂部桶型罩和中部桶組成，總體重量約為8t。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需保證各構(gòu)件機(jī)械強(qiáng)度滿足承重要求，同時(shí)不影響電抗器的運(yùn)行。為此，做出如下設(shè)計(jì)：1）為確保良好的絕緣性能，隔聲罩主要材質(zhì)選用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂 。該材料比重為1.6～2，低于金屬鋁，其抗拉強(qiáng)度約為551.6MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)310.3MPa，與AISI1008冷軋鋼相當(dāng)。此外，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的燃燒性能達(dá)到《塑料 燃燒性能的測(cè)定 水平法和垂直法》（GB/T 2408—2008）規(guī)定的V～0級(jí)，試驗(yàn)中的材料樣品被50W火焰點(diǎn)燃后，火焰在10s內(nèi)熄滅，無(wú)燃燒物掉下，基本滿足換流站安全服役要求；2）隔聲罩中部桶由多個(gè)圓弧形壁板組成，采用插入拼接式連接方式，并通過(guò)不銹鋼螺栓在拼接位置進(jìn)行加固；3）隔聲罩上下為開口設(shè)置，便于空氣流通和包封散熱。為防止噪聲從隔聲罩底部向下傳播，選擇在底部設(shè)置消聲片。

1.2 聲學(xué)設(shè)計(jì)

隔聲罩中的主體隔聲構(gòu)件為圓筒形壁板和底部消聲片，二者的聲學(xué)性能直接決定降噪效果。隔聲壁板采用多層吸隔聲復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以雙層夾心式玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)保板為主體，通過(guò)中間填充100mm厚，容重48kg/m3玻璃棉，提高附加插入損失，并增強(qiáng)低頻吸聲效果。針對(duì)平波電抗器噪聲的頻譜特征，在設(shè)計(jì)壁板的面密度時(shí)，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

R——壁板的隔聲量，dB；

M1、M2——壁板中2層板材的面密度，kg/m2；

f——頻率，Hz；

ΔR——空氣附加層隔聲量，dB，由于中間全部填充玻璃棉，故ΔR為0。

平波電抗器噪聲主要集中在100Hz及其倍頻上，根據(jù)噪聲測(cè)試結(jié)果，其100Hz聲壓級(jí)可達(dá)85dB，為將噪聲整體控制在70dB以下，針對(duì)100Hz的降噪量設(shè)計(jì)為20dB。最終得到壁板的面密度為6.67kg/m2。

對(duì)于隔聲罩底部的消聲片，為實(shí)現(xiàn)同樣良好的低頻消聲效果，通過(guò)查詢“降噪材料、降噪構(gòu)件、降噪裝置基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)”，最終得到消聲片的關(guān)鍵參數(shù)：片厚100mm，采用30kg/m3聚酯纖維作為消聲材料，為不影響包封的通風(fēng)散熱，消聲通道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1m，其整體消聲量達(dá)23dB。聚酯纖維的燃燒性能等級(jí)達(dá)B1級(jí)，符合《變電站降噪材料和降噪裝置技術(shù)要求》（Q/GDW 11277—2014）的規(guī)定。

1.3 組配連接設(shè)計(jì)

隔聲罩中部桶與包封下星形架通過(guò)緊固件連接，由星形架底部不銹鋼立柱提供承重功能；頂部桶型罩與中部桶相互拼接，通過(guò)不銹鋼螺栓在等位線上進(jìn)行緊固；防雨帽通過(guò)不銹鋼立柱，固定在桶型罩上方。

2 無(wú)磁金屬的應(yīng)用

平波電抗器隔聲罩在應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)揮結(jié)構(gòu)連接與承重功能的結(jié)構(gòu)件均為無(wú)磁結(jié)構(gòu)金屬，其相對(duì)磁導(dǎo)率接近于1，與空氣相當(dāng)，基本不會(huì)被磁化。通過(guò)合金化、熱處理和形變強(qiáng)化等工藝，無(wú)磁金屬具備良好的力學(xué)性能，可發(fā)揮緊固連接、承重等功能。

2.1 不銹鋼結(jié)構(gòu)件

與碳素鋼相比，不銹鋼中增加了鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、錳（Mn）等合金元素，優(yōu)化了鋼的鈍化膜成分，增強(qiáng)了鈍化作用，使得材料具有良好的耐腐蝕性、耐火性、加工性、焊接性、低溫下的塑性和沖擊韌性。由于鋼材成分中包含鎳元素，其成本略高于碳素鋼，但后期維護(hù)費(fèi)用低。不銹鋼是典型的非線性金屬材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為一條光滑的漸變曲線，沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)和屈服平臺(tái)，與普通碳素鋼的材料性能相差較大。按照組織結(jié)構(gòu)，不銹鋼可分為奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼，其中僅奧氏體不銹鋼是無(wú)磁或弱磁性。奧氏體不銹鋼的密度略高于碳鋼，電阻率約為碳鋼的5倍，線膨脹系數(shù)比碳鋼大40%，熱導(dǎo)率約為碳鋼的1/3。奧氏體不銹鋼的綜合力學(xué)性能優(yōu)良，目前已被廣泛應(yīng)用到機(jī)械、建筑、電力、汽車等領(lǐng)域。

在平波電抗器隔聲罩中，常用的不銹鋼結(jié)構(gòu)件為不銹鋼螺栓和不銹鋼立柱，其牌號(hào)以304和316為主[1]。不銹鋼螺栓具有良好的延展性和應(yīng)變硬化能力，易冷鐓制造加工，機(jī)械性能特征穩(wěn)定，在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中基本不會(huì)磁化，是平波電抗器組裝連接的關(guān)鍵構(gòu)件。不銹鋼螺栓串接在隔聲罩各構(gòu)件的等位線上，將其連接為一個(gè)整體。不銹鋼立柱設(shè)置于隔聲罩底部，共12根，與絕緣立柱一一對(duì)應(yīng)，其機(jī)械承重性能優(yōu)良。特高壓平波電抗器與隔聲罩的總重量約為50t，由底部不銹鋼立柱與絕緣立柱進(jìn)行支撐。

2.2 鋁合金結(jié)構(gòu)件

鋁合金結(jié)構(gòu)密度低、耐腐蝕性和耐久性優(yōu)良、易于維護(hù)、施工方便，能適應(yīng)惡劣建筑環(huán)境[2]，現(xiàn)已在土木工程、航空工業(yè)、機(jī)械制造、船舶等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。與不銹鋼類似，鋁合金也是典型的非線性金屬材料[3]，其彈性模量一般只有鋼的1/3，所以比鋼更易發(fā)生屈服變形。不同牌號(hào)的鋁合金力學(xué)性能差別較大，其中結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域常用的6061-T6鋁合金，其名義屈服強(qiáng)度與Q235鋼相當(dāng)，完全滿足結(jié)構(gòu)連接要求[3]。

在平波電抗器中，常用的鋁合金結(jié)構(gòu)件為鋁合金螺栓和星形架。鋁合金螺栓的抗拉強(qiáng)度低于奧氏體不銹鋼螺栓，在相同的受力條件下易產(chǎn)生較大的變形，但其加工性能良好，密度小，相對(duì)磁導(dǎo)率比不銹鋼更低。連接鋁合金構(gòu)件時(shí)，鋁合金螺栓無(wú)需進(jìn)行表面防護(hù)，不會(huì)發(fā)生接觸腐蝕現(xiàn)象。制備螺栓的鋁合金牌號(hào)主要為5056A-O、6082-T6、6061-T6和7075-T73[4]。星形架是平波電抗器的骨架，既能夾緊固定線圈，也是線圈與線路母線相連接的載流體，材質(zhì)為6063鋁合金[5]。星形架由12個(gè)30°均布的星臂和一個(gè)圓形星軸焊接而成，焊縫集中在星臂和心軸之間，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。焊接影響區(qū)內(nèi)材料的力學(xué)強(qiáng)度、延伸率較低，需制訂良好的焊接工藝，盡量減小熱輸入，避免焊縫熱裂紋的產(chǎn)生和焊后星形架變大等問(wèn)題。星形架兩端與隔聲罩內(nèi)壁通過(guò)螺栓連接，為隔聲罩提供支撐功能。盡管星形架相對(duì)磁導(dǎo)率接近空氣，但平波電抗器運(yùn)行產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度高，磁力線密度大，根據(jù)某9600kV·A干式空心電抗器溫度仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，星形架損耗為包封損耗的7%[6]，主要集中在中部星軸位置，該位置仍會(huì)出現(xiàn)一定的渦流現(xiàn)象。

圖2 星形架結(jié)構(gòu)組成

2.3 無(wú)磁鋼結(jié)構(gòu)件

無(wú)磁鋼是一種相對(duì)磁導(dǎo)率略大于1，基本不會(huì)被磁場(chǎng)磁化的鋼鐵功能材料[7]。奧氏體不銹鋼、耐熱鋼和高錳系奧氏體鋼均屬于無(wú)磁鋼，其室溫組織為穩(wěn)定的順磁性?shī)W氏體。按鋼中成分，無(wú)磁鋼可分為高Ni鋼、高M(jìn)n鋼、高Cr-Ni鋼、高Cr-Mn-N鋼等；按使用性能，無(wú)磁鋼可分為奧氏體無(wú)磁不銹鋼和非不銹無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼。為保證不銹性能和組織穩(wěn)定性，奧氏體無(wú)磁不銹鋼中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在13%以上，成本較高；一般的結(jié)構(gòu)件用無(wú)磁鋼，多數(shù)屬于Fe-C-Mn系，如早期的Hadfield鋼、德國(guó)產(chǎn)X120Mn12和X35Mn18無(wú)磁鋼等。通過(guò)冷加工硬化、固溶-時(shí)效熱處理工藝，F(xiàn)e-C-Mn系無(wú)磁鋼可具備較高的強(qiáng)度和韌性[8]。為優(yōu)化無(wú)磁鋼的切削加工性能，部分學(xué)者通過(guò)添加適量的Al元素，研發(fā)了Fe-Mn-Al系無(wú)磁鋼，使得鋼具備高強(qiáng)度、抗氧化、耐腐蝕、低密度、耐低溫等性能特點(diǎn)。目前，無(wú)磁鋼結(jié)構(gòu)件已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，如變壓器鐵心拉板、磁屏蔽、油浸電抗器的鐵心拉桿、輸電導(dǎo)線用節(jié)能金具等[9]。

平波電抗器中，可采用無(wú)磁鋼制備的螺栓、T型件進(jìn)行各部件的組裝連接。尤其是TSMF166、50Mn18Cr4V等高強(qiáng)無(wú)磁鋼，其抗拉強(qiáng)度在1000MPa以上。相較于常規(guī)的S304不銹鋼、鋁合金，高強(qiáng)無(wú)磁鋼可承受更高的載荷。

3 平波電抗器噪聲與溫升試驗(yàn)

為驗(yàn)證隔聲罩的降噪效果，分析電抗器運(yùn)行中無(wú)磁結(jié)構(gòu)件的溫度水平，在山東某電工電氣設(shè)備公司開展了平波電抗器溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)按照《高壓直流輸電用干式空心平波電抗器》（GB/T 25092—2010）的規(guī)定進(jìn)行，見(jiàn)圖3。

圖3 噪聲與溫升試驗(yàn)示意圖

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

環(huán)境溫度為25℃，相對(duì)濕度為47.35%。為了不影響空氣對(duì)流和繞組內(nèi)冷風(fēng)的補(bǔ)充，電抗器包封與地面之間的距離不小于包封厚度的2.5倍。試驗(yàn)時(shí)，電抗器設(shè)備未受到日光照射的影響，試品周圍風(fēng)速不大于0.5m/s。

3.2 噪聲測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

如圖3所示，將傳聲器固定在撐桿上，在距離隔聲罩3m的位置進(jìn)行測(cè)試。傳聲器將采集的噪聲信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸至噪聲分析系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.3 溫升測(cè)點(diǎn)布設(shè)

如圖3所示，平波電抗器每層包封上布置兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)位于風(fēng)道內(nèi)。電抗器頂部星形架的星軸、星臂和不銹鋼立柱上分別設(shè)置1個(gè)溫度傳感器。在溫升試驗(yàn)過(guò)程中，確保測(cè)溫元件與測(cè)試部件表面保持緊密接觸。

3.4 實(shí)驗(yàn)施加電流

完成傳感器設(shè)置和電抗器接線后，按照?qǐng)D4所示的時(shí)間和電流強(qiáng)度，施加實(shí)驗(yàn)電流。在整個(gè)溫升試驗(yàn)過(guò)程中，電抗器未出現(xiàn)煙霧、局部溫升異常偏高和異常放電聲響。

圖4 實(shí)驗(yàn)時(shí)間與施加電流大小關(guān)系圖

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)噪聲測(cè)試可知，干式空心電抗器的近場(chǎng)噪聲水平為66.3dB（A），噪聲水平已控制在70dB（A）以下，滿足物資采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

25層包封的溫度平均值與星形架中心圓環(huán)、星臂和不銹鋼立柱溫度對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 溫升試驗(yàn)中包封溫度與不銹鋼立柱、星形架溫度對(duì)比

由圖5可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，包封的平均溫度由30℃增加至83℃，但溫度是隨時(shí)間變化的增量不斷遞減的。由于星形架星軸處的渦流損耗效應(yīng)，該位置的溫度由27℃逐漸增加至31℃，這一溫度變化基本不會(huì)影響到星形架的機(jī)械性能。相比之下，不銹鋼立柱和星臂的溫度均保持在27℃左右，與環(huán)境溫度相當(dāng)，溫度波動(dòng)范圍均在1℃以內(nèi)，其本體未產(chǎn)生明顯的發(fā)熱效應(yīng)。

4 結(jié)論

針對(duì)某800kV/6250A特高壓直流干式平波電抗器，設(shè)計(jì)了一套隔聲罩裝置，并采用大量無(wú)磁金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行組裝連接，主要結(jié)論為：

（1）所研制的隔聲罩具有良好的降噪效果，通電后平波電抗器噪聲控制在66.3dB（A），滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）各類無(wú)磁金屬結(jié)構(gòu)件具有良好的無(wú)磁性能，最大溫升值為4℃，出現(xiàn)在星形架中心星軸位置。