干式空心濾波電抗器降噪技術(shù)研究與實(shí)施

陳 棟，王麗君，劉 飛，金文德，陳曉剛，趙建輝，許甫茹，謝亞男

(1. 西安中揚(yáng)電氣股份有限公司，陜西西安 710075；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江杭州 310007)

0 引 言

我國(guó)的特高壓輸電工程項(xiàng)目，對(duì)協(xié)調(diào)我國(guó)資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡性、節(jié)約輸電走廊、降低網(wǎng)損、提高輸電能力具有重要意義，由此帶動(dòng)我國(guó)電工裝備在電壓等級(jí)、輸送容量、輸電經(jīng)濟(jì)性等方面都達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平[1]。但特高壓輸電工程中的換流站會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，當(dāng)諧波電流流經(jīng)濾波系統(tǒng)時(shí)，會(huì)在電抗器等設(shè)備上產(chǎn)生大量噪聲，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響，有些甚至影響到換流站周圍居民的正常生活[2-6]。

本文從干式空心電抗器噪聲振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理著手，結(jié)合±500 kV寶安換流站交流濾波場(chǎng)12/24通道的“L2”交流干式空心濾波電抗器噪聲超標(biāo)項(xiàng)目，進(jìn)行了干式空心電抗器的低噪聲化研究，從本體降噪及輔助降噪相結(jié)合的方式提出多個(gè)降噪方案，并對(duì)各方案進(jìn)行逐一試制和試驗(yàn)比對(duì)，匯總實(shí)施效果，提出了一種能夠有效降低電抗器噪聲水平的降噪裝置，解決了工程問題。

1 干式空心電抗器噪聲原理及特點(diǎn)

1.1 干式空心電抗器噪聲原理

干式空心電抗器線圈由一個(gè)或多個(gè)包封層組成，采用電工鋁導(dǎo)線繞制，環(huán)氧樹脂浸漬玻璃絲包繞形成包封，包封間有絕緣撐條，每個(gè)包封的引出線匯集于兩端的鋁制星形架上，作為電抗器電流的輸入和輸出端，繞制完成經(jīng)高溫固化成型為圓筒式結(jié)構(gòu)。

電抗器噪聲的產(chǎn)生原因：當(dāng)交流電流通過繞組時(shí)，會(huì)在繞組內(nèi)部及外部產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)反過來(lái)作用于載流的線圈繞組，對(duì)繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)力[7]，因交變電流隨時(shí)間變化，磁場(chǎng)的大小和方向隨之變化，因此繞組受到的磁場(chǎng)力發(fā)生變化引起繞組振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生的位移通過繞組之間的撐條傳遞，形成振動(dòng)模態(tài)，從而產(chǎn)生噪聲[8-11]。

對(duì)于干式空心電抗器，各個(gè)繞組及各線匝所受的磁場(chǎng)力不同，但各點(diǎn)受力大小F與該點(diǎn)的電流I及該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比，與電流的平方成正比，其關(guān)系為[3]

利用半角公式展開磁場(chǎng)力與電流的時(shí)域函數(shù)，可得到頻率為f的單頻正弦電流所形成的磁場(chǎng)力F為[7]

其中：kh為系數(shù)，由幾何尺寸及導(dǎo)磁系數(shù)確定，與電流I的大小、頻率無(wú)關(guān)；A(I)為電流幅值的函數(shù)。

式(2)表明，頻率為f的單一電流I產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)于預(yù)先施加的靜態(tài)磁場(chǎng)力和一個(gè)主振頻為2f的磁場(chǎng)力Fv。

任意兩個(gè)電流i1、i2流過電抗器則形成其他頻率的磁場(chǎng)力。經(jīng)過公式換算，可產(chǎn)生頻率為2f1、2f2、(f1+f2)、(f2-f1)的磁場(chǎng)力[12]。

繞組振動(dòng)的振幅又與速度及電磁力大小成正比，繞組噪聲的聲功率W與振動(dòng)速度v的平方及電磁力F的平方成正比，與負(fù)載電流I的四次方成正比，其關(guān)系為[3]

其中：ω為聲的角頻率(s-1)；x為振動(dòng)幅值(m)。

1.2 干式空心交流濾波電抗器噪聲特點(diǎn)

換流站中交流濾波場(chǎng)電抗器擔(dān)負(fù)著濾除各次諧波的任務(wù)，因此電抗器中流過的電流除基波電流外，還有其他的交流諧波分量。由式(2)可以得出，換流站內(nèi)干式空心濾波電抗器產(chǎn)品上流過的各次交流諧波電流相互作用會(huì)產(chǎn)生出更多頻率、更高幅值的磁場(chǎng)力，因此其噪聲水平經(jīng)常很高。

文中涉及的貴州至廣東±500 kV寶安換流站項(xiàng)目，其濾波通道“L1”電抗器和“L2”電抗器，通流電流較大的諧波頻率就有1、5、9、11、13、23等頻次，特別是11、13次頻率的電流，造成該通道原安裝電抗器聲功率級(jí)(文中的聲功率級(jí)皆為A計(jì)權(quán)聲功率級(jí))測(cè)試結(jié)果約105 dB(A)，換流站周圍可聽噪聲較大，站址附近居民受噪聲影響大，投訴較多，導(dǎo)致貴州至廣東第二回直流工程無(wú)法通過環(huán)保驗(yàn)收。

2 交流濾波電抗器降噪技術(shù)研究

通過對(duì)寶安換流站交流場(chǎng)濾波電抗器諧波電流頻譜的分析，研發(fā)生產(chǎn)了低噪聲交流濾波電抗器，再經(jīng)過多項(xiàng)降噪方案的綜合應(yīng)用，最終滿足聲功率級(jí)不大于85 dB的要求。

2.1 方案一：導(dǎo)線結(jié)構(gòu)形式及工藝措施的改進(jìn)

首先從產(chǎn)品生產(chǎn)工藝上，一方面采用高強(qiáng)度的改性環(huán)氧固化體系，提高固化物的強(qiáng)度和韌性，另外，對(duì)固化包封進(jìn)行應(yīng)力設(shè)計(jì)，在繞制過程中增加綁扎，提高環(huán)氧復(fù)合材料的密實(shí)度和機(jī)械強(qiáng)度等，從而提高電抗器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性。

對(duì)同一型號(hào)交流濾波器電抗器，分別采用不同結(jié)構(gòu)形式的鋁導(dǎo)線進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，驗(yàn)證導(dǎo)線結(jié)構(gòu)形式對(duì)產(chǎn)品噪聲振動(dòng)的影響。

2.2 方案二：改變產(chǎn)品高度

選用方案一中經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證性能較好的產(chǎn)品工藝及導(dǎo)線結(jié)構(gòu)形式，對(duì)同一型號(hào)的交流濾波器電抗器，分別采用了不同的高度設(shè)計(jì)，擬通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)改變固有自振頻率，避開外界的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改變對(duì)噪聲大小的影響。

2.3 方案三：改變隔聲罩的安裝布置方式

通過改變產(chǎn)品高度，改變了產(chǎn)品的固有自振頻率，在此基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，調(diào)整隔聲罩的安裝布置方式，將罩體與線圈本體脫離，降低罩體與線圈接觸的振動(dòng)傳遞，避免聲波產(chǎn)生耦合共振降低隔聲效應(yīng)。隔聲罩體采用圓形筒狀，內(nèi)壁與線圈外表面的設(shè)計(jì)距離大于100 mm，以便罩體更好地發(fā)揮隔聲功效。

2.4 方案四：外部隔聲裝置的改進(jìn)

按照交流濾波器電抗器的空氣聲傳播途徑，采用“穿衣戴帽、衣帽連體”的外部隔聲罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在方案三獨(dú)立隔聲罩上加設(shè)帽體，帽體和隔聲罩之間直接無(wú)縫相連，以降低該部分噪聲對(duì)環(huán)境的輻射強(qiáng)度。

鑒于該交流濾波電抗器運(yùn)行環(huán)境比較苛刻，空氣濕度較大，有一定的鹽霧等級(jí)，電場(chǎng)強(qiáng)度較高，隔聲罩內(nèi)部的線圈上下電位差較大，故隔聲罩內(nèi)表面未粘貼吸聲材料，以免因?yàn)槲匠睔馕鄯x，降低線圈的外絕緣性能，影響設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.5 方案五：消聲裝置設(shè)計(jì)

電抗器線圈外加裝了外部隔聲裝置后，冷空氣從隔聲罩下部進(jìn)入，從上部通風(fēng)口流出，解決了線圈的散熱問題，但是進(jìn)出風(fēng)口也成為噪聲的輻射口。為了減少噪聲通過散熱通道的向外發(fā)散，在方案四帽體上部通風(fēng)口和隔聲罩下部通風(fēng)口處分別加裝消聲筒，進(jìn)一步進(jìn)行消聲處理。其部件具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。消聲筒的消聲性能主要與其直徑、長(zhǎng)度以及吸聲材料的性能有關(guān)[13-16]。消聲筒消聲量可按式(4)進(jìn)行計(jì)算[17]：

其中：φ(a0)為材料吸聲系數(shù)，a0為正入射吸聲系數(shù)；P為消聲筒通道截面周長(zhǎng)(m)；S為消聲筒通道截面面積(m2)；L為消聲筒的有效長(zhǎng)度(m)。

吸聲材料選擇吸聲系數(shù)大、絕緣強(qiáng)度高、耐熱性能好、使用壽命長(zhǎng)、耐老化性好的多孔材料。經(jīng)過設(shè)計(jì)，隔聲罩上方的消聲筒、隔聲罩下部的消聲筒如圖1(b)所示。

圖1 消聲裝置部件示意圖Fig.1 Component diagram of silencing device

對(duì)以上五種降噪方案進(jìn)行綜合應(yīng)用，研發(fā)生產(chǎn)了低噪聲交流濾波電抗器，將電抗器與隔聲消聲裝置進(jìn)行整體安裝，效果如圖2所示。低噪聲的電抗器設(shè)計(jì)制造完成后，在廠內(nèi)進(jìn)行了組裝及試驗(yàn)，廠內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖2 隔聲消聲裝置整體安裝效果圖Fig.2 Overall installation of sound insulation and silencing device

圖3 在廠內(nèi)進(jìn)行的低噪聲電抗器試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Test site of low noise reactor in factory

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 噪聲試驗(yàn)

以上各方案試制完成后通過噪聲測(cè)試驗(yàn)證各方案的降噪效果。試驗(yàn)時(shí)電抗器底部距地面高度為0.8 m，聲級(jí)計(jì)離電抗器表面3 m處，對(duì)電抗器線圈高度的H/3和2H/3位置上沿圓周方向進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，這種測(cè)量方法符合GB/T 1094.10—2003電力變壓器第10部分：聲級(jí)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)要求[18]。

對(duì)電抗器逐次施加單一頻率的諧波電流，記錄各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)水平，并按照GB/T 1094.10—2003標(biāo)準(zhǔn)要求、計(jì)算方法等對(duì)產(chǎn)品的噪聲水平進(jìn)行計(jì)算和修正，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)噪聲平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，進(jìn)而計(jì)算得A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)。各方案實(shí)施后的噪聲測(cè)試結(jié)果匯總整理如表1所示。產(chǎn)品的噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

圖4 噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖Fig.4 Comparison of noise test results

表1 電抗器不同降噪方案的噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Noise test data of different reactor noise reduction solutions

需要說明的是，各次測(cè)量時(shí)間雖然不同，但本著以下原則予以施加負(fù)載：保證同一頻率下相同幅值電流。除第二方案僅施加了11次諧波(550 Hz)電流外，其余都分別施加了1、11、13、23次諧波電流進(jìn)行試驗(yàn)，基本保證測(cè)試結(jié)果在同一條件背景噪聲39.4 dB(聲壓級(jí))下進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)噪聲試驗(yàn)結(jié)果分析可得：

(1) 經(jīng)過試制對(duì)比，工藝措施的改進(jìn)和導(dǎo)線形式的不同，可以從一定程度上改善振動(dòng)和噪聲的幅值，但是幅度有限，不能完全解決振動(dòng)和噪聲問題。

(2) 方案二測(cè)試結(jié)果表明：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變，調(diào)整了電抗器的固有自振頻率，在背景噪聲增大的情況下，聲功率級(jí)仍有所減小。

(3) 方案三測(cè)試結(jié)果：較之與線圈一體的隔聲罩連接方式，調(diào)整后的電抗器噪聲減小了3 dB(A)。因此驗(yàn)證了線圈作為噪聲源，當(dāng)外加隔聲罩時(shí)，在罩內(nèi)的駐波諧振和罩殼的諧振頻率下，或在設(shè)備與隔聲罩通過空氣介質(zhì)耦合而發(fā)生共振等情況時(shí)，隔聲罩不僅起不到隔聲的作用，甚至?xí)兂稍肼曉吹摹胺糯笃鳌?，所以需要隔聲罩罩體脫離線圈并保持與其表面有一定距離。

(4) 方案四測(cè)試結(jié)果：降噪效果約為5～8 dB(A)。這表明“穿衣戴帽”式隔聲裝置設(shè)計(jì)，能夠在全方位阻隔噪聲的發(fā)散。

(5) 方案五測(cè)試結(jié)果表明：采用隔聲裝置的電抗器在增加了消聲裝置后，其11、13次諧波噪聲的降噪效果又有明顯提升，11次噪聲從89 dB(A)降至71 dB(A)，13次噪聲從87降至69 dB(A)，總聲功率從93 dB(A)降至75 dB(A)，總體降噪約18 dB(A)。

3.2 溫升試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)該濾波電抗器采取最終方案后，其溫度場(chǎng)能否滿足技術(shù)要求，廠內(nèi)對(duì)產(chǎn)品安裝整體隔聲、消聲裝置后，進(jìn)行了溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果：繞組最高溫度78.5℃，環(huán)境溫度25℃，滿足溫升要求，說明該隔聲裝置的設(shè)計(jì)滿足電抗器通風(fēng)散熱的需求。

電抗器是換流站的重要設(shè)備之一，為了進(jìn)一步驗(yàn)證加裝隔聲裝置的電抗器能否滿足溫度場(chǎng)要求，在極端溫度下對(duì)電抗器的溫度進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。寶安換流站屬于濕熱型環(huán)境條件，夏季極端最高平均溫度為36 ℃，冬季極端最低平均溫度為1 ℃，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境空氣相對(duì)濕度100%；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試是在夏季極端天氣下進(jìn)行，測(cè)試產(chǎn)品運(yùn)行的最高溫度為78℃，產(chǎn)品運(yùn)行溫度滿足要求值；寶安站自2018年10月投入運(yùn)行至今，產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)

通過試制研究及對(duì)上述方案進(jìn)行匯總后，對(duì)±500 kV寶安換流站噪聲治理工程二期雙調(diào)諧濾波電抗器進(jìn)行了技術(shù)改造，項(xiàng)目完成后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了噪聲實(shí)地測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖5所示。改造前后噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2所示。

圖5 ±500 kV寶安換流站濾波電抗器現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Filter reactors in±500 kV Bao’an converter station

表2 交流濾波電抗器現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of noise test results of AC filter reactor

測(cè)試結(jié)果表明：通過生產(chǎn)工藝改進(jìn)、采用合理的隔聲罩布置方式、改變線圈固有的自振頻率、加裝隔聲、消聲裝置等降噪方案制作的低噪聲濾波電抗器，現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試聲功率治理前為105 dB(A)，治理后為84 dB(A)，背景噪聲60 dB(A)(聲壓級(jí))，噪聲降低了約21 dB(A)；廠內(nèi)試驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試結(jié)果因測(cè)試環(huán)境、比對(duì)基數(shù)不同，結(jié)果略有差異?？偟膩?lái)說，低噪聲濾波電抗器降噪效果明顯，完成目標(biāo)任務(wù)。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)噪聲產(chǎn)生原理的分析，掌握干式空心電抗器振動(dòng)的產(chǎn)生、傳遞規(guī)律，以解決±500 kV寶安換流站噪聲治理工程二期電抗器的噪聲問題為目的，從本體降噪和輔助降噪兩方面，提出多種降噪方案并予以實(shí)施驗(yàn)證，最終完成一種低噪聲干式空心濾波電抗器結(jié)構(gòu)。

通過改進(jìn)工藝、提高制造質(zhì)量、控制振動(dòng)的產(chǎn)生和耦合，結(jié)合調(diào)整電抗器結(jié)構(gòu)尺寸、重量與自振頻率的關(guān)系消除共振的產(chǎn)生等本體降噪措施達(dá)到一定的降噪效果。

通過開發(fā)隔聲消聲構(gòu)件、裝置和材料等輔助降噪措施，形成低噪聲干式空心濾波電抗器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)性地應(yīng)用在產(chǎn)品中，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)降噪21 dB(A)的明顯效果。

研制過程進(jìn)行的多種方式的嘗試，對(duì)電抗器噪聲控制研究積累了一定的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后研究工作的改進(jìn)和深入以及具體工程的應(yīng)用推廣都具有積極意義。