换流站电容器装置振动与噪声特性分析

沈 琪 汲胜昌 任 杰 吴 鹏 王 颂

（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.江苏省电力公司电力科学研究院 南京 210036 3.中国南方电网超高压输电公司广州局 广州 510663）

1 引言

相对于交流输电系统，高压直流输电系统在远距离、大容量输电方面具有显著优点，因此近些年来在我国发展迅猛。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[1]。随着直流输电电压等级的提高、输送功率的增大，直流换流站中装设的滤波及并联电容器的台数随之增加，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，使得电容器装置成为换流站中噪声的主要来源之一。中国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最大达到了89.7dB[2-4]。在CIGRE的报告[5]中也提及，直流换流站电容器塔的噪声能够达到105dB。因此滤波电容器装置的可听噪声污染已经成为一个不可忽视的问题。

对电容器装置产生的噪声进行测量和分析，是研究电容器噪声产生机理和抑制措施的基础。美国的M.D.Cox 等人最早对电容器装置的噪声水平（A计权的声压级）进行了测量，结果表明：当流过每台电容器的电流中含有大幅值的高次谐波成分时，电容器装置的噪声水平与变压器的相当[6]。ABB 公司技术中心的Jan Smede 等人提出了风向、气温等环境条件会直接影响换流站站内的可听噪声水平的测量结果，为了比较有效地评估噪声水平，应在顺风向、风速1～5m/s的条件下进行测量[7]。近几年来，国内对直流换流站电容器装置的噪声水平进行了大量测量与分析工作，考虑了直流系统的运行方式（单极或双极）、输送功率大小等因素的影响[2-4,8]。但目前国内外学者只是关心电容器装置周围声压级的大小，并未对噪声频谱特征与流过电流的关系等进行研究，因此无法为电容器装置噪声的抑制提供参考。另外，国内外在测量电容器装置噪声水平时都是使用声压计，易受到其他设备噪声的影响，对于有多个噪声源的换流站更是如此。相比而言，直接测量电容器装置表面的振动信号能够更直接地对产生噪声污染的根源进行分析，并且不会受到周围设备、天气条件等的影响，能够间接地体现出电容器装置噪声的水平及特性。

本文通过建立激光振动测量系统和基于传声器的噪声测量系统，对换流站中正在运行的电容器装置的振动及噪声信号进行测量，研究谐波电流与单台电容器振动之间的关系，分析整个电容器塔架的振动特性；同时根据测量得到的交流滤波场的噪声水平，分析电容器装置整体噪声辐射的方向性。这对于合理有效的电容器装置降噪措施的提出具有重要的意义。

2 电容器装置振动与噪声的测量

2.1 振动及噪声测量系统的构成

2.1.1 测量对象

测量的电容器装置位于南方电网某±500kV 换流站内的220kV 交流滤波场，电容器是由诺基亚电容器有限公司生产的，其电容值为33.0μF，容量为565kvar。整体电容器装置如图1 所示。

图1 220kV 交流滤波场电容器装置Fig.1 The capacitor installation in the 220kV filtering field

2.1.2 振动测量系统

考虑到测量人员的安全性，图1 所示的围栏之内的电容器装置区域并不允许靠近，也就是说基于传统压电式振动传感器的测量系统不适用于换流站中的电容器装置。为了实现振动信号的无接触式“遥测”，本文建立了基于激光测振仪的振动测量系统，如图2 所示。

图2 激光测振系统Fig.2 Laser vibration measuring system

图2 中，激光测振仪能在一定距离内准确地测量电容器装置表面的振动速度信号，且其发射的激光能量很弱，不会影响被测设备的运行。表1 是该激光测振仪在各测量范围下的换算系数和测量精度。激光测振仪将测量得到的振动速度转换成电压信号，通过电缆与最高采样频率为500kHz的数据采集卡相连，最后由USB 数据线输入笔记本电脑进行存储。

表1 激光测振仪技术参数Tab.1 The technical parameter of laser vibrometer

2.1.3 噪声测量系统

换流站中对滤波场周围噪声测量的系统如图3所示。

图3 噪声测量系统Fig.3 Noise measuring system for capacitor

图3 中，交流滤波场中的主要噪声源为电容器装置、高低压电抗器和电阻箱。噪声传感器是由电容型传声器和前置放大器组合而成，两者共同工作可以把声音信号转换成电压信号。传声器的灵敏度为50mV/Pa，前置放大器的增益为20dB，两者的频率响应范围在10～20kHz 之间，并通过USB 数据线连接到电脑，显示和记录噪声时域波形。

2.1.4 现场环境对测量系统的影响

振动测量系统采用激光测振仪测量声源表面的振动速度信号。一般情况下，声源表面受到环境中噪声声波的影响会感应一部分能量而出现微弱的振动信号，这将对声源自身的振动信号产生干扰；但相比空气，电容器和塔架的密度大，单位体积内的质量较大，由空气入射的声波在振动面上几乎完全被反射，并且通过对附近未运行电容器装置的振动测量，也说明了环境噪声不会对信号的测量结果造成影响。

对于噪声信号测量系统，由于无法采取有效的措施屏蔽环境噪声的影响，因此在满足风向和温度等测量条件的情况下，选择背景噪声较小的时间内进行测量。

2.2 振动及噪声信号测量过程

2.2.1 电容器装置振动信号的测量

电容器装置主要由电容器和金属塔架组成，因此振动信号主要来自这两个部分。

对于装置上的电容器，其型号相同，并以同一种方式固定在塔架上，这决定了每台电容器具有相同的固有振动特性；另外，装置上的每两台电容器并联为一组，若干组串联而成，这种连接方式决定了流过每一台电容器的激励电流及其两端的电压均相同，也就是说，各个电容器受到的电应力是相同的。由上述两点可知，每台电容器外壳具有相同的振动特性，可以选取任意一台电容器作为测量对象。测量振动信号时，将激光测振仪固定在距离地面高度为1.5m的金属支架上，在滤波场护栏外，与电容器装置大约3.0m的距离进行测量。由于物体表面对垂直入射的激光具有比较理想的反射，而电容器装置底层距离地面高度为1.8m 左右，与激光测振仪基本在同一高度，因此选取底层塔架上靠外侧的电容器作为测量对象。电容器外壳测量点位置分布如图4 所示。

图4 电容器外壳振动测量点分布图Fig.4 Vibration measuring point arrangement of capacitor shell

金属塔架的振动主要来自于其上固定的电容器。为了说明每一层塔架振动之间的差异，需要测量各层金属塔架横梁中点的振动数据。但随着塔架高度的增加，激光测振仪的激光束与测量面之间产生一个仰角，并随着高度的增加而增大，这在计算实际振动数据时需要修正，即仰角修正问题。

2.2.2 交流滤波场噪声信号的测量

交流滤波场周围噪声信号的测量是为了分析滤波场内所有噪声源在各方向辐射的噪声情况。滤波场中的噪声源主要包括电容器装置、电抗器和电阻箱，因此建立如图5 所示噪声测量点分布图。图中实线表示各个噪声源的轴对称线，虚线表示相邻噪声源之间的中点线。

图5 噪声信号测量点分布图Fig.5 Noise vibration measuring point arrangement

噪声传感器固定在距离地面1.5m的支架上，距离交流滤波场护栏大约0.5m，并按照图5 中所示间隔逐点测量噪声信号。测量时需要注意风速和风向对测量的影响，一般在风速为1～5m/s的条件下进行测量比较理想。现场利用热敏风速计，在 0～10m/s 范围内可以准确地测量风速，精度达到0.01m/s。对部分测量点处测得风速值进行平均，得到平均风速大约为1.30m/s，此时测得的噪声信号符合要求。

2.3 振动信号的仰角修正

激光测振仪是利用激光多普勒效应的原理来测量物体表面振动的。对于垂直反射的激光信号，测振仪能够准确地采集并显示振动波形。但由于现场条件的限制，需要对高度大于激光测振仪水平高度的塔架横梁表面进行较大仰角的测量，势必影响测量的准确性，因此应对测得的数据进行仰角修正。图6 是激光测振仪测量物体表面振动速度的原理示意图。图6 中S为激光测振仪的光源及光波接收器，并保持相对静止；P为物体表面振动的初始位置，P′为振动表面在下一时刻δt的位置，其法线方向的振动速度为v。当物体表面位于P处时，激光测振仪发射的激光束SP照射到P处产生散射，反射光沿PS返回并被光波接收器接收，总光程为

图6 激光测振仪测量原理示意图Fig.6 The measuring principle of laser vibrometer

经过δt后，物体表面运动至P′处，此时的光程为

因此在δt时间内，光波接收器中接收到的激光光程差为

由于振动的位移PP′远小于入射光程SP和反射光程SP′，所以可以忽略SP和SP′的夹角，得到

因此，光程差为PP′+P′P。假设n是沿从光源到反射面，再回到接收器光路上的波数或周期数，则在无限小的时间间隔δt中，假设P移动到P′的距离为vδt，v为反射面振动速度。在光程中周期数将减少为[9]

式中，λ和λ″分别为散射前后的波长，式（5）可以表示为

由于fλ=f″λ″=c，并且

则

在一般情况下，不需要区分λ和λ″，这样就可得到一级近似的多普勒频移

根据激光多普勒效应的原理得到ΔfD，并通过激光测振仪内部运算电路得到反射光方向的速度v1，结合θ角可以计算出物体法线方向振动速度v。

仰角θ可以从图6 中物体和激光测振仪的高度及两者之间的距离来确定。

所以由以上推导可知实际振动速度为

表2 所示是每一层电容器塔架的高度及测量距离。其中，H2是激光测振仪高度，L为激光测振仪与电容器塔架的水平距离，H1是测量点位置高度，Th1～Th1分别表示由下往上的第一层至第五层。据此，根据式（10）可以计算得到1～5 层测量点，在不同离地高度下的仰角θ的余弦值（见表2），后续的塔架振动数据将据此进行修正。

表2 塔架测量点数据Tab.2 The measuring data of capacitor frame

3 试验结果及其分析

3.1 电容器振动与电流频率的关系

电容器是由多个电容单元串并联组成的，每一个电容单元又是由两块铝箔片和中间所夹的绝缘介质绕制而成的，因此电容器可以看作是由无数个平板电容串并联而成。当电容器中流过交流电流时，在每一个电容单元两端形成交变的电压，该电压在介质中产生交变的电场，因此金属铝箔片在电场中受交变的静电力作用而产生振动，并最终传递到外壳。根据平行板电容器极板的受力分析可知，两个极板之间的吸引力为

式中，C为电容器的电容量，以A为极板面积，则电容C的表达式为

当平行极板之间的距离为d时，利用式（12）～式（14）可以得到两个极板之间的吸引力F(t)为

对于电容器单元的某一个极板，其振动方向始终在同一直线上，可以近似为单自由度系统的受迫振动，受迫力就是静电力F(t)。因此，极板振动的运动方程可表示为

式中，m为极板质量；c为极板的粘性阻尼系数；k为极板的刚度，这些参数均是与极板的材料和结构有关的常量。x(t)为极板相对平衡位置的位移，加速度。为了得到加速度与电压之间的近似表达式，忽略极板的粘性阻尼系数和刚度，即得到

对于单频率电压信号u(t)=Unsin(ωt)，代入式（15），可得

从上式可见加速度信号的频率为所加激励信号频率的两倍，而当激励电压含有较多谐波频率时，如

对电压进行二次方展开后，将得到更加复杂的频率分量，主要包括2ωi和ωi±ωj。所以在测量振动信号的同时，还需要了解激励电压的频率情况。换流站中在主控室可以得到滤波电路上的电流数据，而电容器两端的电压与流过的电流具有相同的频率值，因此针对频率分量两者可以通用。

该换流站使用12 脉动换流电路实现交直流的转换。对于双调谐滤波电路，流过电容器装置的电流除基波50Hz 以外，主要是来自直流侧的12±1 次谐波，所以电容器上承担的电压的频率分量主要为50Hz、550Hz 和650Hz。其电流时域和频域波形如图7 所示。

图7 电流信号时域和频域波形Fig.7 The current signal waveforms and spectrum

将流过电容器上的电流近似表示为

总量控制能够促进分级管理与各负其责。可降低行政成本、提高管理效率。中央层面可以专注于宏观管理与大案要案的查处；地方层面可以锚定包括“点源”与“面源”污染控制的属地管理责任而不可推卸。

式中，ωi=2πfi，f1=50Hz，f2=550Hz，f3=650Hz，对电流二次方项展开，可以得到频率分量为100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz、1 300Hz。

以底面测量点D1为例，对振动加速度信号进行快速傅里叶变换，得到各个频率分量，图8 所示为底面振动加速度的时域和频域波形，图8b 中所示振动加速度信号的频率分量，与电流二次方后得到的频率分量完全一致。

图8 振动加速度时域和频域波形Fig.8 The vibration acceleration waveforms and spectrum

3.2 电容器振动特性分析

由于电容器外壳结构和内部振动传播途径的不同，使电容器外壳各面振动之间存在较大的差异。对于顶面，由于安装有两个绝缘子，其表面振动受到限制，所以主要以宽侧面、窄侧面和底面为研究对象，来说明各面振动特性的区别。取点K1、Z1和D1的振动数据，经过预处理后，通过快速傅里叶变换算法，得到频域下各面的振动特性。从图8 中可以看出，振动信号的幅值主要集中在 100Hz、500Hz、600Hz 和700Hz 上，因此对同一频率下，将不同测量面的振动加速度幅值列于图9。

图9 不同频率下各测量点振动幅值Fig.9 The vibration amplitude of measuring points in different frequencies

如图9 所示，在同一频率下，对于不同测量面的振动幅值呈现相同的趋势，即底面D1处的振动最强，窄侧面Z1最弱，这与各面的结构和振动的激励源有关。在电容器中，外壳的振动是对内部电容器单元极板振动的响应。在结构上，电容单元一层一层叠加，并平行于底面固定在电容器外壳内。当电容器元件加载电压时，因为箔片每一侧都受到静电力的作用，且方向相反，大部分铝箔片处于平衡状态，而在底部和顶部边缘处的铝箔片只受到单方向静电力作用，因此电容器外壳振动主要集中在底部和顶部[10]，而且整个芯子元件在纵向方向上振动，对平行于振动面的底面具有最大的激励作用。而对于宽侧面和窄侧面，虽然振动相对较弱，但宽侧面的振动要稍微大于窄侧面，其主要原因在于宽侧面面积较大，其受到侧面边界的约束作用较小，具有较大的振动自由度；另一方面，电容器通过窄侧面固定在塔架上，这也在一定程度上限制了窄侧面的振动幅度。

3.3 塔架振动特性分析

每一台电容器通过螺栓和螺母固定在装置塔架上，属于刚性联结，这使得电容器外壳的振动可以轻松地通过连接件传递给塔架，对于塔架上的近百台电容器，各自产生的振动在塔架内反复传播，相互叠加，形成比较复杂的振动形式。为了说明每一层塔架的振动情况，将激光测振仪测量得到的振动数据通过仰角修正，用振动幅度的有效值来近似代表每一层塔架振动的强度。图10 是经过计算修正后得到的各层振动幅度有效值。

图10 电容器装置1～4 层塔架振动幅度Fig.10 The vibration amplitude of capacitor frame in 1～4 floor

被测电容器装置共有6 层，但最上面2 层的仰角过大导致数据误差增大，因此只对底下4 层的数据进行分析。从图10 中可以清晰地看出，随着装置层数的增加，即塔架高度的增加，塔架的振动逐渐增强。对于固定在地面的电容器装置，随着高度的增加，塔架自由度受到地面固定端的约束作用逐渐减小。同时，装置上所有电容器的振动通过金属塔架传播，在固定端发生折反射，而相对于大地来说，金属的密度较大，具有较好的振动传播性能，因此振动大部分被反射回塔架。根据塔架的振动情况，可将其分成两部分，一部分是不受固定端约束的塔架的振动，主要表现为每一层具有相同的振动幅度；另一部分为固定端向塔架反射的振动，表现为以固定端为振源，向塔架自由端传播振动，并随着与固定端的距离增大，即高度的增加，振动强度逐渐加强。这两部分共同作用，从而在电容器塔架内部形成比较复杂的振动传播规律，表现在振动幅值上，就出现了随着高度增加，振动增强的趋势。

3.4 滤波场周边噪声分析

交流滤波场在运行情况下，噪声主要来自电容器装置、电抗器和电阻箱，它们各自产生的噪声在空间辐射过程中相互叠加，形成了不同于单辐射源的噪声分布。各种设备不但本身的噪声辐射情况存在差异，而且各自的空间位置对外界辐射的噪声水平也存在一定的影响。因此，对滤波场周围噪声水平的测量，可以得到各个方向上的噪声辐射情况，这为滤波场整体噪声的控制提供了参考。针对噪声源的位置，将滤波场区域的周长划分为如图5 所示的测量点。图11 是其中一个测量点3 处得到的噪声声压时域和频域波形。从图中可以看出，时域下波形发生周期性振荡，从频域下更能直观地看出其振荡频率，频率点主要分布在100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz 和1 300Hz，这些频率点与电容器表面振动频率分量相同，如图8b 所示。可见振动与噪声之间的联系密不可分。

图11 测量点3 处噪声声压时域和频域波形Fig.11 Noise pressure waveforms and spectrum in point 3

以上得到的仅是测量点的声压值，为了模拟人耳的听觉特性，一般都是用计权网络对信号中的不同频率成分进行衰减，得到计权声级来表征，常用的计权网络有A 计权、B 计权和C 计权，其中A 计权网络是模拟人耳对40 方纯音的响度，当信号通过时，其低、中频段（1 000Hz 以下）有较大的衰减。A 计权声级能够较好地反映人耳对噪声的强度和频率的主观感觉，对于一个连续的稳定噪声，这是一种较好的评价方法。常用的A 计权网络在1/3 倍频程下进行修正，修正值见表3。

表3 1/3 频程下A 计权值Tab.3 A-weighting value in 1/3 octave

在IEC61672 标准中还给出了频率计权值的计算公式[10]

式中f1=20.6Hz；f2=107.7Hz；f3=737.9Hz；f4=12 194Hz。

除了使用频率修正的方法，还可以通过数字滤波器的原理来计算A 计权声级。对于频率计权，这是一种有严格要求的带通滤波器法，首先求出其传递函数，再转换为数字滤波器，直接对时域声压波形进行滤波[11]。

图12 是对所有测量点得到的声压数据进行A计权，得到A 计权声级，并结合实际滤波场的布局，做出的360°噪声辐射方向图。参照图5 所示滤波场布局，0°方向上为测量点31的A 计权声级，然后按照逆时针顺序，根据数据量将圆周均匀划分，得到图12 所示方向图。

图12 中所示90°方向为滤波场轴对称线所在位置，虽然对称的结构和激励辐射的噪声也具有对称性，但当存在外界干扰时，这种对称性将受到一定影响。图12 噪声辐射的方向图中，对称性并不明显，主要表现为对称轴左侧噪声较大。这是由于滤波场左侧存在运行的补偿电容器装置，其辐射的噪声对测量造成了较大的干扰。在各方向的噪声辐射情况上，180°～210°和330°～360°之间出现最大的噪声辐射，其值均大于75dB，根据图5 所示，这两处位于电容器装置和高压侧电抗器之间，因此可以确定这都是滤波场噪声的主要来源。

图12 滤波场噪声辐射方向图Fig.12 The noise radiation pattern of filtering field

3.5 对电容器装置减振和降噪的一些建议

根据前面对电容器装置的振动特性，及滤波场噪声辐射方向性，提出一些降噪措施的建议。

针对电容器及塔架的整体振动特性，从根本上解决电容器装置的噪声问题，需要从单台电容器的内部结构入手，其次对外壳振动剧烈的部位适当地采取限制措施，比如增加阻尼结构实现振动的吸收和衰减，在关键部位隔离振动等，这都可以有效降低振动，从而减少噪声辐射量。

交流滤波场在各个方向上辐射的噪声水平与噪声源的辐射特点和整体的布局有关，虽然限制每一个噪声源的振动对降低噪声辐射有一定的作用，但不能防止它们辐射的噪声之间相互叠加而产生的类似共振加强的现象。因此合理安排滤波场内各个噪声源的空间位置，尽量避开共振区，可以削弱噪声之间相互叠加而出现的局部方向噪声增强的现象。

总之，对电容器装置和滤波场的减振及降噪措施，除了满足电气绝缘配合和系统正常工作的前提下，还要考虑换流站的土地建设成本。

4 结论

本文以南网某换流站220kV 滤波场中的电容器装置为研究对象，通过建立激光振动测量系统和基于传声器的噪声测量系统，对换流站中正在运行的电容器装置的振动及噪声特性进行了研究，主要得到以下结论：

（1）双调谐滤波电路中，流过电容器的电流频率为50Hz 基波和12±1 次谐波，而外壳表面的振动频率为100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz、1 300Hz，即振动频率为电流频率的二倍频以及各频率之间的和频与差频。

（2）在不同频率下，电容器外壳各个侧面中，底面振动信号最强，窄侧面振动最弱，这主要与外壳的结构和内部元件振动的性质有关。

（3）电容器外壳的振动通过连接件传递给装置塔架，因此两者在振动频率点上基本一致，而且随着塔架高度的增加，振动自由度随之增大，因此振动不断加强。

（4）滤波场周围噪声在频率点上与电容器装置的振动频率点吻合，在辐射方向性上，高压端电抗器和电容器装置附近产生的噪声较强，而且整体辐射具有一定的对称性。

本文最后基于研究得到了电容器装置的振动及噪声特性，提出了对电容器装置进行减振和降噪的措施，这对于降低换流站中交流滤波电容器装置的噪声水平具有指导意义。

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