特高压直流换流站电容器振动与噪声仿真分析*

甘 林，刘夫云，伍建伟，邓 勇，周洪威

(桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541000)

0 引言

随着电力事业与城市化的不断发展，高压直流输电的换流站将不可避免地建立在城市区域内。中国电力科学研究院机河南电力试验研究院都曾对直流站内可听噪声水平进行测量，结果表明:电容器装置附近的噪声水平可达89.7 dB［1－3］。在CIGRE的报告［4］中提到，直流换流站电容塔架的噪声水平高达105 dB。将电容器的噪声水平与我国城市环境噪声标准(GB3096－1993)进行对比，可知高压直流换流站中电容器的噪声水平超出了环境噪声标准。因此，高压直流环流站中电容器的噪声污染问题，已经备受人们关注。

20世纪90年代，电容器的噪声问题首先被Cox M.d.等学者提出，研究了电容器振动与流过其电流的关系，并对比在实验室模拟高次谐波电流作用于电容器时产生的噪声与换流站现场实测噪声声压级，最后确定电容器通过高次谐波的电流时会产生显著的噪声［5］。直至21世纪初，国内学者开始研究电容器的噪声问题。2006年汲胜昌的《换流站中电容器装置噪声水平计算方法研究》［6］详细地阐述了电容器噪声产生机理、推导出运用壳体法向振动速度计算其噪声声压级的公式，同时以灵宝换流站为测试对象验证了其算法的正确性。2008年孙新波的《电容器装置噪声水平的估算方法》［7］提出将单台电容器简化为点生源对换流站中电容器堆的总声压级进行估算的方法，并与肇庆换流站中电容器堆的噪声水平的实测值进行对比，验证了其估算方法的可行性。2010年倪学锋的《特高压直流换流站滤波电容器噪声特性试验研究》［8］研究了电容器在单一工频、单一谐波和工频叠加谐波三种工况下的噪声特性，指出:电容器6个面的噪声辐射存在差异——底面和顶面噪声辐射量最大;提高电容器元件的压紧系数对降噪效果不大;不同的安装方式，电容器的噪声辐射水平具有差异;工频叠加谐波是电容器噪声辐射水平最大，且最符合实际工况。2012年沈琪与汲胜昌等人的《换流站电容器装置振动与噪声特性分析》［9］研究电容器壳体振动与基频电流频率、谐波电流频率的关系。2012年程金英的《电力电容器噪声辐射比的试验测量方法研究》提出噪声辐射比的测量方法，得出辐射比是随频率变化的函数。2013年左强林的《HVDC用低噪声电容器研制》［10］，通过大量试验总结，得出在电容器元件组底、盖两端加隔音腔是目前电容器噪声治理的较有效方案。

综上所述，对电容器噪声研究多集中在电容器振动与噪声特性、电容器噪声水平估算方法与电容器的壳体噪声辐射效率上，对电容器振动与噪声进行有限元仿真分析的研究成果还鲜有发现。因此，本文通过分析电容器结构得到电容器振动与噪声产生的机理，在此基础上建立电容器的振动与噪声有限元模型进行仿真分析，最后在特定电流工况下对电容器噪声水平进行实验测试，验证电容器振动与噪声仿真的准确性，提出了基于ANSYS与LMS Virtual.lab的电容器振动与噪声仿真方法。

1 电容器振动与噪声机理分析

1.1 电容器结构分析

电容器由电容器单元、壳体、电介质引线铁与绝缘瓷套管组成如图1所示，其中电容器单元是由聚丙烯薄膜绕制而成，在电容器的外壳内充满绝缘油体并密封壳体，而电极通过套管引出［11］;同时可知，作用在电容器顶部与底部两块极板的电场力不能相互抵消外，其余中间极板的电场力正好相互抵消。

图1 电容器结构与电容器单元受力图

1.2 电容器振动与噪声机理分析

因为电容器元件结构为扁平状，工作时两极板基本平行，所以将其等效做平行板电容器模型进行内部电场力分析。如图2所示，ε为介电常数，u(t)为作用在极板上的交变电流，A为等效的电容器极板面积。

图2 平行板电容器

两个极板之间的吸引力f为:

式中:W为电容器储存的电场能量:

式中:C为平行板电容器的电容量。

当平行板间距为d时，由式(1)～(3)可得2个极板之间的吸引力F(t)为:

在特高压直流环流站实际工作中，电容器主要用作滤波与无功功率补偿，施加在电容器的电压不是单一频率的正弦函数，通常是由基频压与几种高次谐波电压叠加而成。因此，分析基波电压与某n次谐波电压叠加时电容器的振动与噪声辐射特性［12］。

设电容器两端基波电压为:

谐波电压分量:

式中:U0为基波电压有效值，U0=UM0/，UM0为基波电压峰值，V;Un为n次谐波电压有效值，Un=UMn/，UMn为谐波电压峰值，V;ω为基波电压的角频率，ω=2πf;则电容器上叠加的电压为:

为了简化计算，假设式(5)～(7)的初相位为0，均不影响计算结果。联立式(4)～(7)则有:

所以，由式(8)可知，当基波电压与某n次谐波电压叠加时，电容器原件除了产生静态力外，还产生四种频率的谐波力，且作用力方向与电容器底部垂直，因此电容器的底部与顶部是振动最显著的部位，导致电容器的噪声具有明显的指向性。

2 电容器振动与噪声有限元仿真分析

结合上述电容器振动、噪声机理分析，对电容器振动与噪声有限元模型做以下简化假设:①电容器原件属于微米级超薄膜结构而且数量多，导致划分网格数量庞大无法直接计算，因此对电容器原件单元进行几个等质量快相互接触模型等效简化;②电容器包括电磁场、固液体场与声场，属于多物理场耦合问题，难于进行双向的多物理场耦合计算分析，因此将电容器振动与噪声仿真分两步进行，其中振动仿真过程中忽略内部绝缘油体的阻尼作用;③忽略电容器部分小结构，如安装吊耳、电容器内部引线铁周围的浸渍溶质。

2.1 电容器振动有限元模型

电容器模型材料属性如表1所列。电容器的振动有限元模型由壳体、电容器元件与绝缘瓷柱三部分组成，其中内部由14块等效的质量块相互定义接触关系模拟电容器元件单元的相互作用关系。表1为电容器振动有限元模型各个部分的材料属性。电容器运行工况为:基频50 Hz，U0=15.3 kV;谐频550 Hz，UN=55.91 kV根据式(8)计算出电场力分两个载荷步施加到电容器元件上。在电容器固定安装吊耳位置施加固定约束。最后在ANSYS中对电容器进行瞬态响应分析，求出电容器壳体与瓷柱的节点速度。

表1 电容器模型材料属性

图3与图4分别为电容器施加第1载荷步与第2载荷步时的电容器表面速度云图。根据仿真结果可知，电容器振动主要集中在其底部、顶部与瓷柱位置，最大值为0.076 414 m/s。

图3 第1载荷步时电容器表面速度云图

图4 第2载荷步时电容器表面速度云图

2.2 电容器噪声有限元模型

在LMS Virtual.lab建立电容器噪声分析模型与场点设置，如图5所示为电容器声学响应模型与场点布置情况。将求得的电容器表面振动速度作为电容器噪声仿真的边界条件，求得各个场点的声压级。

由图6可知，声功率场声压值最大的位置为平行底面的声场平面，其值为－0.023 4 N/m2方向指向电容器顶部与电容器底面的振动向中间收缩的状态一至，其绝对值(不计权)为0.023 4 N/m2，根据声压与声压级换算公式求得声压级为61.36 dB，A计权后声压级为58.16 dB［13］，与实测最大值为地面测点声压值57.3 dB相差0.86 dB符合仿真精度要求。图7为电容器底面声压场点声压A计权后1/3倍频程，为进一步对比仿真与实测值提供数据。

图5 声学模型与场点布置

图6 500 Hz电容器表面与声功率场的声压云图

图7 电容器底面声压场点仿真声压A计权后1/3倍频程

3 电容器噪声测试实验与对比分析

如图8所示，电容器的噪声场点为:电容器外轮廓各面中心向外偏移1 m后的位置，在半消声室内对电容器进行施加上述特定工况进行激励，利用北京东方研究所的振动噪声测试与分析系统进行测试分析。

图8 电容器实测场点布置图

根据图7与图9得，仿真与实测的电容器底面对应声压场点的峰值都集中在100 Hz、500 Hz、630 Hz与1 000 Hz且趋势一至，其他频带上存在的差异主要原因是实测时半消声室内背景噪声引起。鉴于篇幅有限，该研究仅列出电容器底部场点声压值A计权后1/3倍频程的主要峰值对比情况，见表2。由表2可知:仿真值与实测值的变化趋势一至;在中心频率为500 Hz的1/3倍频带是电容器最大噪声频带，仿真与实测值仅相差3 dB，因此仿真的总声压级与实测值接近;在中心频率为100 Hz处，仿真与实测值相差7 dB，但其峰值与最大峰值52 dB相差28 dB，因此对仿真的总声压级影响不大;在中心频率为630 Hz处，仿真与实测值相差5 dB，对仿真的总声压级有一定的影响。

图9 电容器底面声压场点实测声压A计权后1/3倍频程

表2 电容器底面声压场点仿真与实测值对比

4 结语

分析电容器结构特点与振动、噪声产生机理得到电场力激励的表达式，基于ANSYS与LMS Virtual.lab进行电容器振动与噪声仿真。在特定工况下进行电容器噪声声压测量实验，并与仿真结果进行了比较，从而验证了提出的电容器振动与噪声仿真方法的准确性。

［1］ 中国电力科学研究院.三峡－常州±500 kV直流输电工程可听噪声测试报告［R］.2003.

［2］ 中国电力科学研究院.三峡－广州州±500 kV直流输电工程可听噪声测试报告［R］.2004.

［3］ 河南电力试验研究所.灵宝换流站可听噪声测试报告［R］.2003.

［4］ CIGRE.HVDC stations audible noise［R］.France，2002 No.202 W.G 14.26.

［5］ Cox M D，Guan H H.Vibration and Audible Noise of Capacitors Subjected to Non－sinusoidal Waveforms［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1994，9(2):856－862.

［6］ 汲胜昌，寇小括，李彦明.换流站中电容器装置噪声水平计算方法研究［J］.中国电机工程学报，2006，26(3):112－118.

［7］ 孙新波，陈花玲，姚 成.电容器装置噪声水平的估算方法［J］.电力电容器与无功补偿，2008，29(1):13－16.

［8］ 倪学锋，林浩，严 飞，等.特高压直流换流站滤波电容器噪声特性试验研究［J］.高压技术，2010，36(1):160－166.

［9］ 沈 琪，汲胜昌，任 杰，等.换流站电容器装置振动与噪声特性分析［J］.电工技术学报，2012，27(7):242－249.

［10］ 左强林，冯春林，李志远.HVDC用低噪声电容器研制［J］.电力电容器与无功补偿，2013，34(1):49－55.

［11］ Ramasamy，Natarajan.电力电容器［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［12］ 尹克宁.电力电容器噪声的产生机理及其特性分析［J］.电力电容器，1995(3):10－13.

［13］ 马大猷.现代声学理论基础［M］.北京:科学出版社，2004.