电流激励下HVDC用电容器噪声辐射比研究

甘 林， 刘夫云， 伍建伟， 邓 勇

（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541000）

随着我国对高压、特高压直流输电项目的不断投入，越来越多的特高压直流输电工程将得以立项建设，其中电力电容器是直流输电过程中进行滤波和无功补偿的重要设备。电容器装置在工作过程 产 生 的 噪 声 水 平 可 达 89.7dB［1－3］，甚 至105dB［4］，因此其噪声污染问题备受人们关注。

文献［5］研究了电容器振动与流过其电流的关系，并确定电容器通过含高次谐波的电流时会产生显著的噪声。直至21世纪初，国内开始关注电力电容器的噪声问题。文献［6］阐述了电容器噪声产生机理与基于壳体法向振动速度的单台电容器噪声估算方法；文献［7］阐述了将单台电容器简化为点声源对电容器堆总声压级进行估算的方法；文献［8］研究了电容器在单一工频、单一谐波和工频叠加谐波3种工况下的噪声特性；文献［9］研究了电容器壳体振动与基频电流频率、谐波电流频率的关系；文献［10］提出了电容器噪声辐射比的测量方法，在机械激励下得出辐射比是随频率变化的函数。综上所述，对电容器噪声的研究主要集中在噪声产生的机理、电容器振动特性与机械激励下电容器噪声辐射特性。实际上，电容器辐射噪声主要为其壳体的振动而辐射的噪声，而结构振动与辐射噪声之间的关系复杂，其噪声辐射比依据经验公式计算或在机械激励下测量都具有局限性。因此，研究电流激励下电容器噪声辐射比，为电容器噪声水平的估算和进一步提出降噪措施具有一定的意义。

本文基于电容器噪声辐射特性理论的分析与振声频响函数法，在半消声室内建立在电流激励下电容器噪声辐射比测试系统，测得电容器在通过50Hz基频电流叠加11、24、48次谐波电流时电容器底面、顶面、宽面与窄面的振动信号及各个面对应的声压信号。然后，依据振声频响函数法对测试获得的数据进行处理，得到电容器底面、顶面、宽面与窄面分别对应的噪声辐射指数曲线。最后，结合电容器噪声辐射指数曲线基于电容器壳体的表面振动速度级计算得到电容器在基频电流分别叠加11、24、48次谐波电流3种工况下其表面辐射噪声的声压级，并与实测值进行对比，验证上述方法的准确性。

1 电容器噪声辐射比理论分析

噪声辐射比σrad也称噪声辐射效率，是表征振动物体辐射噪声的能力。复杂物体的振动致声问题是工程应用中的难点之一，电容器内部结构复杂，通过理论计算的方法不能获得其噪声辐射比，因此本文采用测试的方法研究电流激励下电容器的噪声辐射比。

1.1 电容器噪声辐射比

设电容器在稳态激励下，其表面辐射入半空间的声能为Ws，辐射的振动能量为W，则σrad为：

其中，ρc为空气阻抗特性，在常温常压下，ρc＝（ρc）0＝400kg／（m2·s）；S为电容器的表面积；v2为电容器表面振动速度有效值的平方。

联立（1）式、（2）式可得：

1.2 振声频响函数法

由声学基础［11］知识可知，垂直于声传播方向声学包络面积为S（电容器外表面）的声强为Is：

联立（3）式、（4）式得：

又因为

其中，P为声压，忽略声压在测点与包络面之间的衰减，取电容器各表面噪声测点上的声压值；Is为声强。

联立（5）式、（6）式可得：

其中，当声音的传播介质为空气时，ρc＝（ρc）0＝400kg／（m·s2）。令H＝P（ω）／V（ω）表示电容器表面振速与辐射噪声之间的频响函数，则（7）式可以写成：

进而电容器的辐射指数曲线10lgσrad可以表示为：

由（9）式可知，振声频响函数法只要测得电容器表面振速与辐射噪声之间的频响函数即可求出电容器的辐射指数10lgσrad曲线。

2 电容器噪声辐射比的测试系统

2.1 试验对象

试验对象为某电容器公司生产的某型号电力电容器，尺寸为980mm×380mm×200mm，按照电容器各面的位置以及宽窄程度，分别命名为“宽面”（980mm×380mm）、“窄面”（980mm×200mm）、“底面”（380mm×200mm）及与底面相对应并且安装有引线套管的“顶面”，如图1所示。

图1 电容器外形

2.2 试验方法与测试系统

2.2.1 试验硬件系统

实验在测试合格的半消声室中进行，电容器以吊装的方式固定在半消声室正中央，测试设备放置在消声室外，振动测试的加速度传感器与声压传感器经过消声室预留的隔声管道用导线连接起来，图2所示为消声室外测试设备。

为了使电容器达到稳态，并且尽可能多地激起电容器壳体的各阶振动响应，所用的电流激励为：50Hz基频50A电流同时叠加11次谐波20A电流、24次谐波10A电流与48次谐波5A电流。

图3所示为消声室内测试设备。

图2 半消声室外测试设备

图3 半消声室内测试设备

图3中，振动数据采集分析系统为东华测试公司生产的32通道DH5923动态信号采集分析系统，最高采样频率为25.6kHz。噪声采集分析系统为北京东方振动与噪声研究所生产的16通道噪声测试与分析系统，最高采样频率为51.2kHz。本次实验中，同时采集的振动信号通道数为20，采样频率为12.8kHz；同时采集的噪声信号通道数为4，采样频率为10.24kHz。因此，上述测试设备均满足实验要求。

2.2.2 电容器辐射比测试方案

电容器噪声辐射比测试方案如图4所示。

如图4所示，电柜箱控制通过电容器的电流信号，给电容器注入规定的电流信号激励电容器产生振动与噪声。振动信号通过ICP型加速度传感器接收，由DH5923动态信号采集分析系统进行信号采集；同时，声压信号通过ICP型声压传感器接收，由噪声测试与分析系统进行信号采集。最后将得到的振动加速度时域信号与噪声声压时域信号存入计算机，并使用Matlab软件进行后续的数据处理工作。

图4 电容器噪声辐射比实验方案

电容器表面的加速度传感器布置如图5所示。电容器各表面的声压测点布置如图6所示。

图5 电容器表面加速度测点分布图

图6 电容器表面声压测点分布图

因为电容器底面与顶面的结构不一致，所以底面与顶面都要进行测试；电容器的宽面与窄面在机构上基本对称，因此只选一个宽面与一个窄面进行测试。振动加速度传感器尽可能均匀布置在选择测量的4个面上，其中底面测点16个，顶面测点16个，宽面测点20个和窄面测点20个。

为了测量得到电容器各表面的近场声压时域信号，选取平行于电容器测量表面，距离为1m的中心位置布置声压传感器。

3 电容器噪声辐射比结果分析

对测试获得的电容器各测量表面的振动测点与噪声测点对应的时域信号进行数学处理得到H＝P（ω）／V（ω），然后根据（9）式计算得到电容器的辐射指数。

图7所示为电容器底面、顶面、宽面与窄面的辐射指数10lgσrad曲线，图中用实心点标注各辐射峰值。

图7 辐射指数10lgσrad曲线

由图7可知，电容器各个测量面辐射的主要峰值集中在100、500、600、1 100、1 150 、1200、1 250、2 350、2 400、2 450、3 600Hz，具体数值见表1所列［12］。由电容器通过的电流频率与辐射噪声频率的关系［13］可知：50Hz基频电流同时叠加11、24、48次谐波电流时，电容器辐射的噪声主要频率 为 100、500、600、1 100、1 150、1 250、2 350、2 450、4 800Hz，符合上述的测试结果。1 200、2 400、3 600Hz不是激励的主要频率，但是产生了噪声辐射峰值，由此可推测1 200、2 400、3 600Hz可能为电容器的固有频率，其噪声辐射峰值是因为激励电场力频率与固有频率相接近引起的。

表1 电容器各表面的10lgσrad值

4 试验结果验证

设计一组验证实验：保证声压传感器的位置不变，电容器在基频电流分别叠加11、24、48次谐波电流3种工况下测量各个表面的噪声A计权有效声压级。然后，结合表1所列的电容器各表面的10lgσrad值，基于振动信号的噪声计算方法［14］计算出这3种工况下电容器表面的各个声压级。

振动加速度级La为：

其中，a为振动加速度的有效值，由DH5923动态信号采集分析系统读取各个通道的有效值，图8所示为叠加11次谐波电流时底面某测点的有效值；a0为基准加速度，a0＝10－6m／s2。

振动加速度级Lv为：

其中，v0为基准速度，v0＝10－8m／s。

因为对振动加速度进行一次积分可得到振动速度，正弦振动加速度有效值为：

其中，f为振动频率。

联立（10）～（12）式可得：

最后，由半消声室内声功率级与声压级Lp的关系可知：

其中，r为声压测点与电容器表面的距离，取1m；S为电容器噪声辐射面积；S0为基准表面积，取1m2；10lgσrad根据表1中取值；ρc＝（ρc）0＝400kg／（m·s2）。

图8 叠加11次谐波电流时电容器底面某测点的加速度有效值

将3种不同工况下电容器产生的噪声A计权声压级的计算值与实测值进行统计，结果见表2所列。

表2 50Hz基频叠加11、24、48次谐波电流激励下各面声压级比较 dB

从表2可知，理论计算的声压级与实测声压级的误差均不超过4%，验证了通过振声频响函数法测量电容器噪声辐射指数的准确性。

5 结 论

电容器噪声辐射指数10lgσrad值是基于振速法估算电容器辐射噪声声压级的重要参数之一。本文基于振声频响函数法研究电流激励下电容器噪声辐射指数，并在分析推导振声频响函数计算辐射比的基础上建立实验测试系统，最后进行3种不同工况下的验证实验，结果表明：

（1）电容器噪声辐射指数曲线峰值频率与电场力频率一致，即2ω、2nω、（n－1）ω与（n＋1）ω（其中，ω为基频电流频率；n为谐波次数）；电容器宽面在500Hz处辐射指数最大，为－2.5dB。

（2）含n次谐波的电流激励可能激起电容器某几阶固有频率的振动响应，使电容器噪声辐射加强。

（3）电流激励下测得的电容器噪声辐射指数曲线与将电容器辐射比等效为1或者机械激励法测得电容器噪声辐射指数曲线相比更符合电容器实际工况下的噪声辐射状况，对进一步深入研究电容器噪声辐射比，制定标准的电容器辐射指数曲线具有一定的参考价值。

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