干式空心滤波电抗器降噪技术研究与实施

2021-09-09王丽君金文德陈晓刚赵建辉许甫茹谢亚男

声学技术 2021年4期

陈栋，王丽君，刘飞，金文德，陈晓刚，赵建辉，许甫茹，谢亚男

(1. 西安中扬电气股份有限公司，陕西西安 710075；2. 国网浙江省电力有限公司，浙江杭州 310007)

0 引言

我国的特高压输电工程项目，对协调我国资源分布与经济发展的不平衡性、节约输电走廊、降低网损、提高输电能力具有重要意义，由此带动我国电工装备在电压等级、输送容量、输电经济性等方面都达到了国际领先水平[1]。但特高压输电工程中的换流站会产生大量的谐波电流，当谐波电流流经滤波系统时，会在电抗器等设备上产生大量噪声，对环境产生巨大的影响，有些甚至影响到换流站周围居民的正常生活[2-6]。

本文从干式空心电抗器噪声振动产生的机理着手，结合±500 kV宝安换流站交流滤波场12/24通道的“L2”交流干式空心滤波电抗器噪声超标项目，进行了干式空心电抗器的低噪声化研究，从本体降噪及辅助降噪相结合的方式提出多个降噪方案，并对各方案进行逐一试制和试验比对，汇总实施效果，提出了一种能够有效降低电抗器噪声水平的降噪装置，解决了工程问题。

1 干式空心电抗器噪声原理及特点

1.1 干式空心电抗器噪声原理

干式空心电抗器线圈由一个或多个包封层组成，采用电工铝导线绕制，环氧树脂浸渍玻璃丝包绕形成包封，包封间有绝缘撑条，每个包封的引出线汇集于两端的铝制星形架上，作为电抗器电流的输入和输出端，绕制完成经高温固化成型为圆筒式结构。

电抗器噪声的产生原因：当交流电流通过绕组时，会在绕组内部及外部产生交变磁场，磁场反过来作用于载流的线圈绕组，对绕组产生磁场力[7]，因交变电流随时间变化，磁场的大小和方向随之变化，因此绕组受到的磁场力发生变化引起绕组振动，振动产生的位移通过绕组之间的撑条传递，形成振动模态，从而产生噪声[8-11]。

对于干式空心电抗器，各个绕组及各线匝所受的磁场力不同，但各点受力大小F与该点的电流I及该处的磁感应强度B的乘积成正比，与电流的平方成正比，其关系为[3]

利用半角公式展开磁场力与电流的时域函数，可得到频率为f的单频正弦电流所形成的磁场力F为[7]

其中：kh为系数，由几何尺寸及导磁系数确定，与电流I的大小、频率无关；A(I)为电流幅值的函数。

式(2)表明，频率为f的单一电流I产生一个相当于预先施加的静态磁场力和一个主振频为2f的磁场力Fv。

任意两个电流i1、i2流过电抗器则形成其他频率的磁场力。经过公式换算，可产生频率为2f1、2f2、(f1+f2)、(f2-f1)的磁场力[12]。

绕组振动的振幅又与速度及电磁力大小成正比，绕组噪声的声功率W与振动速度v的平方及电磁力F的平方成正比，与负载电流I的四次方成正比，其关系为[3]

其中：ω为声的角频率(s-1)；x为振动幅值(m)。

1.2 干式空心交流滤波电抗器噪声特点

换流站中交流滤波场电抗器担负着滤除各次谐波的任务，因此电抗器中流过的电流除基波电流外，还有其他的交流谐波分量。由式(2)可以得出，换流站内干式空心滤波电抗器产品上流过的各次交流谐波电流相互作用会产生出更多频率、更高幅值的磁场力，因此其噪声水平经常很高。

文中涉及的贵州至广东±500 kV宝安换流站项目，其滤波通道“L1”电抗器和“L2”电抗器，通流电流较大的谐波频率就有1、5、9、11、13、23等频次，特别是11、13次频率的电流，造成该通道原安装电抗器声功率级(文中的声功率级皆为A计权声功率级)测试结果约105 dB(A)，换流站周围可听噪声较大，站址附近居民受噪声影响大，投诉较多，导致贵州至广东第二回直流工程无法通过环保验收。

2 交流滤波电抗器降噪技术研究

通过对宝安换流站交流场滤波电抗器谐波电流频谱的分析，研发生产了低噪声交流滤波电抗器，再经过多项降噪方案的综合应用，最终满足声功率级不大于85 dB的要求。

2.1 方案一：导线结构形式及工艺措施的改进

首先从产品生产工艺上，一方面采用高强度的改性环氧固化体系，提高固化物的强度和韧性，另外，对固化包封进行应力设计，在绕制过程中增加绑扎，提高环氧复合材料的密实度和机械强度等，从而提高电抗器结构强度和整体性。

对同一型号交流滤波器电抗器，分别采用不同结构形式的铝导线进行设计和制作，验证导线结构形式对产品噪声振动的影响。

2.2 方案二：改变产品高度

选用方案一中经试验验证性能较好的产品工艺及导线结构形式，对同一型号的交流滤波器电抗器，分别采用了不同的高度设计，拟通过改变产品结构来改变固有自振频率，避开外界的强迫振动频率，验证结构改变对噪声大小的影响。

2.3 方案三：改变隔声罩的安装布置方式

通过改变产品高度，改变了产品的固有自振频率，在此基础上对产品结构进一步优化，调整隔声罩的安装布置方式，将罩体与线圈本体脱离，降低罩体与线圈接触的振动传递，避免声波产生耦合共振降低隔声效应。隔声罩体采用圆形筒状，内壁与线圈外表面的设计距离大于100 mm，以便罩体更好地发挥隔声功效。

2.4 方案四：外部隔声装置的改进

按照交流滤波器电抗器的空气声传播途径，采用“穿衣戴帽、衣帽连体”的外部隔声罩结构设计，在方案三独立隔声罩上加设帽体，帽体和隔声罩之间直接无缝相连，以降低该部分噪声对环境的辐射强度。

鉴于该交流滤波电抗器运行环境比较苛刻，空气湿度较大，有一定的盐雾等级，电场强度较高，隔声罩内部的线圈上下电位差较大，故隔声罩内表面未粘贴吸声材料，以免因为吸附潮气污秽，降低线圈的外绝缘性能，影响设备的安全运行。

2.5 方案五：消声装置设计

电抗器线圈外加装了外部隔声装置后，冷空气从隔声罩下部进入，从上部通风口流出，解决了线圈的散热问题，但是进出风口也成为噪声的辐射口。为了减少噪声通过散热通道的向外发散，在方案四帽体上部通风口和隔声罩下部通风口处分别加装消声筒，进一步进行消声处理。其部件具体结构如图1所示，整体安装结构如图2所示。消声筒的消声性能主要与其直径、长度以及吸声材料的性能有关[13-16]。消声筒消声量可按式(4)进行计算[17]：

其中：φ(a0)为材料吸声系数，a0为正入射吸声系数；P为消声筒通道截面周长(m)；S为消声筒通道截面面积(m2)；L为消声筒的有效长度(m)。

吸声材料选择吸声系数大、绝缘强度高、耐热性能好、使用寿命长、耐老化性好的多孔材料。经过设计，隔声罩上方的消声筒、隔声罩下部的消声筒如图1(b)所示。

图1 消声装置部件示意图Fig.1 Component diagram of silencing device

对以上五种降噪方案进行综合应用，研发生产了低噪声交流滤波电抗器，将电抗器与隔声消声装置进行整体安装，效果如图2所示。低噪声的电抗器设计制造完成后，在厂内进行了组装及试验，厂内试验现场如图3所示。

图2 隔声消声装置整体安装效果图Fig.2 Overall installation of sound insulation and silencing device

图3 在厂内进行的低噪声电抗器试验现场Fig.3 Test site of low noise reactor in factory

3 试验验证

3.1 噪声试验

以上各方案试制完成后通过噪声测试验证各方案的降噪效果。试验时电抗器底部距地面高度为0.8 m，声级计离电抗器表面3 m处，对电抗器线圈高度的H/3和2H/3位置上沿圆周方向进行多点测量，这种测量方法符合GB/T 1094.10—2003电力变压器第10部分：声级测定的标准要求[18]。

对电抗器逐次施加单一频率的谐波电流，记录各测点声压级水平，并按照GB/T 1094.10—2003标准要求、计算方法等对产品的噪声水平进行计算和修正，计算出各测点噪声平均A计权声压级，进而计算得A计权声功率级。各方案实施后的噪声测试结果汇总整理如表1所示。产品的噪声测试结果对比如图4所示。

图4 噪声测试结果对比图Fig.4 Comparison of noise test results

表1 电抗器不同降噪方案的噪声测试数据Table 1 Noise test data of different reactor noise reduction solutions

需要说明的是，各次测量时间虽然不同，但本着以下原则予以施加负载：保证同一频率下相同幅值电流。除第二方案仅施加了11次谐波(550 Hz)电流外，其余都分别施加了1、11、13、23次谐波电流进行试验，基本保证测试结果在同一条件背景噪声39.4 dB(声压级)下进行对比。

根据噪声试验结果分析可得：

(1) 经过试制对比，工艺措施的改进和导线形式的不同，可以从一定程度上改善振动和噪声的幅值，但是幅度有限，不能完全解决振动和噪声问题。

(2) 方案二测试结果表明：产品结构的改变，调整了电抗器的固有自振频率，在背景噪声增大的情况下，声功率级仍有所减小。

(3) 方案三测试结果：较之与线圈一体的隔声罩连接方式，调整后的电抗器噪声减小了3 dB(A)。因此验证了线圈作为噪声源，当外加隔声罩时，在罩内的驻波谐振和罩壳的谐振频率下，或在设备与隔声罩通过空气介质耦合而发生共振等情况时，隔声罩不仅起不到隔声的作用，甚至会变成噪声源的“放大器”，所以需要隔声罩罩体脱离线圈并保持与其表面有一定距离。

(4) 方案四测试结果：降噪效果约为5～8 dB(A)。这表明“穿衣戴帽”式隔声装置设计，能够在全方位阻隔噪声的发散。

(5) 方案五测试结果表明：采用隔声装置的电抗器在增加了消声装置后，其11、13次谐波噪声的降噪效果又有明显提升，11次噪声从89 dB(A)降至71 dB(A)，13次噪声从87降至69 dB(A)，总声功率从93 dB(A)降至75 dB(A)，总体降噪约18 dB(A)。

3.2 温升试验

为了检验该滤波电抗器采取最终方案后，其温度场能否满足技术要求，厂内对产品安装整体隔声、消声装置后，进行了温升试验。试验结果：绕组最高温度78.5℃，环境温度25℃，满足温升要求，说明该隔声装置的设计满足电抗器通风散热的需求。

电抗器是换流站的重要设备之一，为了进一步验证加装隔声装置的电抗器能否满足温度场要求，在极端温度下对电抗器的温度进行了实地测试。宝安换流站属于湿热型环境条件，夏季极端最高平均温度为36 ℃，冬季极端最低平均温度为1 ℃，现场运行环境空气相对湿度100%；现场实地测试是在夏季极端天气下进行，测试产品运行的最高温度为78℃，产品运行温度满足要求值；宝安站自2018年10月投入运行至今，产品运行稳定。

3.3 现场验收试验

通过试制研究及对上述方案进行汇总后，对±500 kV宝安换流站噪声治理工程二期双调谐滤波电抗器进行了技术改造，项目完成后在现场进行了噪声实地测试，现场情况如图5所示。改造前后噪声测试结果对比如表2所示。

图5 ±500 kV宝安换流站滤波电抗器现场Fig.5 Filter reactors in±500 kV Bao’an converter station

表2 交流滤波电抗器现场噪声测试结果对比Table 2 Comparison of noise test results of AC filter reactor

测试结果表明：通过生产工艺改进、采用合理的隔声罩布置方式、改变线圈固有的自振频率、加装隔声、消声装置等降噪方案制作的低噪声滤波电抗器，现场噪声测试声功率治理前为105 dB(A)，治理后为84 dB(A)，背景噪声60 dB(A)(声压级)，噪声降低了约21 dB(A)；厂内试验室测量结果与现场实地测试结果因测试环境、比对基数不同，结果略有差异。总的来说，低噪声滤波电抗器降噪效果明显，完成目标任务。