換流站電容器裝置振動與噪聲特性分析

沈 琪 汲勝昌 任 杰 吳 鵬 王 頌

（1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049 2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 南京 210036 3.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局 廣州 510663）

1 引言

相對于交流輸電系統(tǒng)，高壓直流輸電系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)，因此近些年來在我國發(fā)展迅猛。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，將交流電變換為直流電或者將直流電變換為交流電都是在換流站中完成的[1]。隨著直流輸電電壓等級的提高、輸送功率的增大，直流換流站中裝設(shè)的濾波及并聯(lián)電容器的臺數(shù)隨之增加，并且單臺容量大、流過每臺電容器的電流中含有大幅值的高次諧波成分，使得電容器裝置成為換流站中噪聲的主要來源之一。中國電力科學(xué)研究院及河南電力試驗(yàn)研究院都曾對直流換流站內(nèi)的可聽噪聲水平進(jìn)行過測量，結(jié)果表明：電容器裝置附近的噪聲水平最大達(dá)到了89.7dB[2-4]。在CIGRE的報(bào)告[5]中也提及，直流換流站電容器塔的噪聲能夠達(dá)到105dB。因此濾波電容器裝置的可聽噪聲污染已經(jīng)成為一個不可忽視的問題。

對電容器裝置產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行測量和分析，是研究電容器噪聲產(chǎn)生機(jī)理和抑制措施的基礎(chǔ)。美國的M.D.Cox 等人最早對電容器裝置的噪聲水平（A計(jì)權(quán)的聲壓級）進(jìn)行了測量，結(jié)果表明：當(dāng)流過每臺電容器的電流中含有大幅值的高次諧波成分時(shí)，電容器裝置的噪聲水平與變壓器的相當(dāng)[6]。ABB 公司技術(shù)中心的Jan Smede 等人提出了風(fēng)向、氣溫等環(huán)境條件會直接影響換流站站內(nèi)的可聽噪聲水平的測量結(jié)果，為了比較有效地評估噪聲水平，應(yīng)在順風(fēng)向、風(fēng)速1～5m/s的條件下進(jìn)行測量[7]。近幾年來，國內(nèi)對直流換流站電容器裝置的噪聲水平進(jìn)行了大量測量與分析工作，考慮了直流系統(tǒng)的運(yùn)行方式（單極或雙極）、輸送功率大小等因素的影響[2-4,8]。但目前國內(nèi)外學(xué)者只是關(guān)心電容器裝置周圍聲壓級的大小，并未對噪聲頻譜特征與流過電流的關(guān)系等進(jìn)行研究，因此無法為電容器裝置噪聲的抑制提供參考。另外，國內(nèi)外在測量電容器裝置噪聲水平時(shí)都是使用聲壓計(jì)，易受到其他設(shè)備噪聲的影響，對于有多個噪聲源的換流站更是如此。相比而言，直接測量電容器裝置表面的振動信號能夠更直接地對產(chǎn)生噪聲污染的根源進(jìn)行分析，并且不會受到周圍設(shè)備、天氣條件等的影響，能夠間接地體現(xiàn)出電容器裝置噪聲的水平及特性。

本文通過建立激光振動測量系統(tǒng)和基于傳聲器的噪聲測量系統(tǒng)，對換流站中正在運(yùn)行的電容器裝置的振動及噪聲信號進(jìn)行測量，研究諧波電流與單臺電容器振動之間的關(guān)系，分析整個電容器塔架的振動特性；同時(shí)根據(jù)測量得到的交流濾波場的噪聲水平，分析電容器裝置整體噪聲輻射的方向性。這對于合理有效的電容器裝置降噪措施的提出具有重要的意義。

2 電容器裝置振動與噪聲的測量

2.1 振動及噪聲測量系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1.1 測量對象

測量的電容器裝置位于南方電網(wǎng)某±500kV 換流站內(nèi)的220kV 交流濾波場，電容器是由諾基亞電容器有限公司生產(chǎn)的，其電容值為33.0μF，容量為565kvar。整體電容器裝置如圖1 所示。

圖1 220kV 交流濾波場電容器裝置Fig.1 The capacitor installation in the 220kV filtering field

2.1.2 振動測量系統(tǒng)

考慮到測量人員的安全性，圖1 所示的圍欄之內(nèi)的電容器裝置區(qū)域并不允許靠近，也就是說基于傳統(tǒng)壓電式振動傳感器的測量系統(tǒng)不適用于換流站中的電容器裝置。為了實(shí)現(xiàn)振動信號的無接觸式“遙測”，本文建立了基于激光測振儀的振動測量系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 激光測振系統(tǒng)Fig.2 Laser vibration measuring system

圖2 中，激光測振儀能在一定距離內(nèi)準(zhǔn)確地測量電容器裝置表面的振動速度信號，且其發(fā)射的激光能量很弱，不會影響被測設(shè)備的運(yùn)行。表1 是該激光測振儀在各測量范圍下的換算系數(shù)和測量精度。激光測振儀將測量得到的振動速度轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過電纜與最高采樣頻率為500kHz的數(shù)據(jù)采集卡相連，最后由USB 數(shù)據(jù)線輸入筆記本電腦進(jìn)行存儲。

表1 激光測振儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 The technical parameter of laser vibrometer

2.1.3 噪聲測量系統(tǒng)

換流站中對濾波場周圍噪聲測量的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 噪聲測量系統(tǒng)Fig.3 Noise measuring system for capacitor

圖3 中，交流濾波場中的主要噪聲源為電容器裝置、高低壓電抗器和電阻箱。噪聲傳感器是由電容型傳聲器和前置放大器組合而成，兩者共同工作可以把聲音信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。傳聲器的靈敏度為50mV/Pa，前置放大器的增益為20dB，兩者的頻率響應(yīng)范圍在10～20kHz 之間，并通過USB 數(shù)據(jù)線連接到電腦，顯示和記錄噪聲時(shí)域波形。

2.1.4 現(xiàn)場環(huán)境對測量系統(tǒng)的影響

振動測量系統(tǒng)采用激光測振儀測量聲源表面的振動速度信號。一般情況下，聲源表面受到環(huán)境中噪聲聲波的影響會感應(yīng)一部分能量而出現(xiàn)微弱的振動信號，這將對聲源自身的振動信號產(chǎn)生干擾；但相比空氣，電容器和塔架的密度大，單位體積內(nèi)的質(zhì)量較大，由空氣入射的聲波在振動面上幾乎完全被反射，并且通過對附近未運(yùn)行電容器裝置的振動測量，也說明了環(huán)境噪聲不會對信號的測量結(jié)果造成影響。

對于噪聲信號測量系統(tǒng)，由于無法采取有效的措施屏蔽環(huán)境噪聲的影響，因此在滿足風(fēng)向和溫度等測量條件的情況下，選擇背景噪聲較小的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測量。

2.2 振動及噪聲信號測量過程

2.2.1 電容器裝置振動信號的測量

電容器裝置主要由電容器和金屬塔架組成，因此振動信號主要來自這兩個部分。

對于裝置上的電容器，其型號相同，并以同一種方式固定在塔架上，這決定了每臺電容器具有相同的固有振動特性；另外，裝置上的每兩臺電容器并聯(lián)為一組，若干組串聯(lián)而成，這種連接方式?jīng)Q定了流過每一臺電容器的激勵電流及其兩端的電壓均相同，也就是說，各個電容器受到的電應(yīng)力是相同的。由上述兩點(diǎn)可知，每臺電容器外殼具有相同的振動特性，可以選取任意一臺電容器作為測量對象。測量振動信號時(shí)，將激光測振儀固定在距離地面高度為1.5m的金屬支架上，在濾波場護(hù)欄外，與電容器裝置大約3.0m的距離進(jìn)行測量。由于物體表面對垂直入射的激光具有比較理想的反射，而電容器裝置底層距離地面高度為1.8m 左右，與激光測振儀基本在同一高度，因此選取底層塔架上靠外側(cè)的電容器作為測量對象。電容器外殼測量點(diǎn)位置分布如圖4 所示。

圖4 電容器外殼振動測量點(diǎn)分布圖Fig.4 Vibration measuring point arrangement of capacitor shell

金屬塔架的振動主要來自于其上固定的電容器。為了說明每一層塔架振動之間的差異，需要測量各層金屬塔架橫梁中點(diǎn)的振動數(shù)據(jù)。但隨著塔架高度的增加，激光測振儀的激光束與測量面之間產(chǎn)生一個仰角，并隨著高度的增加而增大，這在計(jì)算實(shí)際振動數(shù)據(jù)時(shí)需要修正，即仰角修正問題。

2.2.2 交流濾波場噪聲信號的測量

交流濾波場周圍噪聲信號的測量是為了分析濾波場內(nèi)所有噪聲源在各方向輻射的噪聲情況。濾波場中的噪聲源主要包括電容器裝置、電抗器和電阻箱，因此建立如圖5 所示噪聲測量點(diǎn)分布圖。圖中實(shí)線表示各個噪聲源的軸對稱線，虛線表示相鄰噪聲源之間的中點(diǎn)線。

圖5 噪聲信號測量點(diǎn)分布圖Fig.5 Noise vibration measuring point arrangement

噪聲傳感器固定在距離地面1.5m的支架上，距離交流濾波場護(hù)欄大約0.5m，并按照圖5 中所示間隔逐點(diǎn)測量噪聲信號。測量時(shí)需要注意風(fēng)速和風(fēng)向?qū)y量的影響，一般在風(fēng)速為1～5m/s的條件下進(jìn)行測量比較理想。現(xiàn)場利用熱敏風(fēng)速計(jì)，在 0～10m/s 范圍內(nèi)可以準(zhǔn)確地測量風(fēng)速，精度達(dá)到0.01m/s。對部分測量點(diǎn)處測得風(fēng)速值進(jìn)行平均，得到平均風(fēng)速大約為1.30m/s，此時(shí)測得的噪聲信號符合要求。

2.3 振動信號的仰角修正

激光測振儀是利用激光多普勒效應(yīng)的原理來測量物體表面振動的。對于垂直反射的激光信號，測振儀能夠準(zhǔn)確地采集并顯示振動波形。但由于現(xiàn)場條件的限制，需要對高度大于激光測振儀水平高度的塔架橫梁表面進(jìn)行較大仰角的測量，勢必影響測量的準(zhǔn)確性，因此應(yīng)對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行仰角修正。圖6 是激光測振儀測量物體表面振動速度的原理示意圖。圖6 中S為激光測振儀的光源及光波接收器，并保持相對靜止；P為物體表面振動的初始位置，P′為振動表面在下一時(shí)刻δt的位置，其法線方向的振動速度為v。當(dāng)物體表面位于P處時(shí)，激光測振儀發(fā)射的激光束SP照射到P處產(chǎn)生散射，反射光沿PS返回并被光波接收器接收，總光程為

圖6 激光測振儀測量原理示意圖Fig.6 The measuring principle of laser vibrometer

經(jīng)過δt后，物體表面運(yùn)動至P′處，此時(shí)的光程為

因此在δt時(shí)間內(nèi)，光波接收器中接收到的激光光程差為

由于振動的位移PP′遠(yuǎn)小于入射光程SP和反射光程SP′，所以可以忽略SP和SP′的夾角，得到

因此，光程差為PP′+P′P。假設(shè)n是沿從光源到反射面，再回到接收器光路上的波數(shù)或周期數(shù)，則在無限小的時(shí)間間隔δt中，假設(shè)P移動到P′的距離為vδt，v為反射面振動速度。在光程中周期數(shù)將減少為[9]

式中，λ和λ″分別為散射前后的波長，式（5）可以表示為

由于fλ=f″λ″=c，并且

則

在一般情況下，不需要區(qū)分λ和λ″，這樣就可得到一級近似的多普勒頻移

根據(jù)激光多普勒效應(yīng)的原理得到ΔfD，并通過激光測振儀內(nèi)部運(yùn)算電路得到反射光方向的速度v1，結(jié)合θ角可以計(jì)算出物體法線方向振動速度v。

仰角θ可以從圖6 中物體和激光測振儀的高度及兩者之間的距離來確定。

所以由以上推導(dǎo)可知實(shí)際振動速度為

表2 所示是每一層電容器塔架的高度及測量距離。其中，H2是激光測振儀高度，L為激光測振儀與電容器塔架的水平距離，H1是測量點(diǎn)位置高度，Th1～Th1分別表示由下往上的第一層至第五層。據(jù)此，根據(jù)式（10）可以計(jì)算得到1～5 層測量點(diǎn)，在不同離地高度下的仰角θ的余弦值（見表2），后續(xù)的塔架振動數(shù)據(jù)將據(jù)此進(jìn)行修正。

表2 塔架測量點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.2 The measuring data of capacitor frame

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 電容器振動與電流頻率的關(guān)系

電容器是由多個電容單元串并聯(lián)組成的，每一個電容單元又是由兩塊鋁箔片和中間所夾的絕緣介質(zhì)繞制而成的，因此電容器可以看作是由無數(shù)個平板電容串并聯(lián)而成。當(dāng)電容器中流過交流電流時(shí)，在每一個電容單元兩端形成交變的電壓，該電壓在介質(zhì)中產(chǎn)生交變的電場，因此金屬鋁箔片在電場中受交變的靜電力作用而產(chǎn)生振動，并最終傳遞到外殼。根據(jù)平行板電容器極板的受力分析可知，兩個極板之間的吸引力為

式中，C為電容器的電容量，以A為極板面積，則電容C的表達(dá)式為

當(dāng)平行極板之間的距離為d時(shí)，利用式（12）～式（14）可以得到兩個極板之間的吸引力F(t)為

對于電容器單元的某一個極板，其振動方向始終在同一直線上，可以近似為單自由度系統(tǒng)的受迫振動，受迫力就是靜電力F(t)。因此，極板振動的運(yùn)動方程可表示為

式中，m為極板質(zhì)量；c為極板的粘性阻尼系數(shù)；k為極板的剛度，這些參數(shù)均是與極板的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。x(t)為極板相對平衡位置的位移，加速度。為了得到加速度與電壓之間的近似表達(dá)式，忽略極板的粘性阻尼系數(shù)和剛度，即得到

對于單頻率電壓信號u(t)=Unsin(ωt)，代入式（15），可得

從上式可見加速度信號的頻率為所加激勵信號頻率的兩倍，而當(dāng)激勵電壓含有較多諧波頻率時(shí)，如

對電壓進(jìn)行二次方展開后，將得到更加復(fù)雜的頻率分量，主要包括2ωi和ωi±ωj。所以在測量振動信號的同時(shí)，還需要了解激勵電壓的頻率情況。換流站中在主控室可以得到濾波電路上的電流數(shù)據(jù)，而電容器兩端的電壓與流過的電流具有相同的頻率值，因此針對頻率分量兩者可以通用。

該換流站使用12 脈動換流電路實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換。對于雙調(diào)諧濾波電路，流過電容器裝置的電流除基波50Hz 以外，主要是來自直流側(cè)的12±1 次諧波，所以電容器上承擔(dān)的電壓的頻率分量主要為50Hz、550Hz 和650Hz。其電流時(shí)域和頻域波形如圖7 所示。

圖7 電流信號時(shí)域和頻域波形Fig.7 The current signal waveforms and spectrum

將流過電容器上的電流近似表示為

總量控制能夠促進(jìn)分級管理與各負(fù)其責(zé)?？山档托姓杀?、提高管理效率。中央層面可以專注于宏觀管理與大案要案的查處；地方層面可以錨定包括“點(diǎn)源”與“面源”污染控制的屬地管理責(zé)任而不可推卸。

式中，ωi=2πfi，f1=50Hz，f2=550Hz，f3=650Hz，對電流二次方項(xiàng)展開，可以得到頻率分量為100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz、1 300Hz。

以底面測量點(diǎn)D1為例，對振動加速度信號進(jìn)行快速傅里葉變換，得到各個頻率分量，圖8 所示為底面振動加速度的時(shí)域和頻域波形，圖8b 中所示振動加速度信號的頻率分量，與電流二次方后得到的頻率分量完全一致。

圖8 振動加速度時(shí)域和頻域波形Fig.8 The vibration acceleration waveforms and spectrum

3.2 電容器振動特性分析

由于電容器外殼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部振動傳播途徑的不同，使電容器外殼各面振動之間存在較大的差異。對于頂面，由于安裝有兩個絕緣子，其表面振動受到限制，所以主要以寬側(cè)面、窄側(cè)面和底面為研究對象，來說明各面振動特性的區(qū)別。取點(diǎn)K1、Z1和D1的振動數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理后，通過快速傅里葉變換算法，得到頻域下各面的振動特性。從圖8 中可以看出，振動信號的幅值主要集中在 100Hz、500Hz、600Hz 和700Hz 上，因此對同一頻率下，將不同測量面的振動加速度幅值列于圖9。

圖9 不同頻率下各測量點(diǎn)振動幅值Fig.9 The vibration amplitude of measuring points in different frequencies

如圖9 所示，在同一頻率下，對于不同測量面的振動幅值呈現(xiàn)相同的趨勢，即底面D1處的振動最強(qiáng)，窄側(cè)面Z1最弱，這與各面的結(jié)構(gòu)和振動的激勵源有關(guān)。在電容器中，外殼的振動是對內(nèi)部電容器單元極板振動的響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)上，電容單元一層一層疊加，并平行于底面固定在電容器外殼內(nèi)。當(dāng)電容器元件加載電壓時(shí)，因?yàn)椴恳粋?cè)都受到靜電力的作用，且方向相反，大部分鋁箔片處于平衡狀態(tài)，而在底部和頂部邊緣處的鋁箔片只受到單方向靜電力作用，因此電容器外殼振動主要集中在底部和頂部[10]，而且整個芯子元件在縱向方向上振動，對平行于振動面的底面具有最大的激勵作用。而對于寬側(cè)面和窄側(cè)面，雖然振動相對較弱，但寬側(cè)面的振動要稍微大于窄側(cè)面，其主要原因在于寬側(cè)面面積較大，其受到側(cè)面邊界的約束作用較小，具有較大的振動自由度；另一方面，電容器通過窄側(cè)面固定在塔架上，這也在一定程度上限制了窄側(cè)面的振動幅度。

3.3 塔架振動特性分析

每一臺電容器通過螺栓和螺母固定在裝置塔架上，屬于剛性聯(lián)結(jié)，這使得電容器外殼的振動可以輕松地通過連接件傳遞給塔架，對于塔架上的近百臺電容器，各自產(chǎn)生的振動在塔架內(nèi)反復(fù)傳播，相互疊加，形成比較復(fù)雜的振動形式。為了說明每一層塔架的振動情況，將激光測振儀測量得到的振動數(shù)據(jù)通過仰角修正，用振動幅度的有效值來近似代表每一層塔架振動的強(qiáng)度。圖10 是經(jīng)過計(jì)算修正后得到的各層振動幅度有效值。

圖10 電容器裝置1～4 層塔架振動幅度Fig.10 The vibration amplitude of capacitor frame in 1～4 floor

被測電容器裝置共有6 層，但最上面2 層的仰角過大導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差增大，因此只對底下4 層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖10 中可以清晰地看出，隨著裝置層數(shù)的增加，即塔架高度的增加，塔架的振動逐漸增強(qiáng)。對于固定在地面的電容器裝置，隨著高度的增加，塔架自由度受到地面固定端的約束作用逐漸減小。同時(shí)，裝置上所有電容器的振動通過金屬塔架傳播，在固定端發(fā)生折反射，而相對于大地來說，金屬的密度較大，具有較好的振動傳播性能，因此振動大部分被反射回塔架。根據(jù)塔架的振動情況，可將其分成兩部分，一部分是不受固定端約束的塔架的振動，主要表現(xiàn)為每一層具有相同的振動幅度；另一部分為固定端向塔架反射的振動，表現(xiàn)為以固定端為振源，向塔架自由端傳播振動，并隨著與固定端的距離增大，即高度的增加，振動強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)。這兩部分共同作用，從而在電容器塔架內(nèi)部形成比較復(fù)雜的振動傳播規(guī)律，表現(xiàn)在振動幅值上，就出現(xiàn)了隨著高度增加，振動增強(qiáng)的趨勢。

3.4 濾波場周邊噪聲分析

交流濾波場在運(yùn)行情況下，噪聲主要來自電容器裝置、電抗器和電阻箱，它們各自產(chǎn)生的噪聲在空間輻射過程中相互疊加，形成了不同于單輻射源的噪聲分布。各種設(shè)備不但本身的噪聲輻射情況存在差異，而且各自的空間位置對外界輻射的噪聲水平也存在一定的影響。因此，對濾波場周圍噪聲水平的測量，可以得到各個方向上的噪聲輻射情況，這為濾波場整體噪聲的控制提供了參考。針對噪聲源的位置，將濾波場區(qū)域的周長劃分為如圖5 所示的測量點(diǎn)。圖11 是其中一個測量點(diǎn)3 處得到的噪聲聲壓時(shí)域和頻域波形。從圖中可以看出，時(shí)域下波形發(fā)生周期性振蕩，從頻域下更能直觀地看出其振蕩頻率，頻率點(diǎn)主要分布在100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz 和1 300Hz，這些頻率點(diǎn)與電容器表面振動頻率分量相同，如圖8b 所示?？梢娬駝优c噪聲之間的聯(lián)系密不可分。

圖11 測量點(diǎn)3 處噪聲聲壓時(shí)域和頻域波形Fig.11 Noise pressure waveforms and spectrum in point 3

以上得到的僅是測量點(diǎn)的聲壓值，為了模擬人耳的聽覺特性，一般都是用計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)對信號中的不同頻率成分進(jìn)行衰減，得到計(jì)權(quán)聲級來表征，常用的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)有A 計(jì)權(quán)、B 計(jì)權(quán)和C 計(jì)權(quán)，其中A 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對40 方純音的響度，當(dāng)信號通過時(shí)，其低、中頻段（1 000Hz 以下）有較大的衰減。A 計(jì)權(quán)聲級能夠較好地反映人耳對噪聲的強(qiáng)度和頻率的主觀感覺，對于一個連續(xù)的穩(wěn)定噪聲，這是一種較好的評價(jià)方法。常用的A 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)在1/3 倍頻程下進(jìn)行修正，修正值見表3。

表3 1/3 頻程下A 計(jì)權(quán)值Tab.3 A-weighting value in 1/3 octave

在IEC61672 標(biāo)準(zhǔn)中還給出了頻率計(jì)權(quán)值的計(jì)算公式[10]

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

除了使用頻率修正的方法，還可以通過數(shù)字濾波器的原理來計(jì)算A 計(jì)權(quán)聲級。對于頻率計(jì)權(quán)，這是一種有嚴(yán)格要求的帶通濾波器法，首先求出其傳遞函數(shù)，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器，直接對時(shí)域聲壓波形進(jìn)行濾波[11]。

圖12 是對所有測量點(diǎn)得到的聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行A計(jì)權(quán)，得到A 計(jì)權(quán)聲級，并結(jié)合實(shí)際濾波場的布局，做出的360°噪聲輻射方向圖。參照圖5 所示濾波場布局，0°方向上為測量點(diǎn)31的A 計(jì)權(quán)聲級，然后按照逆時(shí)針順序，根據(jù)數(shù)據(jù)量將圓周均勻劃分，得到圖12 所示方向圖。

圖12 中所示90°方向?yàn)闉V波場軸對稱線所在位置，雖然對稱的結(jié)構(gòu)和激勵輻射的噪聲也具有對稱性，但當(dāng)存在外界干擾時(shí)，這種對稱性將受到一定影響。圖12 噪聲輻射的方向圖中，對稱性并不明顯，主要表現(xiàn)為對稱軸左側(cè)噪聲較大。這是由于濾波場左側(cè)存在運(yùn)行的補(bǔ)償電容器裝置，其輻射的噪聲對測量造成了較大的干擾。在各方向的噪聲輻射情況上，180°～210°和330°～360°之間出現(xiàn)最大的噪聲輻射，其值均大于75dB，根據(jù)圖5 所示，這兩處位于電容器裝置和高壓側(cè)電抗器之間，因此可以確定這都是濾波場噪聲的主要來源。

圖12 濾波場噪聲輻射方向圖Fig.12 The noise radiation pattern of filtering field

3.5 對電容器裝置減振和降噪的一些建議

根據(jù)前面對電容器裝置的振動特性，及濾波場噪聲輻射方向性，提出一些降噪措施的建議。

針對電容器及塔架的整體振動特性，從根本上解決電容器裝置的噪聲問題，需要從單臺電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，其次對外殼振動劇烈的部位適當(dāng)?shù)夭扇∠拗拼胧?，比如增加阻尼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)振動的吸收和衰減，在關(guān)鍵部位隔離振動等，這都可以有效降低振動，從而減少噪聲輻射量。

交流濾波場在各個方向上輻射的噪聲水平與噪聲源的輻射特點(diǎn)和整體的布局有關(guān)，雖然限制每一個噪聲源的振動對降低噪聲輻射有一定的作用，但不能防止它們輻射的噪聲之間相互疊加而產(chǎn)生的類似共振加強(qiáng)的現(xiàn)象。因此合理安排濾波場內(nèi)各個噪聲源的空間位置，盡量避開共振區(qū)，可以削弱噪聲之間相互疊加而出現(xiàn)的局部方向噪聲增強(qiáng)的現(xiàn)象。

總之，對電容器裝置和濾波場的減振及降噪措施，除了滿足電氣絕緣配合和系統(tǒng)正常工作的前提下，還要考慮換流站的土地建設(shè)成本。

4 結(jié)論

本文以南網(wǎng)某換流站220kV 濾波場中的電容器裝置為研究對象，通過建立激光振動測量系統(tǒng)和基于傳聲器的噪聲測量系統(tǒng)，對換流站中正在運(yùn)行的電容器裝置的振動及噪聲特性進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）雙調(diào)諧濾波電路中，流過電容器的電流頻率為50Hz 基波和12±1 次諧波，而外殼表面的振動頻率為100Hz、500Hz、600Hz、700Hz、1 100Hz、1 200Hz、1 300Hz，即振動頻率為電流頻率的二倍頻以及各頻率之間的和頻與差頻。

（2）在不同頻率下，電容器外殼各個側(cè)面中，底面振動信號最強(qiáng)，窄側(cè)面振動最弱，這主要與外殼的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部元件振動的性質(zhì)有關(guān)。

（3）電容器外殼的振動通過連接件傳遞給裝置塔架，因此兩者在振動頻率點(diǎn)上基本一致，而且隨著塔架高度的增加，振動自由度隨之增大，因此振動不斷加強(qiáng)。

（4）濾波場周圍噪聲在頻率點(diǎn)上與電容器裝置的振動頻率點(diǎn)吻合，在輻射方向性上，高壓端電抗器和電容器裝置附近產(chǎn)生的噪聲較強(qiáng)，而且整體輻射具有一定的對稱性。

本文最后基于研究得到了電容器裝置的振動及噪聲特性，提出了對電容器裝置進(jìn)行減振和降噪的措施，這對于降低換流站中交流濾波電容器裝置的噪聲水平具有指導(dǎo)意義。

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