干式鐵芯串聯(lián)電抗器運(yùn)行后的噪聲問題分析及處理對(duì)策

徐林峰，毛啟武，歐小波，馬志欽，唐金權(quán)，袁乙專

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州 510600；2.明珠電氣有限公司，廣東廣州 511400）

0 前言

電抗器是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無功平衡、限制電網(wǎng)故障擴(kuò)大的重要設(shè)備。近年來，電網(wǎng)內(nèi)由于10～35 kV干式鐵芯電抗器質(zhì)量問題、運(yùn)行環(huán)境問題導(dǎo)致電抗器缺陷甚至停運(yùn)的情況時(shí)有發(fā)生，其中噪聲大的問題已成為影響電抗器運(yùn)行質(zhì)量的最普遍的缺陷之一，而且隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，噪聲大的問題更加突出，嚴(yán)重影響設(shè)備持續(xù)安全運(yùn)行[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年10～35 kV干式鐵芯電抗器在廣東電網(wǎng)公司內(nèi)發(fā)現(xiàn)缺陷共計(jì)202臺(tái)次，其中振動(dòng)異常噪聲過大缺陷共計(jì)76臺(tái)次，缺陷率占比為37.6%。

目前在系統(tǒng)中運(yùn)行的鐵芯電抗器均已通過試驗(yàn)考核，但在投運(yùn)后或運(yùn)行一段時(shí)間后即出現(xiàn)噪聲大問題，此類缺陷在運(yùn)行的產(chǎn)品中比較普遍。因此，對(duì)運(yùn)行后的干式鐵芯電抗器噪聲問題進(jìn)行分析，研究處理對(duì)策，對(duì)加快噪聲問題排查分析和制定降噪措施，提高預(yù)防噪聲能力，十分有意義，本文就此進(jìn)行探討。

1 運(yùn)行后的噪聲問題

1.1 技術(shù)參數(shù)

（1）名稱：樹脂絕緣干式鐵芯串聯(lián)電抗器；

（2）型號(hào)：CKSC-200～500/10-5；

（3）額定容量：200～500 kvar；

（4）額定電壓：10 kV；

（5）額定端電壓：318 V；

（6）額定電流：210～524 A；

（7）額定頻率：50 Hz；

（8）額定電抗率：5%；

（9）絕緣等級(jí)：F；

（10）繞組溫升限值：95 K；

（11）絕緣水平：LI75AC35；

（12）冷卻方式：AN。

1.2 電抗器一般噪聲問題分析和處理

1.2.1 金屬雜音

金屬雜音頻率以100 Hz為主，主要表現(xiàn)：（1）緊固螺絲松動(dòng)，引起金屬墊圈松動(dòng)，在交變磁場(chǎng)作用下金屬墊圈撞擊鄰近金屬件；（2）小體積的金屬跌落在鐵芯和夾件之間的縫隙中，受交變磁場(chǎng)影響發(fā)生持續(xù)振動(dòng)；（3）鐵餅中的硅鋼片松動(dòng)；（4）電抗器金屬圍欄局部振動(dòng)；（5）刀閘等開關(guān)設(shè)備沒有合到位。判斷方法：選取長(zhǎng)度不小于2米的干燥環(huán)氧絕緣棒用力頂懷疑部位的小零件，看金屬雜音是否變小，如發(fā)生明顯變化就說明，對(duì)應(yīng)部位的小零件在振動(dòng)。

解決辦法：檢修時(shí)對(duì)發(fā)生松動(dòng)的部位，重新緊固，配合進(jìn)行防松改造則更好。

1.2.2 局部噪聲偏高

對(duì)三相電抗器進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)，測(cè)試輪廓線為一個(gè)長(zhǎng)圓形，如圖1。噪聲測(cè)試結(jié)果顯示，各點(diǎn)噪聲不一致，有時(shí)表現(xiàn)為相鄰的一串?dāng)?shù)據(jù)偏大，比如圖1中的測(cè)點(diǎn)4、5、6和7的數(shù)據(jù)受線圈（A，X）對(duì)應(yīng)鐵芯柱影響較大，對(duì)照產(chǎn)品實(shí)物來講，就是單側(cè)噪聲偏高，差異有時(shí)在5 dB以上。產(chǎn)生原因?yàn)椋海?）電抗器裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，有一個(gè)鐵芯柱裝配質(zhì)量較差，引起鄰近該鐵芯柱的一側(cè)噪聲大；（2）安裝空間狹小，電抗器發(fā)生噪聲反射后，在局部測(cè)試區(qū)間顯著加強(qiáng)；（3）安裝地面不平；（4）多臺(tái)電抗器相互影響。

解決方法：（1）重新裝配鐵芯柱，或者更換鐵芯；（2）在墻面裝設(shè)吸音屏，減少反射；（3）在電抗器底座與地面之間裝橡膠墊，以減小地面不平的影響；（4）將電抗器裝入具有吸音功能的外殼中，可以把相互影響降到最低。

圖1 噪聲測(cè)點(diǎn)分布圖

1.2.3 引線銅排噪聲

由于引線銅排有大電流通過，因空間磁場(chǎng)使銅排產(chǎn)生振動(dòng)。銅排的振動(dòng)將嚴(yán)重影響電抗器的噪聲，使電抗器的噪聲增大3～5 dB以上，如果不仔細(xì)區(qū)分，可能會(huì)誤認(rèn)為是電抗器本體的噪聲。判斷方法：選取長(zhǎng)度不小于2米的干燥環(huán)氧絕緣棒用力頂銅排，如果噪聲發(fā)生明顯變化就證明是引線銅排共振引起的噪聲問題。

解決方法：（1）稍微擰緊或者是松開支承點(diǎn)螺絲，嘗試改變對(duì)銅排的約束，以破壞銅排共振的條件；（2）銅排過度接頭處采用軟連接；（3）銅排支承點(diǎn)跨度大時(shí)，增加支承點(diǎn)；（4）支承點(diǎn)加隔振橡膠墊。

1.2.4 附件噪聲

有些電抗器帶外殼、金屬圍欄、風(fēng)機(jī)、溫控器等附件，這些附件的共振產(chǎn)生附加噪聲，如果不能識(shí)別排除就會(huì)誤認(rèn)為是電抗器的本體噪聲。判斷方法：（1）外殼：選取長(zhǎng)度不小于2米的干燥環(huán)氧絕緣棒用力頂外殼鋁板（或鋼板），看噪聲是否明顯變化，如發(fā)生明顯變化就說明外殼在振動(dòng)。（2）風(fēng)機(jī)：選取長(zhǎng)度不小于2米的干燥環(huán)氧絕緣棒用力頂每個(gè)風(fēng)機(jī)的外殼，看噪聲是否明顯變化，如發(fā)生明顯變化就說明風(fēng)機(jī)在共振。（3）其他附件：選取長(zhǎng)度不小于2米的干燥環(huán)氧絕緣棒用力頂電抗器所安裝的每個(gè)零部件（如：溫控器支架等），看噪聲是否明顯變化，如發(fā)生明顯變化就說明零部件在共振。

解決方法：（1）看外殼鋁板（或鋼板）是否松動(dòng)，有可能安裝時(shí)受不當(dāng)外力變形，需要重新擰緊一下外殼的螺絲，將外殼的鋁板固定好，對(duì)變形的部分進(jìn)行校正；（2）看風(fēng)機(jī)是否松動(dòng)，需要擰緊一下風(fēng)機(jī)的緊固螺栓，在風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)支架之間墊一塊橡膠，就可以抑制風(fēng)機(jī)的振動(dòng)；（3）如電抗器其他零部件松動(dòng)，則需要重新固定。

1.3 電抗器特珠噪聲問題分析和處理

1.3.1 噪聲隨運(yùn)行溫度明顯變化

電抗器投運(yùn)后，溫度逐步升高，直至達(dá)到溫度穩(wěn)定。電抗器溫升時(shí)間常數(shù)τ一般在3～5 h之間，達(dá)到溫度穩(wěn)定一般在投運(yùn)10 h之后。電抗器各種材料的熱膨脹系數(shù)彼此并不相同，具體見表1。

表1 材料的熱膨脹系數(shù)

（1）電抗器生產(chǎn)用到多種材料，有鐵磁材料如硅鋼片、金屬結(jié)構(gòu)件等，有絕緣材料如環(huán)氧樹脂，有導(dǎo)體如銅導(dǎo)線、出線銅排等，這些材料受熱后膨脹系數(shù)不一致，造成線圈膨脹快而鐵芯膨脹慢或者相反，伸縮很難同步；（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)上假設(shè)膨脹差異可以被吸收，采用如橡膠墊等易變形材料，其實(shí)際效果要通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行來檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)并補(bǔ)足其吸收能力的不足。

解決方法：由于材料特性差異，膨脹系數(shù)的差別總是存在的，要針對(duì)伸縮變化進(jìn)行膨脹吸收調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)，并留有裕度。

1.3.2 噪聲高于出廠值

出廠時(shí)經(jīng)聲級(jí)測(cè)定合格的電抗器，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，噪聲常高于出廠值5 dB以上，主要原因在于：（1)諧波影響，這里指并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置安裝接入點(diǎn)的背景諧波比較大；（2）環(huán)境中空腔放大噪聲，有的安裝基礎(chǔ)考慮不周留有空腔；（3）多臺(tái)產(chǎn)品靠近安裝相互激振，同規(guī)格產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，易發(fā)生共振；（4）負(fù)荷諧波增大，并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后，可能對(duì)特定諧波形成低阻抗通道，由于電網(wǎng)阻抗參數(shù)改變后電流重新分配，實(shí)際流過電抗器的諧波超過安裝前的預(yù)計(jì)水平。

解決方法：（1）應(yīng)用到存在較多諧波的系統(tǒng)時(shí)，電抗器設(shè)計(jì)時(shí)要選取較低的鐵芯磁密[2]；（2）將安裝基礎(chǔ)的空腔用沙或類似材料填實(shí)，破壞其空腔結(jié)構(gòu)；（3）為產(chǎn)品裝上具有吸音功能的外殼；（4）采用可調(diào)節(jié)電感值的電抗器，調(diào)節(jié)電抗值偏離諧振點(diǎn)。

2 預(yù)防措施

與系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、安裝操作過程及安裝基礎(chǔ)具體條件相關(guān)的噪聲，只有在安裝就位投運(yùn)后才能發(fā)現(xiàn)噪聲問題并進(jìn)行降噪處理，此外，從噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析，針對(duì)噪聲產(chǎn)生的產(chǎn)品自身原因，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法、選材原則、生產(chǎn)工藝和檢驗(yàn)試驗(yàn)手段基礎(chǔ)上，還須采取多種措施進(jìn)行預(yù)防。

2.1 改進(jìn)緊固工藝

磁致伸縮是電抗器鐵芯振動(dòng)的一個(gè)重要內(nèi)在原因，此外受電抗器鐵芯柱分割影響，鐵餅之間存在電磁力相互作用[3-6]，而鐵芯電抗器以鐵芯為支承骨架，鐵芯的振動(dòng)使線圈振動(dòng)也不可避免。電抗器生產(chǎn)過程中，須采取防振動(dòng)措施，特別要收集運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)緊固方法，如采用止動(dòng)墊圈等。經(jīng)證明對(duì)降噪起關(guān)鍵作用的工藝措施，應(yīng)推廣應(yīng)用，如鐵餅真空澆注、鐵芯柱與鐵軛接縫處理等。

2.2 克服檢驗(yàn)和試驗(yàn)盲區(qū)

對(duì)串聯(lián)電抗器，聲級(jí)測(cè)定為特殊試驗(yàn)項(xiàng)目，而電抗器噪聲不完全由設(shè)計(jì)、選材、工藝路線決定，還與裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性相關(guān)。同規(guī)格同批次產(chǎn)品，噪聲相差3～7 dB的情況也存在。這說明裝配質(zhì)量影響噪聲，有必要設(shè)計(jì)專用檢驗(yàn)設(shè)備，以排查裝配引起的鐵芯局部翹曲、結(jié)構(gòu)件扭曲如拉桿的扭曲等嚴(yán)重不利于抑制噪聲的情況，檢驗(yàn)裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性。對(duì)噪聲敏感的變電站選用的電抗器設(shè)備，宜將聲級(jí)測(cè)定列入例行試驗(yàn)項(xiàng)目。

2.3 加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)指導(dǎo)

設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)要增加現(xiàn)場(chǎng)防噪聲內(nèi)容，對(duì)異常噪聲現(xiàn)象提示查找原因的方向和排查的具體步驟。鐵芯電抗器的鐵芯柱先分割再?gòu)?fù)合而成，不利于噪聲抑制，要特別加強(qiáng)鐵芯防松動(dòng)的檢查，包括局部鐵芯片的松動(dòng)、作用在鐵芯上的緊固裝置防松等。

2.4 合理選型避開諧振

根據(jù)GB50227-2008并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)電網(wǎng)背景諧波為5次及以上時(shí)，電抗率配置可按4.5%～5%。要注意電容值的實(shí)測(cè)值和理論值差別，考核容抗和電抗匹配關(guān)系，避開諧振。

3 現(xiàn)場(chǎng)噪聲處理實(shí)例

某變電站共有2套并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置，全部采用了樹脂絕緣干式鐵芯串聯(lián)電抗器（型號(hào)：CKSC-300/10-5），投運(yùn)后用戶反映噪聲大，嚴(yán)重影響值班人員休息，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，單臺(tái)運(yùn)行噪聲（聲壓級(jí)）高達(dá)81.3 dB(A)。

噪聲原因排查步驟如下：經(jīng)檢查，產(chǎn)品投運(yùn)時(shí)間已有1年2個(gè)月，說明產(chǎn)品已經(jīng)年度周期性負(fù)荷變化運(yùn)行考驗(yàn)，基本可以暴露設(shè)備在噪聲方面的隱患。線圈為兩包封結(jié)構(gòu)，兩側(cè)銅排出線，外觀未見異常，從下至上表面測(cè)試溫度84℃～98℃，溫升正常（環(huán)境溫度28℃）。產(chǎn)品鐵芯采用了“山”字形鐵軛，沒有中心拉桿，靠8條旁拉桿拉緊。檢查安裝基礎(chǔ)，無空腔等不當(dāng)結(jié)構(gòu)，地腳緊固螺栓無明顯松動(dòng)。檢查電流諧波含量，僅有少量諧波，以5次諧波為主，總諧波含量3.7%（低于5%）。調(diào)查環(huán)境噪聲，通風(fēng)設(shè)施無異常噪聲；且離主變室較遠(yuǎn)，可以排除主變?cè)肼曈绊?；同室布?套并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置，再無其他噪聲源。再檢查圍欄，圍欄由金屬立柱和非金屬網(wǎng)板拼接而成，無異常。進(jìn)出線全部采用了電纜。

初步判斷，噪聲由產(chǎn)品本體產(chǎn)生，受鐵芯松動(dòng)影響概率較高。為進(jìn)一步查找原因，選取長(zhǎng)度為2米的干燥環(huán)氧絕緣棒用力頂住上鐵軛，震感十分明顯。頂住下鐵軛，震感依然十分明顯。詢問值班人員，產(chǎn)品運(yùn)行后已經(jīng)過一次降噪處理，主要是重新緊固鐵芯并刷漆。由此推測(cè)產(chǎn)品鐵芯結(jié)構(gòu)可能有固有缺陷，上述措施不能消除該缺陷。借助可移動(dòng)光源，仔細(xì)查看鐵芯柱，發(fā)現(xiàn)鐵芯柱未采用真空澆注工藝，其上涂刷的樹脂已大部分脫落，至此可以判斷鐵芯柱松動(dòng)引起噪聲異常。

由于鐵芯柱松動(dòng)缺陷沒法現(xiàn)場(chǎng)消除，降噪方案是按現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品尺寸和參數(shù)重做一臺(tái)干式鐵芯串聯(lián)電抗器，重做時(shí)鐵芯采用磁致伸縮性能好的30Q120硅鋼片，鐵芯柱采用真空澆注工藝，重新安裝就位時(shí)在安裝基礎(chǔ)上增加了隔振橡膠墊。投運(yùn)后產(chǎn)品實(shí)測(cè)噪聲（聲壓級(jí)）降到53.1 dB(A)（詳見表2），解決了困擾用戶的噪聲問題，說明噪聲異常原因排查判斷正確，所采取的降噪措施有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著在網(wǎng)投運(yùn)干式鐵芯電抗器的增加和產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，設(shè)備在噪聲方面隱患暴露的幾率逐漸增大，加強(qiáng)噪聲問題的分析和處理，提高對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的噪聲問題的辯識(shí)能力并保持警惕，防止出現(xiàn)嚴(yán)重事故，減小設(shè)備停運(yùn)損失。

表2 聲級(jí)測(cè)定

（1）在設(shè)備選型和工程設(shè)計(jì)上，須采取降噪措施，防止共振等噪聲放大情況出現(xiàn)；

（2）干式鐵芯電抗器有其特珠性，即使采用同樣的設(shè)計(jì)、采取同樣的降低噪聲措施生產(chǎn)，每臺(tái)產(chǎn)品的噪聲仍然有其獨(dú)特性，須研究適用的檢驗(yàn)設(shè)備對(duì)噪聲隱患進(jìn)行識(shí)別和處理；

（3）研究干式鐵芯電抗器噪聲問題分析和處理方法，制訂處理預(yù)案，以提高噪聲問題排查速度和現(xiàn)場(chǎng)改善效果。

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