基于電力電容器芯子結(jié)構(gòu)改進(jìn)的振動(dòng)控制方法

王嬌嬌，劉夫云，李德璽，陳鑫淼

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

0 引言

隨著人口的不斷增長(zhǎng)以及城市化快速發(fā)展，直流換流站內(nèi)電容器裝置往往建立在靠近人口密集的區(qū)域，但該裝置所產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重的影響了周圍居民的正常生活。在CIGRE technical report報(bào)告中指出在特高壓直流換流站中電容器的噪聲水平范圍已經(jīng)達(dá)到60～105 dB[1]。根據(jù)中國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)某換流站內(nèi)的A計(jì)權(quán)噪聲進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果[2]：電力電容器裝置附近的輻射噪聲高達(dá)89.7 dB，大大超過(guò)了人類可接受的噪聲范圍。因此，如何有效地控制電力電容器的振動(dòng)輻射噪聲，已成為丞待解決的難題。

關(guān)于電容器振動(dòng)控制技術(shù)早就開始被關(guān)注研究，并取得了一定的成效。2012年，Zhu L等人[3]對(duì)雙底面電容器的隔振降噪效果進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示：采用雙底面電力電容器，底面的振動(dòng)明顯減小。2013年，左強(qiáng)林等人[4]用大量的實(shí)驗(yàn)表明：在電容器底部加隔聲腔能夠有效的降低電容器噪聲。2015年，黃國(guó)興等人[5]在電容器的頂部和底部加入復(fù)合微穿孔板，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)可使電容器頂部和底部的降噪量達(dá)到6～7 dB。2015年，甘林等人[6]在電容器芯子底面與殼體間設(shè)置波紋管減振器，使得電容器底部的噪聲降低了9 dB。上述學(xué)者對(duì)電容器振動(dòng)噪聲控制研究多集中在芯子與外殼隔振等方面，而對(duì)電容器芯子振動(dòng)控制及振動(dòng)仿真建模等方面進(jìn)行研究的文獻(xiàn)還鮮有見刊。但電容器產(chǎn)生輻射噪聲主要來(lái)源于芯子的振動(dòng)，研究芯子的振動(dòng)及其控制方法是目前解決電容器噪聲問(wèn)題的關(guān)鍵難題。

本文從電力電容器芯子減振理論及振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，并考慮到質(zhì)量塊具有良好的安全性、成本低、工程易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，所以提出了在芯子串段間合理設(shè)置質(zhì)量塊的方法，使電容器的固有頻率避開電流的激勵(lì)頻率，從而降低電容器的振動(dòng)[7]；并對(duì)提出的方法進(jìn)行仿真建模及試驗(yàn)驗(yàn)證；根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了在芯子串段間加載質(zhì)量塊可以改善電容器的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。

1 加載質(zhì)量塊的電容器芯子振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

1.1 加載質(zhì)量塊的電容器結(jié)構(gòu)分析

加載質(zhì)量塊的電容器的外部結(jié)構(gòu)主要由殼體、電介質(zhì)引線鐵、陶瓷套管、吊耳等組成，內(nèi)部主要由放電電阻、絕緣浸漬劑、芯子、質(zhì)量塊等材料組成，如圖1所示。其中，絕緣浸漬劑（如芐基甲苯等）用來(lái)填充電容器內(nèi)部的空隙，防止電極之間通過(guò)電解質(zhì)放電，導(dǎo)致電容器故障；芯子單元是由鋁箔和絕緣材料（如聚丙烯薄膜等）疊加在一起纏繞并壓制成扁平狀，電容器芯子由芯子單元通過(guò)電路的串聯(lián)和并聯(lián)組成，然后經(jīng)過(guò)真空處理，裝入箱殼后充入絕緣浸漬劑密封；部分質(zhì)量塊通過(guò)焊接工藝固定在殼體的頂部與底部，其他質(zhì)量塊分布在芯子串段之間。

圖1 加載質(zhì)量塊的電容器結(jié)構(gòu)圖

1.2 電容器芯子振動(dòng)機(jī)理分析

當(dāng)電容器加載有交變電流時(shí)，相鄰的鋁箔之間組成了交變的電場(chǎng)。因?yàn)樾咀釉潜馄綘畹模瑑蓚?cè)卷繞圓弧部分相對(duì)于平行極板面積較小，故其面積可以忽略不計(jì)，可將電容器極板等效為平行板電容器模型進(jìn)行分析，如圖2所示，u（t）為在電容器芯子極板上作用的電壓，A為等效極板面積。如圖3所示，由于芯子元件中間的所有鋁箔兩側(cè)均受到大小相等方向相反的電場(chǎng)力，處于受力平衡狀態(tài)，所以只有處于元件最外端的鋁箔是單向受力的，因此，電容器振動(dòng)有明顯的指向性，并且通過(guò)大量噪聲測(cè)試發(fā)現(xiàn)電容器頂部和底部為主要噪聲源。

圖2 電容器等效電路圖

圖3 芯子極板所受電場(chǎng)力分析圖

其中，A為等效極板的面積，ε為極板的電容率，x為兩極板間的距離，u（t）為極板間的電壓。

一般基波電壓與一種或多種高次諧波電壓同時(shí)加載形成電容器中的電壓。因此，當(dāng)某n次諧波電壓與基波電壓疊加時(shí)，芯子極板上的總電壓表達(dá)式為：

假設(shè)初相位為零，聯(lián)立（1）-（2）式：

兩個(gè)極板之間的電場(chǎng)力 F（t）為[8]：

試驗(yàn)電流工況參數(shù)為：基波頻率電流I1=50 A，諧波頻率電流I5=12 A，I11=5 A，I13=16 A，根據(jù)式（3）在MATLAB中進(jìn)行仿真計(jì)算，實(shí)驗(yàn)電流工況電場(chǎng)力的時(shí)域曲線如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)工況下的電場(chǎng)力時(shí)域圖

2 加載質(zhì)量塊的電容器芯子有限元仿真及設(shè)計(jì)方案分析

2.1 芯子減振理論分析

電容器芯子振動(dòng)主要由于加載在芯子上的電流激勵(lì)頻率與芯子的某階固有頻率相等，產(chǎn)生共振引起的，因此，芯子的相關(guān)減振方案可以利用反共振的發(fā)生原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。反共振指當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)所受到的激振力的頻率為某一值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)振動(dòng)靜止的狀態(tài)。每個(gè)反共振峰出現(xiàn)在相鄰的共振峰之間，并且在反共振峰處振動(dòng)振幅最小。

當(dāng)不考慮阻尼對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響時(shí)，任意一個(gè)MDOF系統(tǒng)的位移導(dǎo)納矩陣表達(dá)式為[9]：

其中，Δ 為阻抗矩陣[k]- ω2[m]的行列式，[Δij]為阻抗矩陣的代數(shù)余子式。

當(dāng)僅在多自由度系統(tǒng)中第j節(jié)點(diǎn)處施加簡(jiǎn)諧力f=Fejwt，則在系統(tǒng)中第i點(diǎn)產(chǎn)生的位移振幅可表示為：

由以上分析可知，當(dāng)激勵(lì)頻率ω滿足：Δ=[k]-ω2[m] =0時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。Δij=0時(shí)，系統(tǒng)將在坐標(biāo)i點(diǎn)產(chǎn)生反共振。具體方程如下：

通過(guò)式（6）和式（7）可以求得n個(gè)共振頻率和m個(gè)反共振頻率且m＜n，只要激勵(lì)頻率ω與共振及反共振中任意一個(gè)頻率重合，共振或反共振現(xiàn)象都會(huì)發(fā)生。工程上大部分應(yīng)用的減振措施就是依據(jù)反共振發(fā)生原理，在原來(lái)振動(dòng)系統(tǒng)上設(shè)計(jì)一個(gè)附加的系統(tǒng)來(lái)抑制原系統(tǒng)的振動(dòng)。利用反共振原理降低電容器的方法有多種，比如在殼體上安裝加強(qiáng)筋板，改變電容器殼體的質(zhì)量，等方案，但考慮到經(jīng)濟(jì)性及工程上是否易實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，在芯子串段間合理設(shè)置質(zhì)量塊的方法，對(duì)于降低電容器的振動(dòng)比較合適。

2.2 加載質(zhì)量塊的電容器芯子振動(dòng)有限元模型

加載質(zhì)量塊的電容器的振動(dòng)有限元模型主要由芯子串段、殼體、吊耳及質(zhì)量塊組成，芯子串段等效為尺寸大小相同的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，各組件的材料屬性如表1所示。根據(jù)電力電容器實(shí)際接觸分析可知，電容器芯子和等效虛擬介質(zhì)及質(zhì)量塊之間的接觸方式均為法向無(wú)滲透、切向無(wú)滑動(dòng)接觸，芯子與殼體之間的接觸方式為共節(jié)點(diǎn)接觸。電力電容器通過(guò)吊耳與電容器塔架相連。為了模擬電力電容器實(shí)際工作狀態(tài)，故在吊耳處施加固定約束。分別在殼體的頂部和底部施加電場(chǎng)力，電場(chǎng)力的大小如圖4所示。電容器的內(nèi)部為大阻尼系統(tǒng)[10]，因此阻尼比ζ取1.1。建立在芯子串段頂部和底部加載質(zhì)量塊的電容器芯子振動(dòng)有限元模型如圖5所示。

表1 加載質(zhì)量塊的電容器材料屬性

圖5 加載質(zhì)量塊的電容器芯子振動(dòng)仿真模型

圖6 為通過(guò)ANSYS中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真得到的電容器芯子底部加速度云圖。由仿真結(jié)果可知，未加質(zhì)量塊時(shí)芯子底部最大加速度為1.1 m/s2，在殼體頂部和底部分別加入5 kg質(zhì)量塊后，芯子底部的最大加速度值為0.79 m/s2，雖然振動(dòng)有所減小，但是提高減振降噪效果，需要合理布置質(zhì)量塊的質(zhì)量和位置。

圖6 電容器芯子底部加速度有限元仿真云圖

2.3 質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)分析

在電容器芯子振動(dòng)仿真模型的基礎(chǔ)上，提出在芯子串段間合理設(shè)置質(zhì)量塊的方法，通過(guò)改變質(zhì)量塊的質(zhì)量和在位置，在ANSYS中仿真電容器芯子底部的振動(dòng)。如圖7所示，質(zhì)量塊分別安置在芯子串段間1、2、3、4位置處，通過(guò)合理改變質(zhì)量塊的質(zhì)量和位置，來(lái)降低電容器芯子本身的振動(dòng)，從而減少芯子振動(dòng)向外殼的傳遞，進(jìn)而降低電容器外殼的輻射噪聲。

圖7 芯子串段間質(zhì)量塊的位置分布

2.3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

選取電力電容器芯子底部振動(dòng)加速度的最小值作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3.2 設(shè)計(jì)變量

針對(duì)質(zhì)量塊的質(zhì)量（0～10 kg）及在芯子串段間的位置（在1，2，4和2，3位置處加質(zhì)量塊）作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行振動(dòng)仿真。

2.3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

基于電容器芯子振動(dòng)仿真模型，根據(jù)分析設(shè)計(jì)的方案，在芯子串段之間的不同位置加載不同質(zhì)量的質(zhì)量塊，仿真獲得電容器芯子底部不同節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度。

如圖8和圖9所示，為在芯子串段不同位置處加載不同質(zhì)量的質(zhì)量塊后，電容器芯子底部不同節(jié)點(diǎn)的加速度峰峰值仿真曲線圖。由圖8可知，隨著質(zhì)量塊質(zhì)量的增加，底部加速度幅值也隨之增加，因此在串段2，3位置處加載質(zhì)量塊的方式并不能降低電容器的振動(dòng)。由圖9可知，隨著質(zhì)量塊質(zhì)量的增加，加速度幅值隨之下降，尤其在加載5 kg的質(zhì)量塊時(shí)，加速度幅值下降比較明顯，且中間8號(hào)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值從1.1 m/s2降低到0.5 m/s2，因此在串段1，2，4位置處加載質(zhì)量塊的方式可以降低電容器的振動(dòng)，如果質(zhì)量塊的質(zhì)量繼續(xù)增加時(shí)，加速度幅值下降趨勢(shì)變緩，同時(shí)也會(huì)增加降噪成本。

圖8 2，3位置加質(zhì)量塊電容器芯子底部加速度

圖9 1，2，4位置加質(zhì)量塊電容器芯子底部加速度

3 加載質(zhì)量塊的電容器噪聲實(shí)驗(yàn)對(duì)比

在消聲室中，利用PSV-400激光測(cè)振儀和DASP東方所16信號(hào)通道振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)，分別對(duì)常規(guī)電容器和在芯子串段間2，3（命名為“樣品1電容器”）、1，2，4 位置（命名為“樣品 2 電容器”）加載 5 kg的質(zhì)量塊的電容器進(jìn)行振動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖10為在消聲室內(nèi)電容器振動(dòng)噪聲測(cè)試圖。

圖10 電容器振動(dòng)和噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

如圖11和圖12所示，為常規(guī)電容器和樣品1電容器、樣品2電容器各節(jié)點(diǎn)振動(dòng)加速度對(duì)比圖?？梢钥闯觯谛咀哟?，3位置處加質(zhì)量塊后，電容器底部各節(jié)點(diǎn)振動(dòng)加速度明顯變大，并沒(méi)有減振效果；而在芯子串段1，2，4位置處加質(zhì)量塊后，電容器底部各節(jié)點(diǎn)振動(dòng)加速度明顯降低，其中中間9節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)從1.2 m/s2降低到了0.68 m/s2。

圖11 樣品1和常規(guī)電容器底面加速度對(duì)比

通過(guò)噪聲測(cè)試，常規(guī)電容器、樣品1電容器、樣品2電容器底部的噪聲分別為50.8 dB、55.2 dB、47.9 dB。相比于常規(guī)電容器，樣品1電容器底部的噪聲增加了4.4 dB，樣品2電容器底部的噪聲減少了2.9 dB。所以，質(zhì)量塊在芯子串段間1，2，4位置時(shí)，具有一定的減振降噪效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文分析了加載質(zhì)量塊的電容器芯子振動(dòng)機(jī)理與減振機(jī)理，解釋了在芯子串段間加載質(zhì)量塊作為減振措施的原因。

（2）建立了加載質(zhì)量塊的電容器芯子振動(dòng)有限元模型，通過(guò)改變質(zhì)量塊的質(zhì)量和位置，對(duì)電容器芯子修改前后的底部加速度進(jìn)行仿真對(duì)比，仿真結(jié)果顯示：合理加載質(zhì)量塊的電容器芯子底部加速度相比于未加載質(zhì)量塊時(shí)有明顯降低。

（3）對(duì)實(shí)際加載質(zhì)量塊的電容器進(jìn)行振動(dòng)噪聲測(cè)試，結(jié)果表明，修改后的電容器底部振動(dòng)加速度最大值從1.2 m/s2降低到0.68 m/s2，且輻射噪聲降低了2.9 dB。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比結(jié)果，驗(yàn)證了在芯子串段間合理加載質(zhì)量塊可以有效地降低電容器的振動(dòng)噪聲。