高壓直流輸電工程電容器單元降噪措施

桂林電力電容器有限責任公司 吳秀榮 黃桂發(fā)

自2010年向家壩—上?！?00kV 特高壓直流輸電示范工程建成投運以來，我國高壓直流輸電工程建設得到快速、有續(xù)地推進。目前我國已成為世界上直流輸電電壓最高、線路最多、單條線路輸電量和輸電總量最大的國家。由于直流輸電工程存在整流和逆變的過程，必然會產(chǎn)生大量的諧波，需要裝設大量的濾波器。換流站裝設的大容量并聯(lián)、濾波電容器裝置，由于數(shù)量較多、容量較大以及高次諧波流入電容器等因素，使得電容器噪聲成為換流站中噪聲的主要因素之一[1]，極大地影響了換流站內(nèi)工作人員及周圍居民的生活[2～3]，噪聲問題也備受關注，亟待早日解決。因此如何在聲源處抑制噪聲的產(chǎn)生及傳播，成為了值得研究的課題。

為加強電容器噪聲控制，在建設高壓直流輸電工程前期，已在招標技術規(guī)范中明確了濾波及并聯(lián)電容器的單臺噪聲要求，并且要求電容器單元噪聲按照國標GB/T 32524.1《聲學聲壓法測定電力電容器單元的聲功率級和指向特征第1部分：半消聲室精密法》來測量[4]，測量時要將數(shù)據(jù)進行記錄，如果測量值不大于投標保證值，電容器單元噪聲就符合指標要求。當然，招標規(guī)范對電容器裝置的噪聲也有要求，因裝置噪聲除了與單臺噪聲有關外，還與裝置的高度、單臺的數(shù)量等有關，裝置噪聲的控制主要還是通過單臺噪聲的控制來實現(xiàn)。

1 電容器噪聲產(chǎn)生機理分析

1.1 電容器結構

單臺電容器表面是不銹鋼外殼，配有套管。電容器內(nèi)都充滿了油，并且內(nèi)含一個由許多電容器元件經(jīng)串、并聯(lián)聯(lián)接組成的心子。每個電容器元件由兩層作為極板的鋁箔和數(shù)層一定長度的塑料薄膜或紙膜繞制而成。根據(jù)實際用途，有些還裝設了內(nèi)熔絲及內(nèi)放電電阻。另外，電容器真空浸漬處理工藝的好壞，對油浸式電容器的電氣性能有很大的影響。

1.2 電容器噪聲的產(chǎn)生機理

對于電容器心子內(nèi)部元件而言，因電容器元件的每側(cè)均有電極鋁箔，當電容器元件加載電壓時，內(nèi)部極板每一側(cè)受到大小相同，方向相反的靜電力作用，由于電容器元件中間薄油層的強度是非常高的，盡管中間受力處上下力之間有小的偏移，但還是可互相抵消，故處于平衡狀態(tài)，所以帶電元件的大部分部位受力都是平衡的，僅頂部和底部邊緣處的極板只受到單方向靜電力作用而產(chǎn)生振動，因此，電容器元件的大部分可聽噪聲是從其頂部和底部發(fā)出的[5～6]。

電容器心子的發(fā)聲機理與電容器元件類似，因電容器心子是由電容器元件逐層疊加，且平行于底面固定在電容器外殼內(nèi)的。當電容器加載電壓時，由于電容器元件的極板在外施電壓的作用下，產(chǎn)生有規(guī)律的機械振動，由元件的振動通過液體絕緣介質(zhì)和支撐心子的絕緣支架傳遞到外殼，外殼振動而產(chǎn)生噪聲。因此電容器外殼的振動也主要集中在底部和頂部，即電容器的噪聲主要沿著底部和出線套管的方向傳播。

另外，也可根據(jù)電容器構造及工作運行環(huán)境分析電容器噪聲產(chǎn)生機理。當諧波電流通過電容器時會產(chǎn)生較強的周期性電場，尤其在特高壓直流輸電工程中電容器在運行中產(chǎn)生的其他電場也比較強，在周期性電場作用下，電容器極板間膜介質(zhì)受力振動，使得單臺電容器產(chǎn)生噪聲。由于整個系統(tǒng)中包括電容器在內(nèi)帶電設備較多，容易造成振動疊加，加之不銹鋼外殼自身剛性不足，也容易在這一狀態(tài)下一同發(fā)生結構性共振，這些都是電容器運行噪聲較大的重要原因。

綜上，一般認為電容器振動噪聲的產(chǎn)生分為3個過程：交變的電場力作用在心子上使得心子產(chǎn)生振動；內(nèi)部心子的振動通過絕緣介質(zhì)和固定心子的絕緣件傳遞到電容器外殼，引起外殼振動；振動的電容器外殼向周圍輻射可聽噪聲。

2 電容器單元降噪方法

根據(jù)上述電容器噪聲產(chǎn)生機理，尋找減少和抑制噪聲產(chǎn)生最合適的方法。減少和抑制噪聲產(chǎn)生的方法有三種，首先是從聲源處減弱或抑制噪聲，但是應注意要與電容器的結構特點和工作原理相結合，進而找到合適的降噪措施；其次就是減少或抑制噪聲傳播，如通過選用合適的材料，在電容器外部安裝適宜的降噪裝置，進而起到隔音和阻斷聲音傳播的作用，以此來減弱噪聲的傳播；最后還可以在人耳處減弱噪聲，但是這種方法不適用于電容器單元降噪。

所以在聲源處減弱噪聲與在聲音的傳播中減弱噪聲的方法，就可以應用在高壓直流輸電工程低噪聲電容器單元設計中，根據(jù)不同的方法采用優(yōu)化電容器內(nèi)部結構設計或制造工藝、在外殼底部和頂部內(nèi)外部增加隔聲腔、隔聲罩等降噪措施。

2.1 電容器內(nèi)部減少噪聲產(chǎn)生的方法

從設計結構來講，可以采用以下方式來減少電容器內(nèi)部噪聲的產(chǎn)生：

2.1.1 心子固定或采用減振緩沖

在通電條件下，引線片也會產(chǎn)生一定程度的振動，發(fā)出噪聲，且隨著頻率的增大，影響程度越大。要調(diào)整電容器內(nèi)部心子串聯(lián)段的結構，減少因為電動力的運動而導致串段間的位置發(fā)生改變和振動的現(xiàn)象。同時通過采用減振緩沖和心子固定結構，保障電容器心子頂部和底部的穩(wěn)定，避免因為外界因素，影響心子的正常運動，同時盡可能消耗振動能量，進而減弱噪聲。

2.1.2 采取合理的壓緊系數(shù)，選用合適的心軸

壓緊系數(shù)越大，元件受到的約束力就越強，振動空間就越小，噪聲水平會較低。由于電容器元件結構和制造工藝的限制，壓緊系數(shù)不能無限大。配合電容器制造工藝，巧妙地設計心子結構，采用合理的壓緊系數(shù)。在提高元件壓緊系數(shù)的同時，還要保證元件的壓緊系數(shù)均衡，以此來降低極板間的振動頻率，進而減少噪聲。

另外，還可以通過選用合適的心軸調(diào)整元件寬度，減小心子與外殼間隙，緊固心子，避免位移，減弱噪聲。

2.1.3 合理設計電容器電動力強度

電容器在交變電壓作用下，電極間的電介質(zhì)受到交變的電場力作用，同時，極板上流過的電流使兩個極板受到電動力的作用，在電場力與電動力的共同作用下產(chǎn)生頻率為電源頻率的2倍的振動噪聲。由于電場力與外加電壓的平方成正比，電動力與流過極板的電流的平方成正比，調(diào)整元件串并數(shù)進而減小元件受到的電場力與電動力，可以有效地降低電容器內(nèi)部噪聲[5]。

2.1.4 心子內(nèi)部安裝降噪元件

降噪元件有隔聲腔、穿孔板等。隔聲腔由金屬材質(zhì)加工而成，隔聲腔的內(nèi)部可以是空腔，也可以增加填充物，通常為空腔結構；可以安放在電容器元件串聯(lián)段內(nèi)部，也可以安裝在元件串聯(lián)段間。因它的結構與元件相似，具有一定的剛性，所以隔聲腔附近的元件很難發(fā)生共振情況。降噪設計的原理主要是調(diào)整頻響曲線避開共振頻率，降低噪聲。但需要注意的是，通過空腔調(diào)整頻響特性時有可能在其他頻率上發(fā)生共振，導致電容器噪聲不降反升。另外，空腔型降噪措施一旦發(fā)生漏油情況，會導致電容器內(nèi)部浸漬不足，絕緣下降。

2.1.5 外殼的頂部或底部加裝元件

內(nèi)側(cè)加裝隔聲腔、穿孔板等隔聲吸聲降噪元件。電容器的噪聲主要是沿著電容器的底部和出線套管方向上傳播的，因此在電容器外殼底部和頂部的內(nèi)側(cè)即器身兩側(cè)增加鋼材質(zhì)的隔聲腔也能有效地阻滯噪聲的傳播，降低噪聲。穿孔板主要安裝在心子的兩端，尤其是微穿孔板為具有足夠?qū)拵У耐ㄓ眯臀曮w，對特定頻率諧波具有吸聲特性。

從工藝上來說，還可以同步采用如下措施：

首先要注意選用厚度均勻性較好的薄膜；選用浸漬性強、使膜溶脹性小、收縮率小的優(yōu)質(zhì)浸漬劑。

元件卷制時最好在具有恒定張力的自動卷制機上進行，不僅要控制卷制所需的材料，還要注意材料卷制的圈數(shù)和適宜的張力，使得卷制的元件緊密度與一致性要好，好減少振動，進而避免噪聲。

除此之外還要以提高電容器的整體浸透性能為目的，完善電容器的真空浸漬工藝，以此來減少噪聲的產(chǎn)生。

2.2 電容器外部減少噪聲的方法

電容器的噪聲主要是沿著電容器的底部和出線套管方向上傳播。在電容器外殼底部和頂部可以采用安裝吸音罩來減少噪聲。吸音罩結構內(nèi)填充了大量的吸音材料，而且為了控制吸音罩與箱殼底部和頂部的噪聲，在吸音材料與箱殼底部和頂部也設置了安全空隙，進而減少因為共振而產(chǎn)生的噪聲。另外，為了避免因為天氣因素而產(chǎn)生的噪聲，在吸音罩與箱殼四周都要安裝保護措施，以此來避免雨水進入吸音材料，降低吸音效果。但是在箱殼底部和頂部外部安裝降噪措施，會影響電容器單元箱殼外部的散熱功能，所以在安裝前一定要充分考慮安裝效果及影響，進而選擇最優(yōu)的降噪措施。

除此之外，還可以在電容器大面兩側(cè)加裝隔聲裝置。該隔聲裝置包括隔聲擋板和調(diào)節(jié)機構，隔聲擋板通過調(diào)節(jié)機構安裝在電容器外部，且隔聲擋板與電容器之間存在空隙間隔，通過調(diào)節(jié)機構使隔聲擋板靠近或遠離電容器以設置不同的空隙間隔，達到最佳的降噪效果。

2.3 電容器同時采用內(nèi)外部減少噪聲的方法

為了滿足不同運行工況電容器的降噪要求，就要及時創(chuàng)新降噪措施，甚至可以同時采用內(nèi)、外部降低或抑制噪聲的措施。比如在安置吸音罩時，還可以在電容器內(nèi)部加置一個隔聲空腔，進而滿足電容器單元降噪的要求。特別在高壓直流輸電工程中，對不通過的諧波電流，電容器的型號不同，降噪措施也應及時作出變換，目的是電容器單元噪聲不能超過規(guī)范要求值或投標保證值。

3 降噪效果剖析

為了全面了解電容器的降噪效果，根據(jù)某特高壓直流輸電工程技術要求，按照國標標準GB/T 32524.1《聲學 聲壓法測定電力電容器單元的聲功率級和指向特征 第一部分：半消聲室緊密法》規(guī)定的方法進行電容器試品噪聲測量。電容器型號為AAM7.85-580-1W，測量時電容器為側(cè)臥放置，并安裝了17個測量點，測試電容器加載的諧波電流值見表1。電容器內(nèi)部采用不同降噪措施的試品17點噪聲測試結果平均值（聲壓級）見表2。在表2噪聲試品的外部采用不同降噪措施后，電容器試品17點噪聲測試結果平均值（聲壓級）見表3。

表1 測試電容器加載電流載荷

表2 AAM7.85-580-1W 采用內(nèi)部降噪措施后噪聲測試結果

表3 AAM7.85-580-1W 采用內(nèi)、外部降噪措施后噪聲測試結果

根據(jù)表2和表3的噪聲測試數(shù)據(jù)可知，對于AAM7.85-580-1W 試品，心子內(nèi)部加1個隔聲空腔與外殼底部內(nèi)側(cè)加隔聲空腔，噪聲明顯減少4dB（A）左右，但繼續(xù)增加心子內(nèi)部隔聲空腔，噪聲也只減少了2dB（A）左右。綜合采用內(nèi)、外部降噪措施后，噪聲大幅降低。

在實際應用中，到底采取哪種措施？這還需要各個電容器生產(chǎn)廠家綜合考慮產(chǎn)品運行的可靠性、生產(chǎn)加工的便捷性及經(jīng)濟性、后期維護便捷性等因素，選擇最安全可靠、最適合的措施。

需要說明的是，不同的隔聲空腔及隔聲罩設計降噪效果也是不同的，但均為有效降低噪聲的措施。但需要注意的是，通過調(diào)整某次特征諧波頻響特性的空腔有可能在其他頻率上發(fā)生共振，導致電容器噪聲不降反升。另外，空腔型降噪措施的好壞還與腔體內(nèi)空氣層尺寸有很大的關系，裝在電容器外部起到隔聲或吸音作用的隔聲罩降噪效果不僅與填充材料有關，還與安全空隙大小及密封程度有關。在實際工程應用時，要結合運行工況，合理選擇措施。

由全文可知，為了滿足技術規(guī)范或響應值要求，在電容器單元內(nèi)部和外部安裝降噪措施是十分重要的，但是在實際應用中，還需要考慮維護到產(chǎn)品運行的可靠性、生產(chǎn)加工的便捷性及經(jīng)濟性、后期維護便捷性等因素，要結合運行工況，選擇最安全可靠、最經(jīng)濟的措施。

在噪聲研究過程中，對不同的運行工況，靈活進行降噪方案設計，創(chuàng)新降噪方法。當然，在研究過程中還是會存在許多新的問題，所以還需要繼續(xù)對特高壓直流輸電工程電容器單元降噪措施進行創(chuàng)新研究，進而推動整個降噪技術的發(fā)展。