電抗器結(jié)構(gòu)聲輻射仿真分析與應(yīng)用

國網(wǎng)上海金山供電公司 余娟娟 蔣陳忠 葉 青 中國電建集團(tuán)裝備研究院有限公司 王海玲 孟令丹

并聯(lián)電抗器是電力系統(tǒng)中不可缺少的電氣設(shè)備，主要用于吸收系統(tǒng)中的容性無功功率、限制過電壓、抑制同步電機(jī)帶輕載時可能出現(xiàn)的自勵磁現(xiàn)象，起到穩(wěn)定和保護(hù)電力系統(tǒng)的作用。電抗器噪聲是變電站噪聲的主要來源之一，對廠界噪聲貢獻(xiàn)突出。為探索解決電抗器噪聲擾民問題，研究學(xué)者從聲源治理和傳播途徑治理等方面進(jìn)行了一系列研究，提出優(yōu)化電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、器身與油箱設(shè)置減振系統(tǒng)、隔聲屏障、隔聲裝置及有源控制技術(shù)等一系列控制電抗器噪聲的可行方法。

1 電抗器噪聲

并聯(lián)油浸式電抗器主要由油箱和內(nèi)部核芯部件兩部分組成。電抗器正常工作時，線圈繞組通入交變電流，產(chǎn)生交變的磁場，由于相鄰鐵芯餅之間有氣隙，處于磁場中的鐵芯餅的上下表面會受到電磁力的作用。同時由于鐵磁材料的固有屬性，在外磁場作用下，鐵磁材料的尺寸在各方向都會發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)生磁致伸縮變形。兩種交變的電磁激勵使得鐵芯發(fā)生振動，該振動通過鐵芯和油箱的固定連接結(jié)構(gòu)以及變壓器油傳遞到油箱，然后通過油箱的振動向周圍空氣輻射噪聲。

為進(jìn)一步明確電抗器噪聲頻率特性，對電抗器噪聲進(jìn)行了實地調(diào)研檢測。圖1給出額定容量為20000kVar、電壓等級為35kV 的并聯(lián)電抗器噪聲級頻譜分布情況，圖2給出各頻帶能量百分比。圖中可明顯看出，電抗器聲能主要集中在1/3倍頻程100Hz 頻帶范圍內(nèi)，約占到了電抗器聲能量88%，其次是200Hz。

圖1 35kV 并聯(lián)電抗器噪聲級及頻譜分布情況

圖2 電抗器聲能量百分比分布圖

2 電抗器噪聲分析模型

電抗器的振動來源主要有兩種，一種是因處于交變磁場中的鐵磁材料的磁致伸縮變形，另一種是由于受到交變的電磁力所引起的振動。磁致伸縮變形以及電磁力導(dǎo)致的鐵振動可直接向油介質(zhì)中輻射聲能量，聲場再激勵電抗器油箱向外輻射噪聲。另外磁致伸縮應(yīng)力和電磁力又可通過鐵心與油箱間的連接激勵油箱結(jié)構(gòu)振動向外聲輻射。

電抗器油箱結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)。油箱結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)由鐵心連接處激勵力Fm和鐵心通過油介質(zhì)輻射的聲場激勵Fp兩部分共同決定。油箱結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)由結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程可表示為：[M]{Y'']+[C]{Y'}+[K]{Y}={F}，其中[M]、[C]、[K]分別為油箱的質(zhì)量系數(shù)矩陣、阻尼系數(shù)矩陣和彈性系數(shù)矩陣，由油箱的物理結(jié)構(gòu)決定。{Y}為振動位移矢量，{Y'}、{Y'']是位移矢量的一階、二階導(dǎo)數(shù)，表示速度和加速度矢量。{F}表示力矢量，表征油箱受到的外力，由Fm和Fp決定。振動響應(yīng)分析就是求解電抗器油箱的結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可用有限元計算軟件來完成。

電抗器油箱結(jié)構(gòu)聲輻射。電抗器油箱可看成是一個閉空間的外部聲場計算問題。油箱結(jié)構(gòu)振動與空氣聲場之間的耦合可用下式表達(dá)，式中[Ms]、[Cs]、[Ks]表示電抗器油箱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量系數(shù)矩陣、阻尼系數(shù)矩陣和彈性系數(shù)矩陣，[Ma]、[Ca]、[Ka]表示空氣的聲質(zhì)量矩陣、聲阻尼矩陣和聲彈性矩陣。

將振動表面外法向的加速度或速度分布與輻射聲壓分布聯(lián)系起來，根據(jù)不同的邊界等條件可用級數(shù)展開或有限元方法對輻射聲壓或聲功率數(shù)值計算。

3 電抗器模型輻射噪聲計算分析

電抗器的振動與噪聲問題的分析實際上是一個多物理場耦合問題的研究。本項研究主要關(guān)注結(jié)構(gòu)與聲場建模分析，在仿真計算過程中將用力源點(diǎn)激勵模擬電抗器鐵心與油箱連接點(diǎn)的力激勵，用線源聲激勵模擬電抗器鐵心振動向油介質(zhì)的直接聲輻射，以期獲得電抗器油箱結(jié)構(gòu)輻射聲場的分布，結(jié)構(gòu)振動和聲場計算通過仿真軟件完成。

3.1 電抗器油箱計算模型

根據(jù)電抗器實體結(jié)構(gòu)，將電抗器油箱簡化為圓柱殼結(jié)構(gòu)，模型如圖3。頂蓋和底蓋上的各種附件約束等效成加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，上下各有四條加強(qiáng)筋，油箱底蓋與地面的固定約束點(diǎn)放置在底蓋的四條加強(qiáng)筋上。計算模型中激勵源考慮了點(diǎn)力激勵和線源聲激勵，上、下底蓋板分別放置了三個點(diǎn)力激勵點(diǎn)，中間電抗器油內(nèi)放置了三個線源聲激勵，兩種激勵方式可單獨(dú)激勵，也可同時加載激勵。主要仿真了電抗器室內(nèi)聲場環(huán)境，考慮室內(nèi)六個反射面。

圖3 電抗器油箱結(jié)構(gòu)計算模型

3.2 電抗器室內(nèi)環(huán)境計算模型

本項目依托上海匯豐110kV 變電站工程，電抗器室房間尺寸為：6000mm×6000mm×5000mm，電抗器距離地面高度約150mm，由此建立的電抗器室內(nèi)環(huán)境計算模型如圖4所示。通風(fēng)窗口深度（y）1000mm，出口連接完美匹配層PML，模擬無反射端口。房間墻壁和底面設(shè)為硬聲場邊界條件，模擬光滑全反射壁面。電抗器油箱內(nèi)部充滿油，設(shè)為壓力聲場求解域，油箱外部為空氣介質(zhì)，同樣設(shè)為壓力聲場求解域，電抗器油箱為不銹鋼材質(zhì)，設(shè)為固體力學(xué)求解域。電抗器油箱內(nèi)外表面設(shè)為聲結(jié)構(gòu)耦合界面。電抗器三個線源激勵總聲功率設(shè)為0.01W，模擬電抗器鐵心磁致伸縮變形直接向油內(nèi)輻射聲；上面三個點(diǎn)力激勵源為-50N、下面三個激勵點(diǎn)源為50N，模擬鐵心固定點(diǎn)對電抗器油箱的力激勵。

圖4 電抗器室內(nèi)環(huán)境計算模型

3.3 室內(nèi)環(huán)境仿真分析結(jié)果

3.3.1 剛性壁面電抗器室內(nèi)環(huán)境仿真分析

在電抗器室內(nèi)不進(jìn)行特殊聲學(xué)裝修，激勵源同時加載時電抗器室內(nèi)100Hz 聲場分布如圖5～8所示。由于房間剛性壁面，導(dǎo)致室內(nèi)聲場分布及其不均勻，存在明顯的高聲壓區(qū)和低聲壓區(qū)?？拷娍蛊骷皦Ρ趨^(qū)域聲壓級較高，尤其電抗器頂部和底部是明顯的高輻射區(qū)域，這是由圓形電抗器油箱外形結(jié)構(gòu)決定的。據(jù)圖9可看出，在100Hz 頻率激勵下，上下頂部平板結(jié)構(gòu)相對于側(cè)面曲面結(jié)構(gòu)更容易在外部激勵下發(fā)生變形，頂部振動位移幅值可達(dá)0.016mm，側(cè)面位移幅值只有0.0033mm。這主要是因為在低頻時頂部和底部平板容易激勵，是主要輻射源，在高頻時由于側(cè)面趨于平板結(jié)構(gòu)，側(cè)面非常容易激勵，因此在電抗器油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可根據(jù)主要激勵頻率有針對性的進(jìn)行油箱外形設(shè)計。

圖5 Z=500mm 切面聲場分布

圖6 Z=3500mm 切面聲場分布

圖7 x=2300mm 切面聲場分布

圖8 x=4600mm 切面聲場分布

圖9 電抗器油箱表面振動位移

進(jìn)一步的分析表明，當(dāng)激勵頻率為20 0 Hz、300Hz、400Hz、500Hz 時，房間內(nèi)聲壓級都有較明顯提高，這主要是因為頻率增加電抗器油箱結(jié)構(gòu)輻射效率變高導(dǎo)致的。此外，電抗器油箱表面振動模態(tài)變得復(fù)雜，300Hz、400Hz 油箱頂面出現(xiàn)高階模態(tài)振動，400Hz 側(cè)面也開始出高階模態(tài)振動，500Hz 側(cè)面高階模態(tài)振動更加明顯。

從圖5可看出，在y=6000mm 墻壁上有兩個聲場干涉低谷區(qū)域，中心分別位于x=2300mm、4180mm。通風(fēng)窗恰好位于其中的第一個低聲壓區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)入通風(fēng)窗的聲能量比較低。但從圖7看，基于該仿真模型，窗口位置應(yīng)該向上移動在z=960mm位置會具有更好的效果?；蛘呷绮豢紤]通風(fēng)窗需要正對著電抗器，單純從低噪聲傳遞角度考慮，通風(fēng)窗位于第二個低聲壓區(qū)會更好?；谝陨霞僭O(shè)，分別移動了窗口位置，重新計算了移動位置后的聲場分布，如圖10～13所示，比較窗口入射聲功率和平均聲壓級如表1。從通風(fēng)窗入口聲功率對比可看出，在W3位置入射聲功率最低、W2位置次之。但從通風(fēng)和噪聲同時考慮，窗口在W2位置可能更好。

圖10 窗口上移后z=960切面聲場分布

圖11 窗口上移后x=2300mm切面聲場分布

圖12 窗口右移后z=500mm 切面聲場分布

圖13 窗口右移后x=4180mm切面聲場分布

表1 窗口不位置聲功率和平均聲壓級

3.3.2 吸聲壁面電抗器室內(nèi)環(huán)境仿真分析

為有效控制電抗器噪聲，會在電抗器室內(nèi)壁面敷設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)，本部分對電抗器室內(nèi)敷設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)后室內(nèi)聲場變化情況予以分析。假設(shè)敷設(shè)的穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在100Hz 具有良好的吸聲性能（圖14）。房間內(nèi)聲場計算結(jié)果如圖15、圖16所示。敷設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)后，房間內(nèi)聲壓級有明顯降低，聲場干涉變?nèi)酢?/p>

圖14 敷設(shè)結(jié)構(gòu)的吸聲性能

圖15 加吸聲結(jié)構(gòu)后室內(nèi)房間聲場分布（100Hz-xy 平面）

圖16 加吸聲結(jié)構(gòu)后室內(nèi)房間聲場分布（100Hz-yz 平面）

圖17 硬壁面室內(nèi)房間聲場分布（100Hz-xy 平面）

圖18 硬壁面室內(nèi)房間聲場分布（100Hz-yz 平面）

圖19 房間加吸聲結(jié)構(gòu)并移動通風(fēng)窗聲場計算結(jié)果（z=1600mm）

進(jìn)一步分析通風(fēng)窗口位置處對外輻射聲功率級可發(fā)現(xiàn)，在電抗器室敷設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)后，窗口通風(fēng)位置聲功率和平均聲壓級都有所增加，因為加吸聲材料后房間內(nèi)聲場分布變化較大，低聲壓級位置已不在原先位置。把通風(fēng)窗位置移到新的低聲壓級位置（730，6000，1600），重新計算聲場分布結(jié)果如圖19所示，通風(fēng)窗口聲功率和平均聲壓級對比如表格2所示。移動通風(fēng)窗口位置后，在通風(fēng)窗口可實現(xiàn)較低的輻射聲功率和平均聲壓級。

表2 硬壁面和阻抗壁面通風(fēng)窗入口聲功率和平均聲壓級