高压直流换流站交流滤波电容器降噪措施

2011年1月电工技术学报Vol.26No.1第26卷第1期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYJan.2011高压直流换流站交流滤波电容器降噪措施吴鹏1汲胜昌1曹涛1李彦明1黎小林2李岩2姚一峰3(1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安7100492.南方电网技术研究中心广州5106233.日新电机有限公司无锡214028)摘要高压直流换流站交流滤波电容器的可听噪声严重超出了限制，需要对其可听噪声进行有效的控制。分别针对单台电容器和电容器塔提出了两种降噪措施：双底面型低噪声电容器和交错式电容器布置方式。首先，给出了双底面型低噪声电容器的设计理论和交错式布置方式的降噪理论及采用常规布置方式和交错布置方式的电容器塔的仿真计算。然后，分别对这两种降噪措施在消声室内进行了实验，实验结果表明它们能够有效地降低电容器可听噪声。最后得出结论：双底面型低噪声电容器比常规同型号电容器底面噪声降低约10dB；在电容器塔主要辐射面正对的区域，交错式电容器塔布置方式比正常布置方式能有效降低大面积方向性集中的高声级噪声。关键词：换流站可听噪声滤波电容器降噪措施中图分类号：TM53AudibleNoiseReductionMeasuresforFilterCapacitorsinHVDCConverterStationWuPeng1JiShengchang1CaoTao1LiYanming1LiXiaolin2LiYan2YaoYifeng3(1.StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationforPowerEquipmentXi’anJiaotongUniversityXi’an710049China2.CSGTechnologyResearchCenterGuangzhou510623China3.NissinElectricCo.,LtdWuxi214028China)AbstractAudiblenoiseofthefiltercapacitorsintheHVDCconverterstationissevereandexceedsthenoiselevellimit,andthereforeneedstobereduced.Twoaudiblenoisereductionmeasures,double-bottomcapacitorandoverlapplacementofcapacitors,areproposedforacapacitorandcapacitorstackrespectively.Firstly,theoryofdesigningdouble-bottomcapacitorandsimulationofsoundfieldsaboutcapacitorstackwithregularplacementandoverlapplacementaregiven.Secondly,someexperimentoncomparingaudiblenoisereductionmeasureswithregularconditionaredoneandresultsvalidatethatthesemeasurescouldbeeffectivetoreduceaudiblenoiseoffiltercapacitors.Thereductionareabout10dBofdouble-bottomcapacitorandtheoverlapplacementofcapacitorscanreduceaudiblenoiseinthemainradiationzone.Keywords：HVDCconverterstation,audiblenoise,filtercapacitor,audiblenoisereductionmeasure1引言在高压直流输电系统中，将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电都是在换流站中完成的。随着直流输电电压等级的提高、输送功率的增大，换流站主设备，如换流变压器、平波电抗器、滤波及并联电容器装置、换流阀等产生的噪声污染越来越严重，已远远超出国家环境部门所制定的场界达标标准，对换流站周边居民正常的生产、生活国家科技支撑计划（2006BAA02123）和国家自然科学基金（50907046）资助项目。收稿日期2009-07-07改稿日期2009-11-09第26卷第1期吴鹏等高压直流换流站交流滤波电容器降噪措施163造成了十分严重的影响。直流换流站中装设的滤波及并联电容器装置由于其台数多，并且单台容量大、流过每台电容器的电流中含有大幅值的高次谐波成分，而成为换流站中噪声来源的主要因素之一，电容器噪声已成为一个不可忽视的问题。在CIGRE的报告[1]中，直流换流站电容器塔的噪声能够达到105dB，而文献[2-3]对谐波下的电容器组噪声进行了研究，结果表明该电容器组可听噪声不低于换流变压器所产生的噪声；北京电力科学研究院及河南电力试验研究院都曾对直流换流站站内的可听噪声水平进行过测量，结果表明：电容器装置附近的噪声水平几乎全部超标，最大甚至达到了89.7dB[4-6]。鉴于直流系统中电容器产生的可听噪声非常大，超出了噪声限制，非常有必要采取措施减小噪声污染。换流站中的电容器塔体积大，噪声辐射形式复杂。因此，塔的位置、朝向和声屏技术等在换流站设计时都是改善换流站噪声分布的有效措施[1,7]。文献[1]中，还有一些其他的内部降噪措施，如减小电介质受力，增加电容器元件的硬度和避开电容器的模态频率。声屏障技术会额外增加昂贵的土地成本，因为对于高压设备需要足够大的绝缘距离建声屏避墙。而文献[1]中的内部措施，只是指导性建议，因其会改变内部结构，可能会带来其他问题。主动控声技术一般采用闭环控制发声器件使其向固定区域产生与所需抑制的噪声频率相同而相位相反的声波，从而通过声波叠加起到降低该区域噪声的目的[8]。显然，由于需要电控设备和不易应用在大范围区域降噪的原因，以及换流站的特殊要求，传统的主动控声技术不能应用在电容器装置上。但是，该技术中相位相反的同频率声波叠加控制噪声的方法应用在电容器阵列上降噪是可行的。本文分别针对单台电容器和电容器塔提出了双底面型低噪声电容器和交错式电容器布置方式并对此开展研究。所取得的成果对进一步开展此方面的研究具有积极意义。2电容器噪声的抑制措施2.1双底面型低噪声电容器设计理论图1为实测的电容器各面振动加速度数据，底面振动远高于侧面，电容器各面的声辐射量差异较大，底面噪声辐射量远大于其他面的噪声辐射量，底面噪声一般高出其他面6～10dB。若能把电容器底面噪声降下来，即可以把单台电容器的噪声降下来。图1电容器各面平均振动加速度数据Fig.1Somesurfacesvibrationofcapacitor双底面型电容器底部双底面结构及两个底面之间的振动和噪声传递过程分析如图2所示，第二底面辐射噪声的能量来自于两个途径：第一底面辐射的声透射；第一底面边棱上的振动传递。图2双底面声传播分析示意图Fig.2Thesoundpropagationmodelofdoublebottoms目前所使用的电容器都为单底面结构，其声压透射系数tp1为[9-10]222211222p1323111cossin2RRRkdkdtRRR⎛⎞⎛⎞=+++⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠（1）22kcω=（2）式中R1—电容器油的声阻抗；R2—电容器外壳底面的声阻抗；R3—空气的声阻抗；d—电容器底面厚度；ω—声波角频率；c2—电容器底面外壳中的声速。而对于本文所设计的双底面型电容器，其声压透射系数tp2为11332p2331cossinRMRkDkDtRRω⎛⎞=−+⎜⎟⎜⎟⎝⎠2213332332jcossinRRMMkDkDRRωω⎛⎞−+⎜⎟⎜⎟⎝⎠（3）164电工技术学报2011年1月式中M—电容器外壳底面的单位面积质量；R3—空气的声阻抗；D—电容器双底面之间的空气层厚度；c3—空气中的声速。另外33kcω=（4）电容器外壳厚度为2mm，双底面之间空气层厚度为15mm。根据其他相关参数及式（1）～式（4）可以得到：单底面的隔声量为32.44dB，而双底面的隔声量为47.2dB。单纯考虑声透射的情况下，双底面比单底面隔声效果增大了15dB。根据实验研究，底面振动为（1，1）模态，即中间振动幅值大而四周振动幅值小。第二底面与第一底面的刚性结构连接都存在于第一底面的边棱，结构振动传递量微小。表1为实验中测得的电容器底面边棱及中心的振动加速度数据。表1底面边棱处振动数据Tab.1Vibrationofbottomedge测点底面中心棱角处宽棱边中部窄棱边中部振动幅值/mV800242423从表1可以看出边棱处的振动远小于底面中心上的振动，因此通过第一底面边棱的刚性结构传递到第二底面的振动非常小，根据估算通过边棱传递到第二底面的振动约3dB。综合以上两种能量传递作用，双底面型电容器底面的降噪量约为12dB。2.2多台电容器交错放置的降噪措施换流站内交流滤波装置中的电容器都以固定的排列方式安装在铁架上构成电容器塔，电容器塔上的电容器数量多并且排列有序，如图3a所示（不考虑铁架）。由于同相的电容器频率相同，交错布置方式的电容器塔可以通过自身的位置调整，使一批电容器在辐射面上发出的噪声与另一批电容器在该辐射面上发出的噪声满足相位相反的条件，因此可以降低辐射区噪声水平。交错式电容器布置方式构成的电容器塔如图3b所示（不考虑铁架）。两列同频率同向传播的声波叠加为1212sin()sin()PppAtAtωθωθ=+=+++121222cossin22tAθθωθθ−++⎛⎞⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠（5）当12||(21),1,2,3,kkθθ−≈−π=L时，两波叠加后的声波幅值接近零，声压被降得最多。因此，在电容器正常工作电流下，交错距离设计依据为可听噪声最大的频率项声波长的1/2。图3常规电容器布置方式和交错式电容器布置方式Fig.3Regularplacementandoverlapplacementofcapacitors电容器外壳表面的振动满足小振幅的条件，结构振动在外部流体介质中距离表面r处产生的辐射声压p满足Helmholtz微分方程、流固界面条件以及Sommerfeld辐射条件[11-12]。220pkp∇+=（6）nipnωρυ∂=−∂（7）limi0rprkpr→∞∂⎛⎞−=⎜⎟∂⎝⎠（8）式中2∇—拉普拉斯算子；k—波数，k=ω/c；ω—角频率；c—流体介质中的声速；ρ—流体密度；n—结构表面S的外法向单位分量；υn—结构表面S的外法向振速；r=|Q−P|，Q为结构表面S上任意点，P为空间中任意点。根据点源的球对称特性，方程（6）的基本解为()ie,4krGQPr−=π（9）利用格林公式和相应的外场问题声学边界条件，得到采用声压p(P)与法向振速nυ表示的外场问题Helmholtz直接方程()()()()()()()n,i,dScPpPGQPpQQGQPSQnρωυ∂⎡⎤=+⎢⎥∂⎣⎦∫（10）式中，c(P)=α/(4π)；α为结构表面S上点P处的表第26卷第1期吴鹏等高压直流换流站交流滤波电容器降噪措施165面角。对式（10）利用边界元法进行离散，即得直接法边界元求解方程：=ApBυ（11）式中A，B—影响矩阵；p—节点声压矢量；υ—节点法向速度矢量。解得表面各节点处的p和υ，采用插值可得外场点网格中任意点P处辐射声压TTn()pP=+apbυ（12）式中a，b—插值系数矩阵。根据声场理论采用边界元法分别对图3中常规放置方式电容器塔和交错放置方式电容器塔噪声辐射声场进行计算。计算边界设置为自由场边界，交错距离为0.15m，计算频率1100Hz，电容器侧面和顶面加载0.01m/s的速度载荷，底面加载0.05m/s的速度载荷，以电容器塔地面为中心半径为10m的辐射声场计算结果如图4所示。（a）常规布置方式的电容器塔周围1