（机械电子工程专业论文）电力电容器噪声辐射特性研究.pdf

士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：名刽咿月号工业大学 教授( 博导) 委员：匀魂吻合肥通用机械研究院高工 寻溉创旺业大学 副教 导师：号7 乏二墨夕肥工业大学 教授 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得金月墨王些态堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者伯寻签字帆砒雄 学位论文版权使用授权书 tn 嗍协同 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥工业大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者囱手 铷签名 签字同期：1 刀川年白喟7 , , o r签字同期：幽，年彳月印同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 射特性研究 噪声源，其影响日渐被人们所重视， 但在以往的研究中忽视了电容器单元壳体的噪声辐射比，使得对电容器噪声的 预测计算产生很大误差。 本文研究了电力电容器噪声产生的机理，分析了电容器噪声与振动、振动 与电流在时域和频域内的关系。并在特高压直流换流站交流滤波器场对负载工 况下的电容器、电抗器的噪声进行了测量和分析，应用相干分离技术将单体电 容器噪声从复杂声场环境中提取出来，并对电容器噪声进行修正，为进一步研 究电容器辐射特性提供了实际依据。 通过研究电容器外壳的噪声辐射特性，结合壳体结构声振耦合理论，推导 了通过电容器外壳表面振动速度计算壳体噪声辐射比s 的方法，同时，提出了 用传递函数来计算辐射比的新方法。并在实验室建立了电容器外壳噪声辐射比 s 的测试系统，实测了某型电容器的辐射比8 和各个面的传递函数，分析了不 同激振状态下各面的噪声辐射特性。测试结果表明：辐射比8 是随频率而变化 的值，并不是通常认为的常数1 ；并且辐射比随着电容器的结构、尺寸变化也 会发生变化。计算电容器在主要噪声辐射频率处的噪声值时，辐射比值取l 计 算结果与根据实测的辐射比计算结果相比，误差甚至高达1 5 d b ( a ) 。 对辐射效率指数曲线在主要频率处进行单频激励试验，验证了1 0 1 9 s 曲线 在主要特征频率下的结果。试验结果表明：电容器正面和侧面振动较小，顶面 振动较大，但因为面积小，基准发射面离本体远，故辐射噪声值并不是总是最 大的。而正面振动总体略小于侧面振动，由于侧面在低频的频响函数值较大， 高频较小，所以在10 0 h z 时侧面噪声较大，但是在6 0 0 h z 和12 0 0 h z 侧面辐射 噪声值最小。 通过以上测试，并结合实际情况，提出了改变电容器固有频率、安装方式 等措施。 关键词：电力电容器：噪声辐射比；传递函数；相干分离 p r o p e r t i e so fp o w e rc a p a c i t o r s t r a c t t h en o i s eo fp o w e rc a p a c i t o ri st h em a i nn o i s es o u r c e si nh i g hv o l t a g ed i r e c t c u r r e n t ( h v d c ) s u b s t a t i o n ，s ot h ei n f l u e n c e sh a v eb e e np a i dg r e a ta t t e n t i o n i n p r e v i o u sr e s e a r c h ，as e r i o u sd e v i a t i o nh a sb e e np u r c h a s e di np r e d i c t i o no fc a p a c i t o r n o i s ef o rw h i c hn o i s er a d i a t i o nr a t i oo fm e t a ls h e l lo fc a p a c i t o rh a sb e e n o v e r l o o k e d i n t h i sp a p e r , s o m er e s e a r c hh a sb e e nd o n e0 1 1n o i s em e c h a n i s mo fp o w e r c a p a c i t o r t h er e l a t i o nb e t w e e nn o i s ea n dv i b r a t i o n ，v i b r a t i o na n dc u r r e n th a sb e e n a n a l y z e di nf r e q u e n c ya n dt i m ed o m a i n t h en o i s eo fc a p a c i t o r ，r e a c t o rh a sb e e n m e a s u r e da n da n a l y z e do nl o a dc o n d i t i o na ta cf i l t e rf i e l do fh v d c e x t r a c t i n g f r o mt h et e s tr e s u l t si nu s eo fc o h e r e n c es e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , n o i s eo fs i n g l e c a p a c i t o rw h i c hp r o v i d e sa na c t u a le v i d e n c ef o rr a d i a t i o np r o p e r t i e sh a sb e e n e x t r a c t e di nc o m p l e xe n v i r o n m e n t b a s e do nn o i s er a d i a t i o np r o p e r t i e sa n dt h ec o u p l i n gt h e o r yo fs h e l ls t r u c t u r e s u r f a c ev i b r a t i o n ，t h i sp a p e rp r o v i d ean e wm e t h o dw h i c hc a nc a l c u l a t er a d i a t i o n r a t i os m e a n w h i l e ，an e wm e t h o dw h i c hc a nc a l c u l a t er a t i osi n h eu s eo ft r a n s f e r f u n c t i o nh a sb e e np r o p o s e d t h en o i s ea n dv i b r a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e di n l a b o r a t o r y , r a d i a t i o nr a t i os a n dt r a n s f e rf u n c t i o no fs e p a r a t es u r f a c eo fo n et y p e c a p a c i t o rh a sb e e nm e a s u r e da n da n a l y z e d t h er e s u l t st e s t i f y ：t h er a d i a t i o nr a t i os w a sc h a n g e da l o n gw i t hf r e q u e n c y i t sd i f f e r i n gm u c hf r o mt h ec o n s t a n t1i n c o m m o ns e n s ea n dv a r i o u sw i t hs t r u c t u r e ，d i m e n s i o n so fc e r t a i nc a p a c i t o r a w e i g h t i n gs o u n dp r e s s u r el e v e lw h i c hc a l c u l a t e db y r a d i a t i o nr a t i ob es e e na s1a n d m e a s u r e m e n ti nl a bh a sb e e nc o m p a r e dw h i c hp r o v e dt h ei n a c c u r a c yo ff o r m e ro n e r e a c h e d15 d b t h er e s u l t so fs i n g l ef r e q u e n c ye x c i t a t i o nt e s ti nm a i nf r e q u e n c yp o i n t s t e s t i f i e d10 1 9 sc u r v ei nm a i nc h a r a c t e rp o i n t s t h er e s u l t st e s t i f y ：t o ps u r f a c eo f c a p a c i t o ro b t a i n e dm o r ev i b r a t i o na m p l i t u d et h a nf r o n ta n ds i d eb u tn o ta l w a y sh a s h i g h e s tn o i s el e v e lf o rm i n i m u ms u r f a c ea r e aa n dm a x i m u mt e s td i s t a n c e t h e r e s u l t so fs i n g l ef r e q u e n c ye x c i t a t i o nt e s ti nm a i nf r e q u e n c yp o i n t st e s t i f i e d10 1 9 s c u r v ei nm a i nc h a r a c t e rp o i n t s t h er e s u l t st e s t i f y ：t o ps u r f a c eo fc a p a c i t o ro b t a i n e d m o r ev i b r a t i o na m p l i t u d et h a nf r o n ta n ds i d eb u tn o ta l w a y sh a sh i g h e s tn o i s el e v e l f o rm i n i m u ms u r f a c ea r e aa n dm a x i m u mt e s td i s t a n c e c o m p a r e db e t w e e ns i d ea n d f r o n ts u r f a c e ，t h es i d eh a sh i g h e rn o i s e1 e v e la t10 0 h za n dl o w e rl e v e la t6 0 0 h z ， q u e n c ya n d l o w e rf r e q u e n c y c h a n g i n gi n h e r e n tf r e q u e n c y t r a n s f e rf u n c t i o n ；c o h e r e n c e 致谢 值此论文完成之际，回顾在合肥工业大学的三年研究生学习生涯，艰辛的 求学路和此间的种种经历让我难以忘怀。而众多老师、同学、朋友和亲人的关 心、指导与帮助，都使我永生难忘。 值此论文付梓之际，首先衷心感谢我的导师一一李志远教授三年来给予我 的悉心培养和亲切关怀。本论文的研究和撰写，是在导师李志远教授的悉心指 导和热情帮助下完成的，从论文的选题、思路的确定，直至论文的完成，无不 倾注着导师的心血。李老师渊博的知识，严谨的治学态度，精辟的学术见解， 高度的敬业精神，勤奋的工作作风，让我耳濡目染并受益终生。在以后的学习、 工作和生活中，我都将铭记导师的教诲，努力拼搏，奋勇前进，不辜负导师的 期望。 特别感谢陆益民副教授、陈品老师在我硕士研究生学习期间，给予了我细 心的指导和帮助，让我对研究产生了浓厚的兴趣，克服了科研和学习上的困难， 加深了对所研究专业的理解。 衷心感谢魏浩征老师、阮学云老师、杨义老师、黄国兴、石鸽娅等师兄师 姐，唐志胜、毕礼孟、黄天镱、张宸维、陈慧、王小燕等兄弟姐妹，正是因为 在这三年的研究生生活中与他们的朝夕相处，共同学习与研究、实验与工作、 娱乐与生活，使我在这里度过愉快的充实的三年。在这些同窗好友身上，学到 了许多为人处事的优秀品质，这段深厚感情是作者人生中的一笔财富。 衷心感谢我在合肥工业大学三年的学习、生活中所有认识和给予过我帮助 的老师、领导、同学和朋友们。 最后我要特别叩谢辛勤养育并培养我的父母和所有的亲人，他们无微不至 的关怀，不知疲倦的付出和默默无闻的支持是我生活和学习的坚强后盾，正是 他们的关爱和理解使我的学业才能得以顺利完成。 三年时间只是人生旅途中短暂的一段，但在这里所学到的一切将让我受用 终身，再次感谢所有帮助和关心过我的人们! 他们的付出将激励我在人生的道 路上不断奋进! 作者：白宇 2 0 11 年4 月10 日 目录 第一章绪论1 1 1 换流站电容器噪声治理研究概况1 1 1 1 直流换流站发展概况1 1 1 2 换流站噪声问题研究现状1 1 2 电力电容器噪声辐射研究现状4 1 3 课题来源及选题意义6 1 4 课题研究目标及内容7 第二章电力电容器噪声机理研究8 2 1 引言8 2 2 电容器分类与结构8 2 2 1 分类8 2 2 2 结构8 2 3 电容器振动形式9 2 4 电容器声波产生机制1 l 2 5 本章小结1 3 第三章辐射比理论研究1 5 3 1 引言1 5 3 2 噪声波动理论1 5 3 3 噪声辐射理论1 5 3 4 辐射比理论1 8 3 4 1 辐射比导论1 8 3 4 2 理想无限板壳结构辐射比1 9 3 4 3 单极子简单球面声源辐射比2 0 3 4 4 传递函数法计算电容器声源辐射比2 1 3 5 本章小结2 2 第四章相干技术在试验中的应用2 4 4 1 引言2 4 4 2 功率谱密度2 4 4 2 1 功率谱理论2 4 4 2 2 功率谱应用2 6 4 3 相干函数定义2 6 4 4 相干技术应用2 8 4 4 1 换流站现场相干技术应用2 8 4 4 2 激振条件下电容器噪声分离3 5 4 5 本章小结3 5 第五章辐射比试验设计及结果分析3 7 5 1 引言3 7 5 2 试验相关术语和定义3 7 5 3 测量环境声学性能鉴定3 8 5 3 1 半消声室声学性能鉴定标准3 8 5 3 2 消声室隔声效果鉴定3 9 5 3 3 本底噪声鉴定3 9 5 3 4 自由场鉴定3 9 5 3 5 鉴定结论4 0 5 4 测量系统4 0 5 4 1 测试仪器4 0 5 4 2 测量系统搭建4 0 5 4 3 通道设置4 2 5 4 4 测点分布4 2 5 4 5 传声器布局4 2 5 5 激励方式4 3 5 5 1 扫频激励4 3 5 5 2 单频激励4 3 5 5 3 白噪声激励? 4 4 5 5 4 激励方式选择4 4 5 6 信号采样与处理4 5 5 6 1 信号采样4 5 5 6 2 信号处理4 6 5 7 试验结果分析4 7 5 7 1 试验结果4 7 5 7 2 辐射效率指数曲线l o l go 计算4 8 5 8 本章小结4 9 第六章试验验证与噪声控制5 1 6 1 引言5 l 6 2 试验仪器5 1 6 3 通道设置5 1 6 4 试验结果分析5 2 6 5 噪声控制措施5 4 6 6 本章小结5 4 第七章总结与展望5 5 7 1 工作总结5 5 7 2 工作创新点5 5 7 3 工作展望5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文6 0 插图清单 图卜1 交流滤波器场附近围墙上设置声屏障3 图i - 2 交流滤波器场围栏附近处设置声屏障3 图卜3 交流滤波器场中双塔结构电容器组4 图2 - i 电容器元件组成的电容器单元8 图2 - 2 换流站交流滤波器场中的电容器单元9 图2 3 电容器元件振动幅值和相位特征9 图2 - 4 电容器元件的受力分析1 0 图2 - 5 交流滤波电容器的电压频谱1 2 图2 - 6 交流滤波电容器的电力频谱1 2 图3 1 波速与微粒振动速度关系图1 5 图3 - 2 无限板声辐射1 7 图3 3 法向速度和辐射声波关系1 9 图3 - 4 无限平板上弯曲波辐射比2 0 图3 - 5 有限球源振荡器辐射比2 1 图4 - i 功率谱分析框图2 5 图4 - 2 自功率谱分析流程2 6 图4 - 3 理想的单输入单输出系统2 7 图4 4 输出端有噪声的单输入单输出系统2 8 图4 - 5 噪声振动测试分析系统图2 9 图4 - 6 交流滤波器场电容器和电抗器分布3 0 图4 7 隔声罩结构3 0 图4 - 85 8 3 l 2 电抗器表面振动自谱图3 1 图4 - 95 8 3 l 2 电抗器北5 8 m 处噪声窄带谱3 l 图4 1 05 8 3 l 2 电抗器通道l 与通道2 之间的相干函数3 1 图4 - i15 8 3 l 2 电抗器北5 8 m 处噪声i 3 频谱图3 1 图4 125 8 3 l 2 电容器表面振动自谱图3 2 图4 135 8 3 l 2 电容器4 8 m 处噪声窄带谱3 2 图4 145 8 3 l 2 电容器通道l 与通道2 之间的相干函数3 2 图4 155 8 3 l 2 电容器4 8 m 处噪声i 3 频谱图3 2 图4 1 6 修正后5 8 3 l 2 电抗器5 8 m 处噪声1 3 频谱图3 3 图4 一1 7 修正后5 8 3 l 2 电容器4 8 m 处噪声i 3 频谱图3 3 图5 - 1 消声室本底噪声a 计权1 3 倍频程3 9 图5 - 2 电容器噪声辐射比测试系统4 l 图5 3 电容器试验装置4 1 图5 - 4 数据采集仪通道连接图4 2 图5 - 5 电容器正面、侧面、顶面测点分布图4 2 图5 - 6 电容器测量轮廓线4 3 图5 - 7 不同激励方式相干函数分析4 5 图5 - 8 时域信号采集过程4 6 图5 - 9 傅立叶变换测量流程4 6 图5 1 0 正面传递函数和相干函数4 8 图5 一1 1 侧面传递函数和相干函数4 8 图5 1 2 顶面传递函数和相干函数4 8 图5 1 3 辐射效率指数曲线4 9 图6 - 1 试验系统通道设置5 1 图6 - 2 振动速度信号频域图5 3 ：1 9 4 0 ! ；1 面噪声值比较5 3 第一章绪论 1 1 换流站电容器噪声治理研究概况 1 1 1 直流换流站发展概况 随着科学技术的发展、工业生产的需要和生活用电量的提高，具有远距离 海底电缆或地下电缆输电，不同频率电网之间的联网或送电等优点的直流高压、 超高压、特高压输电渐渐被人们所采用。但发电站发出的电和用户用的电仍然 是交流电，只有在远距离输电中才会使用换流设备，把交流高压变成直流高压。 如莫桑比克的卡布拉巴萨水电站至阿扎尼亚的线路架空直流输电线路，长1 4 1 4 公里，输电电压为5 0 万伏，可输电2 2 0 万千瓦。19 5 4 年h v d c 输电首次商业 性成功地应用于瑞典大陆与哥特兰岛之间的输电线路，这套系统采用汞弧阀， 通过9 0 k m 的水下电缆供给2 0 m w 功率，从此高压直流输电得到了稳步发展【lj 。 世界范围内高压直流输电网络之间联网使得适合远距离输电的高压直流 ( h v d c ) 互联系统的迅速增加，例如早期英国与法国之间的互联。作为这种互联 系统的枢纽，高压直流换流站的数量也越来越多。相比应用最广泛的交流输电， 直流输电具有以下特点： ( 1 ) 直流输电在固定输送容量下，换流站的规模是固定的，当输电距离增大 时，只需增加线路即可，即距离的增加之只增加线路的造价。而交流输电咋同 等容量下，输电距离的增加不但需要线路造价的增加，还需要中间开关站等辅 助设备。所以，交流输电的距离因素，即影响线路花费，也影响变电部分费用； ( 2 ) 在变电站和线路两个重要投资方面来看，一般情况下，直流输电在换流 站的投资比重更大，而交流输电则在输电线路上占有更大的资金比重； ( 3 ) 直流输电由于容抗小等因素，在输电功率损失上与交流输电相比要小很 多； ( 4 ) 直流输电增加输送容量时，只要提高电压、更换直径更大的导线等方法 即可，而交流输电很多时候只能增加回路数目。 由以上四条可知，直流输电相比交流输电的优点是，换流站造价低，输电 线路造价高，电网功率损失小。所以，输电距离长的时候使用直流输电更划算， 距离短时应该使用交流输电。两者的费用随之线路距离的改变而改变。当两者 费用相等时，此距离成为等价距离。根据国内外相关经验，等价距离大约为 7 0 0 8 0 0 k m 2 1 。 1 1 2 换流站噪声问题研究现状 近年来我国经济加速发展，对电能资源的需求量不断加大。随着三峡电站 将于2 0 0 3 年开始投运，国家电力公司部署了“西电东送、南北互联、全国联网” 的方针。而由于直流输电在远距离输电上的经济性，连接交流电网并提高其稳 定性等优势，国家在近些年不断加大了高压直流输电工程的投入。随着大型直 流输电项目的不断投入，换流站噪声问题不断凸显，如换流站的换流变压器噪 声、直流滤波电抗器噪声和交流滤波电容器噪声等噪声，影响到了换流站周围 居民的正常生活。而随着直流输电电压的不断提高，使得变电站、换流站等所 使用电容器的单台容量增大并且投入台数增多，加之换流站内其它功率元件引 起的电网谐波入侵，使得换流站内的滤波电容器噪声问题更加突出，也让各个 电容器厂家更加注重电容器制造工艺的提高以降低其噪声。 在国外，一般情况下都把换流站和输电设备建在无人区，所以噪声问题不 是个很重要的问题，相关研究也不多。但由于我国人口稠密度高，比如像广东， 特别是广州、深圳特区附近已经基本上找不到无人区，换流站周围有居民甚至 学校，所以换流站噪声就成为一个重要的污染源。 在我国已建成的+ 5 0 0 k v 直流换流站工程中，各种设备产生的噪声导致站址 及其附近的噪声水平增高，有的工程( 如龙泉换流站，肇庆换流站等等) 已对周 围居民的生活造成了不利影响，后期噪声治理难度较大、费用较高、降噪效果 不明显。而+ 8 0 0 k v 特高压直流工程，其噪声治理问题l 匕- , - 5 0 0 k v 还要突出。一 方面随着设备电压等级的提高、设备额定电流的增大，在设备制造水平受限制 的情况下，+ 8 0 0 k v 特高压直流设备产生的噪声比+ 5 0 0 k v 电压等级更难控制； 另一方面由于设备高度更高，其噪声传播的范围将更广。因此可听噪声的控制 就显得越来越重要。对特高压直流输电工程的建设而言，可听噪声将很有可能 成为直流换流站选址和设计的重要控制条件之一。 换流站的主要噪声源有换流变压器、高压直流输电电抗器、干式空芯电抗 器、交流滤波电抗器、高压直流平波电抗器、电力电容器、各种冷却塔、散热 风扇及空调机组【3 ，4 j 】。 国内外对以上主要噪声源的降噪方法中，对于换流变可使用整体封装法 ( b o x i n 法) 【6 】；对于干式平波电抗器可采用顶部与底部封装分别加装屏蔽层的方 式；电抗器则普遍采用隔声套筒，对于冷却装置则采用更换低噪声风扇和声屏 障；而交流滤波电容器由于数量多，密度大，电磁噪声频率低、裸露放置且被 置于较高的塔架上等因素影响，故辐射范围远，使用隔声罩又不符合实际，故 难以治理【7 , 8 , 9 】。 现阶段对滤波器场噪声主要的治理措施主要有以下三种方法：1 、滤波场外 设计隔声屏障；2 、分段设计降低电容器组塔架高度；3 、降低电容器本体噪声。 以龙泉换流站为例，交流滤波器场降噪方法如下： 由于交流滤波器场一般离围墙比较近，包括龙泉站，所以可以考虑采取在 靠近围墙侧的围栏处或在附近的围墙上加声屏障来降低站界噪声。但由于交流 滤波器场电气接线很多，并且其附近有很多的管道和电缆沟，如果在靠近围墙 侧的围栏处加声屏障，一方面不利于站内运行人员的检修和维护，另一方面不 2 利于管道和电缆沟的布置。所以可以把交流滤波器场附近的围墙加高为5 米， 再在围墙上加3 米高透明的隔声吸声屏障，交流滤波器场围墙上设置声屏障实 例见如图1 1 所示。 图1 - 1 交流滤波器场附近围墙上设置声屏障 交流滤波器组围栏附近安装声屏障的降噪方法见图1 2 。下面对两种加声 屏障方法的降噪效果进行比较。 图1 2 交流滤波器场围栏附近处设置卢屏障 以上方法均是使用隔绝噪声源传播途径的方法来降噪，实际上最好的方法 是降低电力电容器本体噪声，从电容器设计角度来说，其技术目标是减小电容 器元件表面的振动，因此对于钢质外壳和瓷质外套的电容器，可以采用如下措 施： 1 1 通过增加串联电容器元件的数目来减小电容器罐里的电介质应力和振动 力； 2 ) 通过改进的机械阻尼来压紧堆栈式电容器元件，以此来提高电容器单元 外壳的刚度； 3 ) 设计电容器结构时要考虑避免壳体结构的共振。 绻澍 从噪声传递路径控制角度来说，由于电容器塔体积庞大，噪声辐射复杂， 并有一定的方向性，因此需在高压直流换流站布置时对其位置、方向以及屏蔽 措施进行优化。还可以通过采用双塔结构电容器组( 见图1 3 ) ，以降低声源的高 度，有效地减小其噪声的传播范围。 图1 3 交流滤波器场中双塔结构电容器组 1 2 电力电容器噪声辐射研究现状 降低电力设备噪声，主要有两个途径：一是降低声源的发声：二是控制噪 声的传播，具体方法如下： ( 1 ) 在声源处抑制噪声，使噪声源发出的噪声能量降至可以接受的水平； ( 2 ) 控制传播途径，通过隔声、吸声、消声、阻尼减振等措施，增加噪声在传 播途径中的能量损失。 但是控制噪声源是降低环境噪声的最根本和最有效的方法。它是通过研制 和选择低噪声设备( 如采取改进机器设备的构造、提高加工工艺和加工精度等方 法生产的低噪声设备) ，使发声体的噪声功率降低。 一般认为，电容器噪声来自于其内部介质电极间的静电力，作用力使其内 部元件产生振动并向电容器外壳传递，引起箱壁振动形成噪声并辐射向外界环 境。当电容器两端施加5 0 h z 的交流电压时，两极板会带等量异性电荷，形成 磁场。在电场力作用下，极板相互吸引，作用力的大小随交变电压的变化而变 化。在5 0 h z 的交流电压作用下，两极板间相互吸引力的大小每秒钟内将变化 10 0 次，使得极板产生频率为1 0 0 h z 的振动。同时，如果交流电压的高次谐波 分量较大时，则振动频率更高，振幅更大，噪声也更大。 对电容器自身进行降噪即要减小其元件表面的振动，通常采用以下方法： 通过增加串联电容器元件的数目来减小电容器罐里的电介质应力和振动力；通 过改进的机械阻尼来压紧堆栈式电容器元件，以此来提高电容器单元外壳的刚 度；设计电容器时考虑共振频率；在电容器内外部同时加阻尼吸音板等方法。 在传播途径中降噪的方法有：采用双塔结构电容器组降低声源高度；加装电容 4 器声屏障等i l 。 随着大型直流输电项目的不断投入，换流站噪声问题不断凸显，对于噪声 控制的方法和技术在不断的发展和探索当中。现有技术条件下任何噪声治理方 法都有其优点和局限性，对于每一个具体的工程来说，噪声的治理应根据工程 实际状况进行分析，在多方案比选之后采用最佳方案。并且应当将噪声的控制 问题置于整体工程项目当中，作为一个重要的设计指标加以充分考虑。 高压直流换流站在完成交流电到直流电及其逆过程的同时带来了严重的噪 声污染。安装有大量滤波装置的交流滤波器场更是换流站噪声治理的重点和难 点。电容器噪声也成为继变压器和电抗器之后，换流站第三大主要噪声源( 有成 为第二大主要噪声源的趋势) 。对电容器的噪声研究也快速开展，文献【1 1 】对电 容器塔架及单元的噪声预测的方法进行了总结，文献 1 2 对电容器的噪声声功 率噪声进行了预测。 而换流站的电容器主要是滤波电容器和用做无功功率补偿的串并联电容 器，其金属外壳作为噪声辐射的主要媒介，其辐射特性也是我们研究和控制的 主要方向。 近十几年来，国内、外对电力电容器的噪声控制及噪声预测等方面都进行 了大量的研究。但测量噪声的方法主要以声压法为主，目前在电力行业中大多 使用此法对电容器单元的噪声进行预测计算。但声压法测噪声的最大特点是对 背景噪声的影响非常敏感，特别是在噪声场复杂的换流站滤波器场。也有国外 文献【1 3 l 采用声强法来测噪声，声强法的最大特点是直观，能在一定程度上减少 背景噪声带来的影响，但如果是背景噪声过大或用于现场噪声监测则显得不准 确和繁琐。而振动速度法经过近年来的发展，在汽车变速箱在线检测【14 1 ，压缩 机噪声测量【1 5 , 1 6 , 1 7 等很多领域相继得到应用。因为振速法测噪声是用测量到的 电容器表面振动速度来计算噪声水平，所以能极大的摆脱环境噪声的影响，克 服“声压法”和“声强法”的缺陷，也是后文要用到的重要方法。 本文主要研究方向为电容器噪声机理、电容器塔架噪声水平预测、电容噪 声控制方法等。文献 1 8 】在研究电容器外壳固有振动特性的基础上，模拟计算 了在给定谐波电流时电容器表面的振动加速度信号，但未对电容器的辐射噪声 作进一步的计算；文献 1 9 】介绍了电容器噪声产生的机理和电容器辐射噪声与 电压、电流的初步关系，并给出了利用电容器的负载电流计算电容器外壳振动 速度，进而对电容器噪声进行预测的方法。文献【2 0 同样分析了电容器单元的 表面振动，给出了与文献 17 】相同的利用电容器电容器外壳振动速度计算噪声 的公式。文献 2 1 1 利用辐射体的特征尺寸转化为单极子理想球面声源的直径来 计算辐射比，而电力电容器是具有强指向性的长方体声源，在l m 的测量距离 内用特征尺寸的转化计算辐射比过于理想化，一方面由面积计算得到的特征尺 寸也与球面声源直径有一定误差，另一方面单极子声源模型的无指向性特征也 与电容器的噪声辐射特性不相符合。 事实上，这些计算方法在具体应用时都会出现很大的误差。主要原因就是 对计算公式中的振动速度以及辐射效率s ( 又称辐射比) 没有进行深入的研究。实 际上文献 1 7 和【1 8 公式中的振动速度v 和辐射比s 都是频率f 的函数，尤其是 辐射比s ，在 17 】和 1 8 】等文献中都把它当成常数1 来处理，从而在预测时产生 很大的计算误差。 辐射比s 的频率特性在很多具有封闭外壳的机械产品噪声计算中都得到了 很好的应用，并且也形成了相应的标准【2 2 】。然而在具体的应用中，如何获得被 测设备的辐射比s 频率特性是一个十分重要的问题。甚至把辐射效率与模态联 系起来，并在板壳结构中得到了应用【2 3 1 。辐射比是提高电力电容器辐射噪声计 算精度的关键。为此，有必要对电力电容器壳体辐射比的测试方法以及辐射比 的频率特性进行试验研究。 1 3 课题来源及选题意义 本课题来源于“云广士8 0 0 k v 直流输电工程”中桂林电力电容器有限公司 委托的“电力电容器可听噪声分析与控制”项目。项目工作是对滤波电力电容器 进行有关测量、识别与分析技术研究，从而了解电容器噪声产生的机理、辐射 特性并提出相应的噪声治理措施。 云南至广东士8 0 0 k v 直流输电工程是国家“十一五”建设的重点工程及直流 特高压输电自主化示范工程，也是世界上第一个投入商业化运营的特高压直流 输电工程。工程西起云南省楚雄州禄丰县，东至广东省广州增城市，途径云南、 广西、广东三省区，输电距离13 7 3 公里。工程额定电压士8 0 0 k v ，额定容量5 0 0 万k w ，由楚雄换流站、穗东换流站、直流线路、两侧接地极和接地极线路五 大部分组成。工程于2 0 0 9 年1 2 月2 8 日单极投产，2 0 1 0 年6 月18 日双极投产。 工程的竣工投产，大大增强了云南水电输送广东的能力，每年可减少二氧化碳 排放量约1 7 6 0 万吨，将有力促进粤、滇两省转变经济发展方式、推进低碳经济 发展；同时，也为今后实施更远距离、更大容量、更高效率的电力输送奠定了 基础，对加快我国西南地区乃至大湄公河次区域水电资源的开发利用具有重要 意义。 在已经运行的超高压交流输电和直流输电项目中，噪声已经成为最突出的 问题，特别是直流输电项目更为复杂，其影响必须在输变电工程的建设与运行 中予以考虑。由于近年来变电站、换流站等所使用电容器的单台容量增大数量 增多，加上换流站内其它功率元件引起的电网谐波入侵，使得原本被认为是无 噪声元件的电容器也对环境造成了严重的影响。是电力电容器成为换流站三大 的单体噪声源之 2 4 , 2 5 , 2 6 1 。 从降噪的角度讲，抑制噪声的最好方法是控制噪声源。所以对电力电容器 6 噪声机理和控制的研究就变得格外有意义。 1 4 课题研究目标及内容 为了对电容器噪声的辐射特性做深入的研究，本文拟完成了以下方面的工 作： ( 1 ) 对电力电容器的噪声产生机理进行研究，分析电容器的内部结构及特 点，振动产生原因及在电容器内的传播路径，工作电流与振动力之间的关系， 电流基频与谐波和振动力在频域内的关系； ( 2 ) 对噪声波动和辐射机理进行研究，分析和电容器噪声辐射有关的辐射比 理论，并有此理论推导出电容器壳体表面振动和其辐射噪声间的关系，包括辐 射比和声压与振动速度传递函数的关系，进而提出了用传递函数计算声功率级 的方程。推导了振动速度级、声压级和辐射比的关系式和用传递函数、振动速 度和辐射比的关系，即找出使用表面振动速度计算辐射噪声水平的理论依据； ( 3 ) 应用功率谱分析法对换流站电容器的实际噪声和振动特性进行分析，并 通过相干分离的方法求解出电容器单元的噪声声压级和振动频率特性，作为模 拟试验的真实依据； ( 4 ) 对试验环境进行测试，并在测试合格的半消声室中央建立了一套测试电 容器辐射比的试验系统，通过激振器来模拟实际的电容器振动条件，并对振动 和噪声信号进行测量。通过信号的采样和数据的处理与分析，应用已经推导的 理论公式，计算出电容器外壳的辐射比曲线和传递函数。证明辐射比不为1 ， 而是随着频率的变化而变化，用l 来表示辐射比来计算电容器噪声值将会噪声 带来很大误差； ( 5 ) 在半消声室对不同特征频率激振下的外壳振动信号进行测量，并用振动 速度和前面求得的传递函数来计算噪声声压级( a ) 与用声级计测量的结果进行 比对，即通过预测值与实测值的比较来验证振速法测噪声是否有效； ( 6 ) 根据电力电容器的辐射特性对电容器的结构工艺、安装方式等方面提出 改进措施。 7 第二章电力电容器噪声机理研究 2 1 引言 本章对对电力电容器的噪声产生原因进行了研究，分析了电容器的类型和 内部结构特点，振动产生原因及在电容器内的传播路径，工作电流与振动力之 间的关系，电流基频与谐波和振动力在频域内的关系，振动力幅值的计算方法 等。 2 2 电容器分类与结构 2 2 。1 分类 电力电容器作为换流变压器和电抗器之后，高压直流换流站第三大噪声源， 在高压直流系统中有着广泛的应用。比如用作交流和直流滤波、无功功率补偿、 电力载波滤波器和电容式电压互感器等【2 。 壳式电力电容器主要被用于滤波器和无功功率补偿；瓷套式电容器被用于 电力载波滤波器回路中的耦合电容器和电容式电压互感器。箱式电容器则主要 用于空间或环境因素受限制的场合【2 8 , 2 9 】。 2 2 2 结构 要研究电力电容器的噪声，首先需要研究其结构设计。 为了说明电容器的发声机理，首先对电容器的结构进行描述。电容器塔由 许多单台电容器组成。单台电容器表面是钢质外壳，配有套管。每一单台电容 器内都充满了油，并且内含了一个由许多电容器元件串、并联组成的元件组， 如图2 1 所示。每个电容器元件由两层铝箔和数层一定长度的塑料薄膜和纸膜绕 制而成。 电容器单元 耋氏和油 图2 - 1 电容器元件组成的电容器单元 瓷套式电容器元件和元件组的设计与壳式电容器元件和元件组的设计基本 相同。因此下面关于发声机理的描述适用所有类型的电容器。 图2 2 是换流站交流滤波器场中的电容器单元。 器场中的电容器单元 2 3 电容器振动形式 电力电容器在工作条件下，其内部的电极之间将产生静电力，静电力的变 化引起电容器的两极板、内部元件的振动，并通过绝缘油传递到外壳，使壳体 振动。当两极之间通交流电时除了产生静电力外，还会产生电磁力，且两者相 位相同，频率相同。但是幅值相对于静电力小很多，故一般不考虑。电容器元 件的振动相位特征如图2 3 所示。 引受 式中 电 ，7 _ 小一 、 1 或者厂厶 1 。在 本文所讨论的电容器金属外壳是满足以上条件的。而且由图3 2 中的波数是来 那个三角形可以看出，空气中声波的方向和量值由无限板振动所产生的弯曲波 的波数k 有关。以上结果说明了声压是无限板结构表面的法向振动时的速度以 及任何辐射声压所引起的板壳表面压力分布的函数。当声波传播介质是空气时， 声辐射的载荷分量可以忽略。当以远小于板壳特征尺寸长度时，无限板模型得 结论可以适用于有限板模型。同样，以0 角入射到板壳结构上的声波也能激励 出弯曲波。 从基础声学知识可知，由于振动的板在流