摘要：电力电容器通常被认为是低噪音设备，但当大量谐波流过时，电力电容器的噪声水平会显著提高。在高压直流输电系统中，交流滤波电容器流过大量的谐波电流，所产生噪声已严重影响到周边居民正常的生产和生活。因此，开展交流滤波电容器噪声特性的相关研究具有重要意义。为了从声源出发提出有效的降噪措施。西安交通大学的吴鹏等人提出并研究了微穿孔板消声器，可压缩空气结构，双底面型电容器等多种单台电容器降噪措施。另外还提出并研究了一种交错式布置的降噪措施，利用声波干涉相消原理实现降噪。虽然这些方法取得了一定的降噪效果，但还存在一些局限性。
关键词：高压直流输电系统:交流滤波电容器:振动产生:传递机理
引言
随着直流输电系统电压等级的不断提高，交流滤波电容器的噪声水平越来越高，而现有的降噪措施仍不能满足环境要求。在大容量高压直流输电系统中，LCC形式的换流阀会产生大量谐波。滤波电容器与滤波电抗器相配合构成滤波装置，于换流变压器网侧接入交流电网，为特定频率的谐波提供低阻抗通道，以防止其进入交流系统。滤波电容器在运行中，其电流不仅包含工频成分，也包含了多种不同幅值和频率的谐波分量。这些谐波分量拓宽了滤波电容器所承受交变电场力的频带，进而激发起电容器产生多种频率的振动，该振动会带动电容器外表面的空气层，进而向外空间中辐射可听噪声。可见，滤波电容器可听噪声的源头为振动。对此，文中研究了滤波电容器的振动产生机理，明确滤波电容器振动产生及传递的物理过程，为后续的高压直流换流站噪声治理工作提供理论基础。电力电容器被普遍认为是比较安静的设备，其可听噪声问题远没有变压器、电抗器等绕组类设备严重。1994年，美国路易斯安娜理工大学M.D.Cox首次对并联补偿电容器组存在持续异响的问题进行了研究。通过对比存在异响的电容器与正常电容器的谐波含量，研究发现高谐波含量会使得电容器进入共振状态，因而发出显著的可听噪声。近年来，高压直流输电工程大规模建设，换流站中的滤波电容器处于高谐波运行状态，因而其可听噪声显著。IEC与CIGRE的技术报告中均指出，直流输电系统中滤波电容器噪声水平可达105dB(A)。国内的国网经济技术研究院于2017年初也对在建的酒泉—湘潭、上海庙—山东、昌吉—古泉等特高压直流输电工程滤波设备的噪声水平进行了测算，结果表明，电容器装置声功率级超过110dB(A)。为了解决滤波电容器可听噪声问题，首先应从其根源—振动—出发，明确滤波电容器的振动机理。西安交通大学汲胜昌与祝令瑜采用振动频响函数来描述电容器谐波电压与外壳振动之间的关系，并据此提出了电容器单元噪声预测方法。但该频响函数无法具体给出电容器振动产生的具体物理过程以及各种因素对电容器振动的影响。另外，也有很多针对电容器声功率的测量方法的研究，并获得了交流滤波电容器噪声的各项影响因素，但均没有深入到机理层面。一般认为，电容器噪声产生分为以下3个过程：内部电磁力作用产生心子振动、内部心子振动传递到电容器外壳、外壳的振动带动与之接触的空气进而向空间中辐射可听噪声。文中对滤波电容器单元的振动产生机理进行了研究，具体分析了滤波电容器单元振动的产生以及由内向外的传递过程。该研究对认识滤波电容器振动产生的物理过程，指导滤波电容器单元降噪设计具有重要的学术价值与工程意义。
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1交流滤波电容器振动噪声的试验方法
交流滤波电容器振动噪声的试验方法主要涉及到与喜爱方面：为了有效了解交流滤波电容器振动噪声，本文通过结合相关研究资料，提出在运用现有交流滤波电容器的基础山，通过利用变压器、电流互感器、补偿电抗器以及激光测振仪等一系列先进仪器设备，搭建一种能够有效精准测定电容器振动幅值的测量试验系统。在测量试验中所使用的交流滤波电容器的额定电压与额定容量分别为kV以及500kvar,其标称电容量为39.5，谐波电源频率具有可调性，规定调整谐波电源频率的范围需要控制在50Hz到1250Hz之间。电容器的额定输出功率与输出电压、电流分别为60kvar、40到340V以及176A。在对变压器以及激光测振仪等其他系统中的关键设备的参数进行规范设置后，还需要相位校正各测量点振动信号，才能保障系统最终获得的测量结果具有较高的真实性和准确性。这主要是由于在对电容器外壳不同点振动相位进行测量以准确掌握交流滤波电容器外壳整体振动形态的过程中，需要对各测量点的振动速度进行同步精准测量。但由于在同一时间振动测量设备具有测量唯一性，即只能在同时段测量某一点，因此本文在对测量系统进行改进的过程中，将交流滤波电容器端电压设定成基准信号。将亮点电压信号相位差校正成同步信号，通过令各测量点电压信号相位完全相同，便可以在同一时间内对所有点振动信号同时进行测量。
2电容器外壳表面振动
电容器外壳表面振动内容主要涉及以下方面:为了明确电容器振动由内部心子向外壳传递的具体方式，通过测量电容器外壳振动分布情况，对电容器外壳的振动特性进行研究。电容器外壳振动分布指的是在特定时刻，外壳表面上各点的振动瞬时值在平面上的分布。通过分析电容器外壳振动分布随时间的发展情况，可以得到电容器外壳振动传递过程。
3表面振动的预估
表面振动的预估主要涉及以下方面：电容器表面振动是其噪声源，电容器单元表面振动预估是整体电容器装置噪声预估的基础。机械试验方法是在试品电容器表面施加作用力（冲击力锤施加、激振器扫频等），测量外壳的振动信号，以外施作用力为输入，外壳振动为输出，计算获得表面振动的机械频率响应。然后根据实际运行工况计算得到作用在极板上的静电力，乘以一个比例系数K得到外壳上的作用力，再乘以机械频响函数，得到外壳振动大小。但这种方法在原理上存在比较大的缺陷，电容器外壳受力与静电力的比例系数是由电容器结构尺寸与绝缘介质的性质估算得到的，在没有理论分析建模的基础上进行估算必定会对计算结果引入较大误差。另外，在电容器表面施加作用力的试验只能反映电容器在表面受力时的机械特性，并不能反映电容器振动由内而外的传递过程。因此这种方法的可靠性较差。电激励试验方法更为合理，包括冲击电流法和扫频电压法。其基本原理与上述方法相同，但试验中在电容器上施加的电压和电流使静电力直接作用在电容器内部，同时测量施加的电压信号和外壳振动信号。以电压平方为输入，外壳振动为输出，计算获得电致振动的频响函数。然后根据实际运行工况，对电容器外壳振动进行预估。
结语
谐波频率本身项与谐波差频、和频、倍频项。通过对不同激励电压下的噪声试验结果表明，引起直流滤波电容器噪声的交变电场力主要由直流电压与各次交流谐波电压组合而成，并且直流电压主要影响噪声的大小，交流谐波分量决定着噪声的频率。直流滤波电容器的声功率与直流电压的对数呈线性关系。
参考文献
[1]左强林，冯春林，李志远.HVDC用低噪声电容器研制[J].电力电容器与无功补偿，2013，34(1)：49-55.
[2]祝令瑜，汲胜昌，沈琪，等.基于冲击放电试验的电力电容器外壳振动预估方法[J].电工技术学报，2014，29(11)：239-246.
论文作者:董明锐,刘少星,胡仪涛
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/5/6