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作者简介：张德金(1987— )，男，高级工程师，硕士，从事干式空心电抗器产品的研发设计工作；          赵杨(1987— )，男，高级工程师，本科，从事干式空心电抗器产品的研发设计工作。
张德金，赵杨，蒋观平，陈意龙
(北京电力设备总厂有限公司，北京 102401)
摘  要：针对换流站滤波电抗器噪声问题，以灵州站和上海庙站BP11型号滤波电抗器为例，分析其噪声过大现象与其固有频率的关系，并讨论了不同的降噪改善措施对线圈本体固有频率的影响。试验结果表明，通过增加滤波电抗器产品导线用量、包封厚度、通风条数量以及采取通风条错位布置措施，样机噪声水平降低了8.5dB，起到了较为显著的降噪效果。
关键词：滤波电抗器；噪声；固有频率；降噪措施
中图分类号：TM477  文献标识码：B  文章编号：1007-3175(2021)02-0044-05
Abstract: This paper is aims at the noise problem of converter station filter reactors, and taking BP11 filter reactor products of Lingzhou Station and Shanghai Miao Station as the research objects. It analyze
s the relationship between excessive noise and its natural frequency, and discusses the influence of different noise reduction measures on the natural frequency of the coil body. The test results show that the noise level of the prototype has been reduced by 8.5 dB by increasing the amount of wire of the filter reactor product, the thickness of the encapsulation, the number of ventilation strips and the dislocation arrangement of the ventilation strips, which achieves a significant noise reduction effect.    Key words: filter reactor; noise; natural frequency; noise reduction
ZHANG De-jin, ZHAO Yang, JIANG Guan-ping, CHEN Yi-long （Beijing Power Equipment Group Co., Ltd, Beijing  0240 , China ）
Research on Noise of Filter Reactor Based on Natural
Frequency Characteristic Simulation Analysis
基于固有频率分析的电抗器降噪措施研究
0  引言
近年来，随着我国特高压工程的飞速发展，大量的换流站、变电站建设完毕带电投运，大大提升电网的输送能力，同时也出现了新的问题，部分变电站厂界和附近部分住房处的噪声水平超过了国家标准，成
为当地居民的投诉重点[1-7]。干式空心滤波电抗器产品作为换流站带电设备中主要噪声源之一，研究其降噪措施具有重要意义。电抗器产品的噪声问题本质上是由线圈各部分结构的振动引起的，其噪声幅值的大小与激励电流频率以及线圈固有频率直接相关。电抗器结构固有频率的大小跟外力没有关系，只与电抗器的结构外型尺寸、质量、材料性能参数有关，是一种固有属性。现有的电抗器降噪措施研究主要集中于在噪声传播途径中增设
隔声罩等降噪措施的方法上，对于线圈本体的固有频率特性与其噪声的关系研究较少[8-9]。
文中重点对灵州站和上海庙站BP11型号滤波电抗器产品的固有频率进行仿真计算，分析其噪声过大的现象与其固有频率的关系，讨论不同改变产品固有频率降噪改善措施对线圈本体固有频率的影响，最终通过试验验证上述措施的降噪效果。研究的内容和结论对干式空心滤波电抗器产品的噪声治理具有重要借鉴意义。
1  滤波电抗器结构介绍
换流站BP11型号滤波电抗器产品采用的是上下两线圈叠装串联的结构形式，线圈间采用调节螺杆、导电板支撑，通过调整两线圈间的距离来实现整体电感值在一定范围内可调。可调滤波电抗器的整体
布局以及线圈部分的基本结构如图1所示。在产品的顶部、侧部以及中部均配置有隔声罩结构，产品底
部绝缘子及金属过渡座支撑。电抗器线圈是由多个同轴的空心圆柱筒相互嵌套而成，每一空心圆柱筒由铝导线绕制完成后经环氧玻璃纱缠绕包封而成，称作绕组包封层。电抗器产品带电运行过程中，线圈各空心筒受电磁力作用产生振动从而产生噪声[1]。
以灵州站、上海庙站BP11型号滤波电抗器产品为研究对象，运用有限元软件仿真计算了两型号产品线圈的多阶固有频率。产品主要结构尺寸见表1。
滤波电抗器上下线圈的结构尺寸以及质量完全一致，总质量和总高度包含绝缘支撑、隔声罩、线圈。
2  电抗器固有频率仿真研究
2.1  固有频率仿真计算
干式空心电抗器产品的振动模态非常复杂，产品存在多阶固有频率。文中运用ANSYS仿真软件对电抗器线圈进行1:1建模仿真计算，得出了两种型号产品线圈的多阶固有频率以及各频率下的阵型特点[10-12]。具体仿真情况如下所述。
因换流站滤波电抗器噪声频率主要集中于中高频区域[13-17]，文中重点截取产品200～1000Hz 范围内的固有频率及其相应的位移量情况，具体如表2所示。灵州站BP11产品主要固有频率有978.41、740.49、738.5、606.12、499.93Hz；上海庙站BP11产品主要固有频率有904.0、601.82、500.41、41
1.42、201.5Hz。
两型号产品分别在固有频率500.41Hz和499.93Hz下的阵型情况如图2所示，左侧数值条代表了线圈在单位阶跃激励条件下，产品不同位置处的位移量数值，单位为mm。通过仿真图形可以看出，电抗器线圈在仿真激励条件下，整体呈现径向收缩扩张的振动形式。
表1  产品结构数据
型号线圈结构参数
灵州站BP11
线圈外径/mm2900
包封层数/个5
单节质量/kg2760
单节高度/mm3534
总质量/kg6745
总高度(可调)/mm8603～9233
上海庙站BP11
线圈外径/mm2430
包封层数/个6
单节质量/kg2451
单节高度/mm2834
总质量/kg5903
总高度(可调)/mm6905～7535
表2  电抗器产品固有频率及位移量
固有频率/Hz位移量/mm固有频率/Hz位移量/mm
978.4195.810904.0094.667
740.4994.660601.8255.884
738.5093.990500.4131.405
606.1249.305411.4219.584
499.9369.432201.5030.528
31.405Max
27.918
24.431
20.943
17.456
13.969
10.482
6.9952
3.5081
0.021025Min
a)上海庙500.41Hz
图1  滤波电抗器结构
a)整体布局
b)线圈部分基本结构
4
4
2.2  仿真结果分析
BP11型号滤波电抗器产品在换流站频率现象带电运行过程中，流经线圈的主要谐波电流频率为50、550、650Hz，考虑不同谐波电流间的相互作用效果，其等效谐波电流频率为50、250、300、350、550、600、650Hz。单一谐波电流条件下电抗器线圈产生的噪声频率为谐波电流频率的2倍，即BP11型号产品可以产生100、500、600、700、1100、1200、1300Hz 频率噪声。
参考电抗器固有频率仿真结果，灵州站及上海庙站BP11型号产品在500、600Hz 附近存在固有频率。当谐波电流流经电抗器产品时，线圈在500、600Hz 频率下容易发生共振现象，产生较大的噪声。2.3  试验验证
为验证仿真计算结果，对灵州站BP11型号电抗器进行了噪声试验。采用单频谐波电流噪声试验法，对电抗器产品逐次施加频率50、200、250、300、450、500、550Hz 等谐波电流，测得了产品在2m 处各频率下的声压级，试验结果如表3所示。其中试品状态代表了产品逐次施加的电流频率，噪声频率及幅值分别代表了各试验电流下产品的噪声频率及噪声幅值，修正前合成A 声级87.5dB，修正后合成A 声级84.9dB。
最后根据GB 1094.10标准公式(1)，计算电抗
器产品总的噪声水平。
L tot =10×log(  10L i
/10
)          (1)式中，L tot 为总的声压水平；L i 为每个单独分量下的声压水平。
试验结果显示电抗器产品在250、300Hz 谐波电流条件下噪声最大，产生500、600Hz 频率噪声，试验结果与仿真结果一致。
3  降噪措施研究
3.1  降噪措施研究
通过改变电抗器产品本体的固有频率，避免发生共振现象，是降低产品噪声水平的有效措施[18-20]。以上海庙站BP11型号产品为研究对象进行仿真，重点讨论改变线圈包封层间通风条的布置方式、增加包封层厚度、增加通风条数量措施对于电抗器振动模态的改变。
图3为改变线圈包封层间通风环氧条的布置方式，由各包封层同位布置改变为通风条错位布置，仿真计算电抗器固有频率的变化情况。仿真结果显示，同位布置时电抗器在500Hz 附近存在固有频率500.01Hz，其位移量为0.99732mm，通风条错位布置后固有频率变为502.31Hz，其位移量为0.83558mm；固有频率和线圈位移量有所变化，但变化幅度较小。图4为增加包封层厚度、增加通风条数量措施对于电抗器固有频率及位移的影响。具体仿真结果显示，未采取措施前，在600Hz 附近存在固有频率600.3Hz，位移量为1.628mm；采取措施后固有频率变为600.72Hz，其位移量为1.0528mm；线圈位移量明显减小。
表3  灵州BP11滤波电抗器噪声测试结果
试品状态(试验电流频率)/Hz
噪声频率/Hz
噪声幅值/dB
5010047.920040056.225050087.430060070.145090034.7500
100060.1550
1100
67.8
图2  线圈阵型情况
b)灵州499.93Hz
69.432Max 61.72354.01546.30638.59730.88823.17915.477.7609
0.051995Min
a)500.01Hz
0.99732Max 0.886610.775890.665180.554470.443760.333040.222330.11162
0.00090614Min
Σi
47
仿真结果发现，通过增加电抗器产品包封层的厚度、通风条的数量以及通风条错位布置，能够有效提升线圈整体的刚度，降低线圈振动模态的位移量，对于降低产品噪声起到积极作用。3.2  降噪效果验证
根据仿真结果，增加产品的结构刚度、质量和材料的阻尼比可以降低电抗器产品的噪声水平。在电抗器产品设计阶段，通过增加导线用量降低导线通流电流密度，增加线圈包封层的厚度、通风条的数量及通风条错位布置等方法，来改变电抗器产品
的固有频率，尽量避开不同频率电磁力，来降低产品的噪声水平。
研究选取了上海庙站BP11产品作为试验对象，
先后生产两台电抗器产品。其中在新设计方案中，增加电抗器产品的线圈本体质量，降低单根导线内的电流密度，增加包封层厚度以及通风条数量等措施降低产品的噪声。如表4所示，新方案产品质量是原方案的1.37倍，其中导线质量新方案是原方案的1.41倍，通风条总质量增加为原方案1.45倍，包封厚度由原来的2.0mm 增加到2.5mm。导线内的最大谐波电流密度新方案降低至原方案的71.6%。
对原方案电抗器和新方案电抗器分别进行噪声试验，试验过程中，两种试验状态条件下施加的谐波电流赋值保持一致，对比分析上述措施的降噪效果，发现新方案较原有方案电抗器产品整体噪声水
平降低了8.5dB。
4  结语
文中主要对干式空心滤波电抗器产品的固有频率进行仿真计算，讨论了不同改进措施下产品固有频率特性的变化，并以灵州站、上海庙站BP11型号滤波电抗器产品为例进行试验，验证了降噪措施的降噪效果。现总结如下：(1)干式空心电抗器产
品存在多阶固有频率，阵型呈径向收缩扩张形式。(2)当电抗器产品在2倍频等效谐波电流频率下存在机械固有频率时，电抗器容易发生局部共振现象，从而产生超大的噪声。(3)增加电抗器线圈本体导线用量、包封层厚度、通风条数量以及通风条错位布置措施能够实现降低产品噪声8.5dB。
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图3  通风条错位布置时振动模态变化
b)502.31Hz
0.83558Max 0.742760.649940.557110.464290.371460.278640.185820.092994
0.000
17095Min
图4  增加包封厚度、通风条数量时振动模态变化
a)600.3Hz
1.628Max 1.44711.26631.08550.904610.723770.542930.362090.18125
0.000
40302Min
b)600.72Hz
1.0528Max 0.935890.818980.702070.585160.468260.351350.234440.11753
0.00061732Min
表4  产品系列改变措施单reactor和主从reactor
项目
外径/mm 绝缘高度/mm 质量/kg 截面积/m 2
最大谐波电流密度/(A ·mm -2)通风条
数/个
导线
质量/
kg 原方案236025802072207.26
1.0930(30)708新方案2360
26002830288.34
0.78
51(25)
995
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收稿日期：2020-09-18
良、内部脏污锈蚀等缺陷的难题，建议各发电企业及时分批次地将开关柜内有串联间隙金属氧化物避雷器替换为无间隙金属氧化物避雷器并定期开展预防性试验工作。在分批更换前后，应结合开关柜停电检修，对在运有串联间隙金属氧化物避雷器尽快开展绝缘电阻、工频放电电压试验和电导电流试验，具体试验方法参照JB/T9672.2—2005；对在运无间隙金属氧化物避雷器尽快开展绝缘电阻、直流
1mA下的电压U
1mA 及0.75U
1mA
下的泄漏电流试验检
查。加强对试验数据的横向和纵向比对工作，对工频放电电压幅值或电导电流偏差较大的金属氧化物避雷器应及时进行更换。
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收稿日期：2020-09-04
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