电容器单元声功率级测试方法的改进

1  引言

随着我国特高压直流输电技术的快速发展，换流站的噪声污染问题也日益凸显出来[1,2]。2002 年CIGRE 的报告中指出，换流站主要的噪声源包括换流变压器、换流阀、平波电抗器、滤波电容器装置和滤波电抗器等，其中滤波电容器装置噪声声功率级最高可达 105 dB，不低于换流变压器。

目前，针对换流站滤波电容器装置的噪声研究已取得了一定成果，尤其在电容器单元的振动噪声机理，噪声测量以及噪声抑制方面成果较为丰富。其中，关于电容器单元的噪声声功率级测量方法，有三种标准可以参照，分别为 GB/T 28543-2012、GB/T 32524-2016 以及 GB/T 6882-2008[4-6]。国内许多学者对这三种方法进行了对比分析[7,8]，例如中国电力科学研究院的雷晓燕已经对这三种方法进行了试验比较，发现三种方法测得的声功率级存在明显差异，但仅对差异来源进行了分析，并没有提出最优测试方法或者改进方法[8]。

本文利用仿真的方法，对目前最为常用的电容器测试标准 GB/T 32524.1 的测试结果进行分析，并提出一定的优化测试方案。

2  电容器单元的噪声仿真方法

电容器单元的噪声仿真是建立在试验的基础上的。首先在实验室测得电容器表面振动数据，然后在仿真软件中以表面振动速度为边界条件，建立电容器噪声仿真模型，最终实现电容器单元的噪声声场仿真。仿真所用的试品电容器单元型号为 AAM6.35-134-1W，额定电压为 6.35 kV，额定电流为 21 A，无功容量为 134 kvar，额定电容为 10.58 μF，尺寸及测点布置如图 1 所示。

试验时电容器单元采用直接加载回路，加载参数如表 1 所示，实际加载为表中的 60%。该加载方式类似于文献[4,7]中提出的多频扫频法，可以利用数量较少的谐波电流，同时激发出较多频次的振动和噪声，提高试验的频率范围。由于换流站交流侧的特征谐波为 12k±1 (k=1，2，3…) 次，且一般不考虑高于 49 次的谐波分量，因此电容器单元的振动频率不高于 5 000 Hz，且主要振动频率不高于 2 500 Hz，振动能量集中在 50 Hz 的倍频。

电容器外壳的振动采集系统主要由激光测振仪、示波器以及高压探头组成，如图 2 所示。为保证测量精度，选择采样频率为 100 kHz，采样时间为 100 ms。电容器单元的噪声仿真中，需要以电容器表面的振动速度作为边界条件，且必须保证各点速度的同步性。而试验中只能逐点采集电容器外壳的振动信号，为实现各点测量结果的同步性，需要利用高压探头同步采集电容器电压信号作为校正信号，对振动测试数据进行校正，如图 3 所示。由于电压信号和振动信号是同步采集的，所以通过数据处理使得电压信号的相位一致时，各点的振动也可以视为同步的，保证了仿真结果的准确性。

电容器噪声测试时，应将被试电容器置于半消声室内部中央，移走半消声室内其他影响噪声传播的物体，保证谐波源、变压器以及电抗器等设备置于半消声室外，防止其他声源干扰测试结果。目前电容器单元噪声声功率级的常用测试方法为 GB/T 32524.1 中的 17 测点精密法，测点布置示意图如图 4 所示，测点坐标如表 2 所示。电容器单元采用立卧布置，电容器单元置于 0.8 m 高的支架上，包络面距电容器外壳各表面 1 m。

噪声仿真软件选用 LMSVitrual. Lab Acoustic。考虑到电容器主要由电容器外壳振动并辐射噪声，出线套管等零件对噪声的贡献较小，因此在模型中进行忽略，即将声源简化为长方形的壳体，以外壳各测点的振动速度为边界条件，进行边界元仿真。

3  仿真结果分析

利用上一节所述的噪声仿真方法，忽略套管对噪声的影响，得到电容器单元的噪声仿真模型如图 5 所示。从图中可以看到振动速度较大的面为电容器底面，与实际情况一致。

根据标准与实际需要，在空间中选取了一定数量的噪声测点，利用该仿真方法得到的仿真结果与实际结果进行对比，发现平均偏差 0.15 dB，可以认为仿真结果与实际结果基本相同。

在仿真平台中，可以通过包络场点的声压计算结果直接得到所包络声源的辐射声功率。通过较为细致的网格划分，其辐射声功率的结果可以更为接近实际值，并有非常高的稳定性，因此可以作为设备声功率的理论值进行分析。在验证仿真模型可靠性时，计算得到了电容器单元声功率测试标准中对应的 17 点噪声测试结果，结合标准中的计算方法也可以得出电容器单元的声功率级。两种方法的结果对比如图 6 所示，包络面法计算的总辐射声功率级为 49.46 dB，17点法计算的为 52.68 dB，两种方法计算结果相差 3.22 dB，相对来说比较接近。但根据图 6 可以看出，随着频率的增高，两种计算方法的偏差也逐渐变大，最大可达 4.23 dB，这主要是由于随着频率的增高，声场的干涉现象越来越明显，并且噪声的传播方向也越来越集中，标准中测量面上的声压分布越来越不均匀，噪声测点处的结果对附近噪声声压的代表性也相应降低，最终导致计算结果的偏差也越大。

一般而言，声功率的测量应该选取同一声波波阵面上的测点。因为同一波阵面上的点距离声源的声程相同，随距离发生的衰减也基本一致，整体的声压分布也更为均匀，测点的声压对附近局部的声压也更具有代表性。因此对整个声场的声压相位分布进行仿真分析，结果如图 7 所示。图中仿真测量面均通过电容器单元的中心，且平行于各外表面。从图 7 可以看出，各噪声仿真计算平面上的噪声声压相位分布比较规则，噪声声压相位相同的点所构成的波阵面，基本呈球形或椭球型分布。但由于底面与顶面之间的相互影响以及地面反射形成的干涉现象，在干涉相消的部分会发生相位的快速变化，在靠近声源表面和干涉相加的部分会使得相位的变化缓慢，因此在相位分布的图中能看到沿干涉条纹分布的明显分界，并使波阵面发生畸变。

根据仿真结果可以看出波阵面呈球形或椭球形分布，到电容器单元的最近距离基本相同。据此提出对电容器单元声功率级测试的改进 17 点法，使各测点到电容器外壳的最短距离相同，新的测点坐标如表 3 所示。由于测点位置发生改变，测量的包络面也应对应进行修正，即将原包络面的角点附近改成球面，原包络面的棱边改成四分之一柱面。

利用该方法得到的测试结果如图 8 所示。从图中可以看出，相较于标准的 17 点法，改进 17 点法的测试结果更接近于包络面法的理论值，计算总声功率级为 51.91 dB，与包络面法相差 2.45 dB，单频的最大偏差也降为 3.31 dB。这说明这种修正方法是有效而合理的，但该结果与理论值仍然存在一定的差距，可以进一步考虑改变测量面与试品的距离等方法来改善电容器单元声功率级的测试准确度。

4  结语

本文利用软件仿真的方法，对电容器单元的噪声声功率级进行研究，发现电容器单元的噪声波阵面基本呈球形或椭球型分布，但在干涉相消的区域会出现畸变。

此外，标准的 17 测点法的声功率级计算结果与理论值存在差距，并在高频部分的差距较大；改进 17 测点法较标准的 17 测点法更为接近理论值，有一定的改善效果。