高压并联电抗器噪声特性及控制

张波

摘要：结果表明，电抗器噪声主要由铁芯饼间的电磁力产生，其声功率级随额定容量的增大而增加，声波能量主要集中在100Hz为中心频率的1/3倍频带；电抗器声压级分布复杂，衰减较慢，存在明显声波干涉现象，其大小随运行电压增加而增大，但与运行负荷无关；电抗器噪声计算应考虑声波干涉，计算准确性有待提高，其噪声控制主要采用隔声罩，最高降噪量可达20dB。该研究可为超、特高压变电站的规划设计及噪声控制、治理提供重要支撑。

关键词：并联电抗器；噪声；频率；声压级；声波干涉；隔声罩

引言

随着我国超、特高压交流输变电工程的快速发展，变电站声环境影响受到公众、环保部门的广泛关注。高压并联电抗器（以下简称电抗器）作为电力系统中的一种无功补偿设备，通常安装在超、特高压变电站线路的出线侧，用于补偿长线路电容效应所引起的工频电压升高[1]。电抗器容量大，产生的噪声大，且通常安装在厂界附近，对站外噪声敏感建筑物的影响大，这些是影响变电站厂界环境噪声达标排放的关键因素。

1噪声产生机理

1）本体噪声

电抗器本体噪声产生机理与变压器不尽相同。变压器本体噪声的来源主要包括硅钢片磁致伸缩引起的铁芯振动及漏磁通在绕组导体间产生电磁力而引起的绕组振动。

磁致伸缩是指铁磁性物质在外磁场作用下其尺寸伸长或缩短，去掉外磁场后其又恢复原来长度的现象。当变压器铁芯励磁时，沿磁力线方向硅钢片尺寸增加，而垂直于磁力线方向尺寸缩小。铁芯随着励磁频率的变化产生周期性振动。由于在1个电流周期内，硅钢片的尺寸完成2次周期性变化，即铁芯磁致伸缩的变化周期为电源电流周期的一半，故磁致伸缩引起的铁芯噪声的基频为100Hz，是电源频率50Hz的2倍[2]。变压器磁通密度一般在1.5～1.8T范围内，在此区间内，铁芯磁致伸缩量和磁通密度的关系是非线性的，磁致伸缩量为铁芯变化长度与铁芯原始长度之比。因此正弦变化的磁通引起的铁芯噪声频谱中还包含有高次谐波成分。铁芯磁致伸缩产生的振动通过铁芯垫脚和绝缘油传递给油箱壁，引起油箱壁振动，向外界辐射噪声。

电抗器铁芯磁致伸缩引起振动从而产生噪声的机理和变压器相同，但电抗器磁通密度一般约为1.4T，较变压器磁通密度小，磁致伸缩的程度也小。因此，电抗器铁芯磁致伸缩引起的噪声相对较小。另外，在电抗器磁通密度所在区间内，铁芯磁致伸缩量和磁通密度的关系是近似线性的，因此电抗器铁芯噪声高次谐波较少。

变压器运行时，负载电流将在绕组周围产生漏磁通。漏磁通的径向分量与绕组的电流作用，使绕组产生轴向电磁力。大容量变压器绕组在漏磁通的作用下，产生较大的轴向电磁力，从而推动铁芯夹件，造成金属撞击，产生噪声。

电抗器的电磁力产生噪声的机理与变压器不同。电抗器绕组产生的主磁通通过带有间隙的铁芯柱，与外框铁轭形成回路。由于主磁路经过高导磁的铁芯饼与低导磁的间隙这2种介质，每个铁芯饼分别产生磁极，相邻2块铁芯饼对立面磁极相反，产生吸引的电磁力，主磁路间隙材料在电磁力作用下伸缩而引起铁芯饼振动，由此产生噪声。铁芯饼间的电磁力随绕组电流的变化而变化，在1个电流周期内，主磁通及铁芯饼磁极变化2次方向，相邻铁饼间的电磁力也变化2次方向。因此，由电磁力引起的铁芯饼振动频率是电流频率的2倍，为100Hz，产生的噪声频率也为100Hz。电抗器铁芯饼间电磁力引起铁芯振动是电抗器本体噪声的主要原因。

2）冷却风扇噪声

电抗器和变压器冷却装置噪声相同，包括冷却风扇运转产生的空气动力噪声和本体振动传递给冷却装置并向外辐射的噪声。其中，空气动力噪声为主要部分，包括由风机叶轮旋转时周期性地向外排气所造成的压力脉动而产生的周期性排气噪声，以及气体涡流在风机叶轮界面上分裂时引起的涡流噪声。风机排气噪声与叶轮的转速、排气的流量和静压等因素有关，频率呈低中频特性，并伴有一定峰值。涡流噪声取决于风机叶轮的形状及气流相对于机体的流速和流态，一般为连续的高频噪声。

2噪声特性及控制

2.1声功率级

1）声功率级大小

电抗器声功率级是表征电抗器声能量的特征参数，通常由设备生产厂家提供。电抗器声功率级与电压等级和额定容量相关，电压等级越高，额定容量越大，声功率级也越高。通过大量测量，得到不同额定容量下，500、750和1000kV变电站内电抗器声功率级的大致范围。

2）声功率级频率分布

电抗器噪声能量主要集中在100Hz为中心的1/3倍频带，其他频段的噪声能量较小。给出了额定容量为200MVA、额定电压为1050kV的电抗器声功率级频谱分布情况，明显看出100Hz为中心频率的1/3倍频带A计权声功率级最大。

将电抗器1/3倍频程声功率除以电抗器声功率，得到该电抗器A计权声能量百分比分布情况。以100Hz为中心频率的1/3倍频带A计权声能量占比最高，约占电抗器声能量的86%。因此，对电抗器噪声进行控制，应重点关注100Hz的低频段。

2.2声压级

1）声压级大小

电抗器噪声声压级大小与系统电压等级相关，一般而言，电压等级越高，电抗器噪声越大。电抗器噪声声压级测点通常布设在距离电抗器外立面1m、高1.5m的轮廓线上，通过测量轮廓线上的噪声声压级来评估电抗器噪声水平及特性。500kV及以上系统用并联电抗器轮廓线上的噪声声压级最大值大致。

2）声压级分布

电抗器周围声场分布复杂，与电抗器外立面距离相同的轮廓线上，不同测点的声压级也有一定差别。在某额定容量为240MVA、额定电压为1050kV的电抗器三相轮廓线上各布置了4个测点，测得电抗器噪声声压级。距离该电抗器1m处的噪声最大值约78dB，而最小值约65dB。

3）声压级与运行电压的关系

变电站正常运行下系统电压变化很小，电抗器运行电压也不会有明显变化。为明确电抗器噪声与运行电压的关系，在电抗器出厂试验时通过调节电压，得到了电抗器轮廓线上的噪声声压级与运行电压的关系曲线。所测量的电抗器额定电压为1100/3kV，测量时将运行电压分别控制为额定电压的85%、90%、95%、100%和105%。

4）声压级与运行负荷的关系

只要输电线路带电，电抗器即满负荷运行，电抗器中流过的电流与线路的有功负荷无关，只随运行电压变化。而一般情况下，线路运行电压变化不大，因此，电抗器噪声变化不大。电抗器B相为例，在电抗器反面侧3号测点处布设了自动监测装置，测量得到了电抗器噪声声压级和负荷变化的曲线，运行负荷从1800MW逐渐增加到2400MW，运行电压变化不大，电抗器的噪声声压级值没有明显变化，噪声曲线平缓。

3结论

电抗器声功率级与电压等级和额定容量相关，电压等级越高，额定容量越大，声功率级也越高。电抗器噪声能量主要集中在100Hz为中心的1/3倍频带，其他频段的噪声能量较小。电抗器周围噪声声压级分布较复杂，随离开电抗器距离的增加而衰减，但衰减较小，衰减过程存在明显的声波干涉现象。电抗器噪声声压级与运行电压存在正相关关系，但与运行负荷无关。

参考文献:

[1]刘振亚.特高压交直流电网[M].北京:中国电力出版社，2013.

[2]周兵，裴春明，倪园，等.特高压交流变电站噪声测量与分析[J].高电压技术，2013，39(6)：1447-1453.