电抗器结构声辐射仿真分析与应用

国网上海金山供电公司 余娟娟 蒋陈忠 叶 青 中国电建集团装备研究院有限公司 王海玲 孟令丹

并联电抗器是电力系统中不可缺少的电气设备，主要用于吸收系统中的容性无功功率、限制过电压、抑制同步电机带轻载时可能出现的自励磁现象，起到稳定和保护电力系统的作用。电抗器噪声是变电站噪声的主要来源之一，对厂界噪声贡献突出。为探索解决电抗器噪声扰民问题，研究学者从声源治理和传播途径治理等方面进行了一系列研究，提出优化电抗器内部结构、器身与油箱设置减振系统、隔声屏障、隔声装置及有源控制技术等一系列控制电抗器噪声的可行方法。

1 电抗器噪声

并联油浸式电抗器主要由油箱和内部核芯部件两部分组成。电抗器正常工作时，线圈绕组通入交变电流，产生交变的磁场，由于相邻铁芯饼之间有气隙，处于磁场中的铁芯饼的上下表面会受到电磁力的作用。同时由于铁磁材料的固有属性，在外磁场作用下，铁磁材料的尺寸在各方向都会发生变化，导致发生磁致伸缩变形。两种交变的电磁激励使得铁芯发生振动，该振动通过铁芯和油箱的固定连接结构以及变压器油传递到油箱，然后通过油箱的振动向周围空气辐射噪声。

为进一步明确电抗器噪声频率特性，对电抗器噪声进行了实地调研检测。图1给出额定容量为20000kVar、电压等级为35kV 的并联电抗器噪声级频谱分布情况，图2给出各频带能量百分比。图中可明显看出，电抗器声能主要集中在1/3倍频程100Hz 频带范围内，约占到了电抗器声能量88%，其次是200Hz。

图1 35kV 并联电抗器噪声级及频谱分布情况

图2 电抗器声能量百分比分布图

2 电抗器噪声分析模型

电抗器的振动来源主要有两种，一种是因处于交变磁场中的铁磁材料的磁致伸缩变形，另一种是由于受到交变的电磁力所引起的振动。磁致伸缩变形以及电磁力导致的铁振动可直接向油介质中辐射声能量，声场再激励电抗器油箱向外辐射噪声。另外磁致伸缩应力和电磁力又可通过铁心与油箱间的连接激励油箱结构振动向外声辐射。

电抗器油箱结构振动响应。油箱结构振动响应由铁心连接处激励力Fm和铁心通过油介质辐射的声场激励Fp两部分共同决定。油箱结构的振动响应由结构动力学方程可表示为：[M]{Y'']+[C]{Y'}+[K]{Y}={F}，其中[M]、[C]、[K]分别为油箱的质量系数矩阵、阻尼系数矩阵和弹性系数矩阵，由油箱的物理结构决定。{Y}为振动位移矢量，{Y'}、{Y'']是位移矢量的一阶、二阶导数，表示速度和加速度矢量。{F}表示力矢量，表征油箱受到的外力，由Fm和Fp决定。振动响应分析就是求解电抗器油箱的结构动力学方程，对于复杂结构可用有限元计算软件来完成。

电抗器油箱结构声辐射。电抗器油箱可看成是一个闭空间的外部声场计算问题。油箱结构振动与空气声场之间的耦合可用下式表达，式中[Ms]、[Cs]、[Ks]表示电抗器油箱结构的质量系数矩阵、阻尼系数矩阵和弹性系数矩阵，[Ma]、[Ca]、[Ka]表示空气的声质量矩阵、声阻尼矩阵和声弹性矩阵。

将振动表面外法向的加速度或速度分布与辐射声压分布联系起来，根据不同的边界等条件可用级数展开或有限元方法对辐射声压或声功率数值计算。

3 电抗器模型辐射噪声计算分析

电抗器的振动与噪声问题的分析实际上是一个多物理场耦合问题的研究。本项研究主要关注结构与声场建模分析，在仿真计算过程中将用力源点激励模拟电抗器铁心与油箱连接点的力激励，用线源声激励模拟电抗器铁心振动向油介质的直接声辐射，以期获得电抗器油箱结构辐射声场的分布，结构振动和声场计算通过仿真软件完成。

3.1 电抗器油箱计算模型

根据电抗器实体结构，将电抗器油箱简化为圆柱壳结构，模型如图3。顶盖和底盖上的各种附件约束等效成加强筋结构，上下各有四条加强筋，油箱底盖与地面的固定约束点放置在底盖的四条加强筋上。计算模型中激励源考虑了点力激励和线源声激励，上、下底盖板分别放置了三个点力激励点，中间电抗器油内放置了三个线源声激励，两种激励方式可单独激励，也可同时加载激励。主要仿真了电抗器室内声场环境，考虑室内六个反射面。

图3 电抗器油箱结构计算模型

3.2 电抗器室内环境计算模型

本项目依托上海汇丰110kV 变电站工程，电抗器室房间尺寸为：6000mm×6000mm×5000mm，电抗器距离地面高度约150mm，由此建立的电抗器室内环境计算模型如图4所示。通风窗口深度（y）1000mm，出口连接完美匹配层PML，模拟无反射端口。房间墙壁和底面设为硬声场边界条件，模拟光滑全反射壁面。电抗器油箱内部充满油，设为压力声场求解域，油箱外部为空气介质，同样设为压力声场求解域，电抗器油箱为不锈钢材质，设为固体力学求解域。电抗器油箱内外表面设为声结构耦合界面。电抗器三个线源激励总声功率设为0.01W，模拟电抗器铁心磁致伸缩变形直接向油内辐射声；上面三个点力激励源为-50N、下面三个激励点源为50N，模拟铁心固定点对电抗器油箱的力激励。

图4 电抗器室内环境计算模型

3.3 室内环境仿真分析结果

3.3.1 刚性壁面电抗器室内环境仿真分析

在电抗器室内不进行特殊声学装修，激励源同时加载时电抗器室内100Hz 声场分布如图5～8所示。由于房间刚性壁面，导致室内声场分布及其不均匀，存在明显的高声压区和低声压区。靠近电抗器及墙壁区域声压级较高，尤其电抗器顶部和底部是明显的高辐射区域，这是由圆形电抗器油箱外形结构决定的。据图9可看出，在100Hz 频率激励下，上下顶部平板结构相对于侧面曲面结构更容易在外部激励下发生变形，顶部振动位移幅值可达0.016mm，侧面位移幅值只有0.0033mm。这主要是因为在低频时顶部和底部平板容易激励，是主要辐射源，在高频时由于侧面趋于平板结构，侧面非常容易激励，因此在电抗器油箱结构设计时，可根据主要激励频率有针对性的进行油箱外形设计。

图5 Z=500mm 切面声场分布

图6 Z=3500mm 切面声场分布

图7 x=2300mm 切面声场分布

图8 x=4600mm 切面声场分布

图9 电抗器油箱表面振动位移

进一步的分析表明，当激励频率为20 0 Hz、300Hz、400Hz、500Hz 时，房间内声压级都有较明显提高，这主要是因为频率增加电抗器油箱结构辐射效率变高导致的。此外，电抗器油箱表面振动模态变得复杂，300Hz、400Hz 油箱顶面出现高阶模态振动，400Hz 侧面也开始出高阶模态振动，500Hz 侧面高阶模态振动更加明显。

从图5可看出，在y=6000mm 墙壁上有两个声场干涉低谷区域，中心分别位于x=2300mm、4180mm。通风窗恰好位于其中的第一个低声压区，导致进入通风窗的声能量比较低。但从图7看，基于该仿真模型，窗口位置应该向上移动在z=960mm位置会具有更好的效果。或者如不考虑通风窗需要正对着电抗器，单纯从低噪声传递角度考虑，通风窗位于第二个低声压区会更好。基于以上假设，分别移动了窗口位置，重新计算了移动位置后的声场分布，如图10～13所示，比较窗口入射声功率和平均声压级如表1。从通风窗入口声功率对比可看出，在W3位置入射声功率最低、W2位置次之。但从通风和噪声同时考虑，窗口在W2位置可能更好。

图10 窗口上移后z=960切面声场分布

图11 窗口上移后x=2300mm切面声场分布

图12 窗口右移后z=500mm 切面声场分布

图13 窗口右移后x=4180mm切面声场分布

表1 窗口不位置声功率和平均声压级

3.3.2 吸声壁面电抗器室内环境仿真分析

为有效控制电抗器噪声，会在电抗器室内壁面敷设吸声结构，本部分对电抗器室内敷设吸声结构后室内声场变化情况予以分析。假设敷设的穿孔板吸声结构在100Hz 具有良好的吸声性能（图14）。房间内声场计算结果如图15、图16所示。敷设吸声结构后，房间内声压级有明显降低，声场干涉变弱。

图14 敷设结构的吸声性能

图15 加吸声结构后室内房间声场分布（100Hz-xy 平面）

图16 加吸声结构后室内房间声场分布（100Hz-yz 平面）

图17 硬壁面室内房间声场分布（100Hz-xy 平面）

图18 硬壁面室内房间声场分布（100Hz-yz 平面）

图19 房间加吸声结构并移动通风窗声场计算结果（z=1600mm）

进一步分析通风窗口位置处对外辐射声功率级可发现，在电抗器室敷设吸声结构后，窗口通风位置声功率和平均声压级都有所增加，因为加吸声材料后房间内声场分布变化较大，低声压级位置已不在原先位置。把通风窗位置移到新的低声压级位置（730，6000，1600），重新计算声场分布结果如图19所示，通风窗口声功率和平均声压级对比如表格2所示。移动通风窗口位置后，在通风窗口可实现较低的辐射声功率和平均声压级。

表2 硬壁面和阻抗壁面通风窗入口声功率和平均声压级