超高压电抗器隔声装置降噪散热性能分析
变电站高压并联电抗器噪声问题日渐突出，现有变电站通过对高压并联电抗器加装隔声装置达到控制噪声的目的，但隔声装置可能造成高压并联电抗器散热不足，使内部绝缘系统性能劣化，影响特高压并联电抗器运行可靠性与经济性。国网浙江省电力有限公司检修分公司的研究人员李光、王炳昱，在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文，结合华东某超高压变电站实际应用案例，对加装隔声装置后的高压并联电抗器噪声影响和散热性能进行分析。
随着我国超、特高压电网建设的快速发展，广大公众和环保部门对高压变电站周界噪声影响的关注程度越来越高。高压并联电抗器作为电力系统长输电线路的无功补偿设备，用于抑制长线路容升效应导致的过电压，由于铁心漏磁大且投运即为满功率运行，产生的噪声震动大。由于高压并联电抗器通常安装在变电站周界的出线侧靠近围墙，对站外噪声的影响较大。
为了使变电站周界噪声符合《工业企业厂界环境噪声排放标准》（GB 12348—2008）2类标准，同时确保变电站周围居民区噪声符合《声环境质量标准》（GB 3096—2008）的要求，变电站的噪声治理变得十分紧迫，而高压并联电抗器是变电站周界噪声的重要来源，已经成为噪声治理的重点对象。
1 噪声控制措施
对站内高压并联电抗器的噪声控制措施主要分为两个方面，即内部控制措施和外部控制措施。
内部控制措施主要包括选用高导磁激光刻痕磁性硅钢片和多级步进搭接结构，降低磁致伸缩；采用先进工艺，例如合理选用绑扎、压紧结构及加强绕组、引线的固定等，防止因电磁力振动引起的噪声；加强装配结构，可以在铁心垫脚与箱底间放置隔振橡胶垫，以及在油箱外壁槽型加强铁中间充满隔声材料；降低附件噪声，选用优质低噪声风扇，减少风扇同时运行组数等。
外部控制措施的目的是抑制噪声的空间传播，可采用全封闭BOX-IN、非全封闭隔声间、外壳贴附吸音材料、增加隔声墙等措施。
相较于内部控制措施，外部控制措施更容易实现。而相对于其他外部控制措施，BOX-IN由于使用全封闭结构，其隔声效果具有明显的优势而受到工程上的青睐。
2 声屏障和BOX-IN降噪性能分析
分别对高压并联电抗器使用声屏障和 BOX-IN两种不同的降噪措施建立电抗器噪声分析的计算模型，设定额定容量为40Mvar，额定声功率为84～90dB，通过采用Sound PLAN软件分别建立在电抗器防火墙正前端无任何隔音措施、建造8m高的声屏障和使用高压电抗器BOX-IN措施的计算模型，进行噪声值分析计算，结果见表1。
表1 三种情况噪声点计算结果
由Sound PLAN软件计算数据如图1所示。声屏障措施中接收点的噪声减小幅度随距离的增大而变小，说明声屏障的降噪效果随距离的增大而降低，在声屏障近处降噪效果很明显，远处降噪效果较低。当使用BOX-IN装置时，与没有采取降噪措施相比，接收点的噪声值减小幅度随距离的增大基本不变。
图1 三种情况噪声点计算结果曲线
通过计算可知，与采取声屏障降噪措施相比，采取BOX-IN降噪措施时，接收点的噪声减小幅度随距离的增大而增大。考虑到变电站周界居民分布一般不会位于变电站较近的区域，所以并联电抗器使用BOX-IN装置安装方式对降低远处民房噪声效果明显。
3 BOX-IN结构的温升计算
3.1 BOX-IN结构特点
根据前文对Sound PLAN软件计算结果的分析可知，在变电站周界噪声问题较为严重的区域，BOX-IN方案的优势明显，安装BOX-IN的高压并联电抗器结构如图2所示，将并联电抗器本体置于由隔声墙板所密封的密闭空间内，设置排风机和进风孔并做相应的消声处理，BOX-IN预留供人员巡视进出的隔声门，并设置相应的密封条保证其密闭性。
但由于电抗器本体设计结构原因使得顶层隔音顶板与电抗器油箱上部空间狭小，给电抗器运维检修带来了一些新问题。
图2（a）BOX-IN结构正视图
图2（b）BOX-IN结构俯视图
根据BOX-IN相关结构要求，需将电抗器本体与其散热器分开布置，电抗器本体完全至于密闭的封闭空间内，需对加装BOX-IN后电抗器绕组温度、油面温度进行计算验证，通过计算得出电抗器加装BOX-IN对温升的影响。
3.2 电抗器温升计算（略）
本文以华东某500kV变电站某线高压电抗器为例，该电抗器容量为40Mvar，冷却方式为油浸自冷，计算其在加装BOX-IN装置后相关温升指标情况。该型高压并联电抗器额定损耗83.8kW，其绕组的热负载为317.2W/m2，顶层油温升修正值6K，绕组的绝缘校正温差1.3K，绕组油道校正温差0.2K，计算温升按照1.05倍额定电压下进行计算，最终计算结果见表2。
其中计算值为本文计算结果，试验值为出厂试验时实际测量的结果，根据相关要求，该高压并联电抗器符合相关设计要求，油温升和绕组温升均符合相关要求，满足BOX-IN运行条件。
表2 温升计算结果
3.3 电抗器实际温升
工程投产后，跟踪不同气温下电抗器各处温升情况，其中，环境温度为20℃时，发现该线路线高抗C相油温62℃，绕组温度为85℃；当环境温度为23℃时，同一组高抗C相油温66℃，绕组温度88℃。随着夏日临近，当环境温度达到30℃时，高压电抗器各相温度见表3。
表3 温升测量结果（单位: ℃）
其中BOX-IN内部温度为距离地面2m测温，由于BOX-IN内部正常设有通风设施，并由底部进风，上部排风，内部温度成梯度分布，上部空间温度明显高于离地2m处，BOX-IN内部顶部温度达43℃。
根据上述计算可知，当迎峰度夏期间环境达到40℃时，推测BOX-IN内部顶部温度将达到54℃，电抗器油温可达86℃左右，距离设备运行油面控制温度90℃裕度不足。
4 影响温升因素分析
4.1 油流驱动力
高压并联电抗器多采用油浸自冷或油浸风冷冷却形式，其特点是电抗器油流无潜油泵提供动力，油流运动的主要动力是油在器身内加热和在散热片中冷却构成的油流驱动力，这个驱动力的大小与冷却中心和发热中心的位置有关。
具体冷却循环过程如图3所示，其中A—B为油在设备内部升温过程，C—D为油在散热片内降温过程，两条曲线之间的高度差是产生油流驱动力的必要因素。只有冷却中心点高于发热中心点时，才能产生压差，而且冷却中心点与发热中心点的高差越大，油循环的驱动力越大。所以在设计自然油循环电抗器时应使冷却中心与发热中心的高度差尽可能加大，这样才能产生足够的循环油流驱动力，形成稳定的自然油循环。
图3 自然油流的冷却循环过程
但是当散热设计散热能力不足时，油无法在散热器中冷却至较低的温度，导致该驱动力循环温度区间变小，从而导致了油流驱动力的减小，此时需要借助散热器降低散热器内油的温度，从而保证该循环可以稳定进行。
4.2 流动阻力
公式8
油流通道不同部分由于截面积的不同其流速也不相同，计算油管路的摩擦油阻力时应分段计算后求和。油管路特殊部位的形状油阻力是由流体流动过程中流过弯头及界面等突然发生变化的区域时流体产生扰动引起的。
当油流驱动力与流动阻力相等时，可形成稳定的自然油循环。所以不同的结构最终都会形成稳定的自然油循环，但循环的油流速度则与油箱、散热片、管路等结构息息相关，合理优化相应结构设计，可以有效提高自然油循环冷却效率。
4.3 绕组结构
由于高压并联电抗器均为饼式绕组结构，绕组由多个线饼组成，具有纵向和横向油道，相关论文提及，就油浸自冷方式的散热变压器而言，其绕组结构对于散热有显著的影响。饼式绕组中若不存在纵向油道、导向隔板将影响绕组内部的油流阻力，由于电抗器绕组不存在内外绕组之分且绕组径向尺寸会略大于电力变压器，所以在温升计算中应充分考虑电抗器与变压器的不同，对电抗器温升进行科学合理的评估。
5 结论
1）本文通过软件计算表明，相较于使用声屏障的高压并联电抗器，采用BOX-IN结构可以将电抗器全范围噪声功率级大幅度降低，这对于降低全区域范围内噪声具有巨大的优势和重要的意义。
2）隔声装置安装在高压并联电抗器油箱周围，未将散热器包括在内，不影响散热器经热辐射及空气对流散热，也不会对油箱内的油流特性形成影响，只会限制油箱周围的空气流动。
3）本文通过计算得出，尽管在电抗器加装BOX- IN可以通过增加散热器组数满足电抗器温升要求，但由于并联电抗器投运即为满负荷运行且增加BOX-IN后对油流驱动力、油流阻力都有不利影响，设计中应考虑充足的温升裕度，避免造成绝缘热老化与绝缘劣化。
4）在高压并联电抗器BOX-IN结构设计中需与电抗器同步设计，必要时修改电抗器结构参数以满足BOX-IN运行检修需求，充分考虑内部散热、设备安装、巡视检修等问题。
5）结合现场运行经验，可采用增加BOX-IN排风扇、加装散热器静音风扇、增加水喷雾系统等措施控制高压并联电抗器实际温升。