CN104465079A - 采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器，在电力电容器外壳的顶盖或底盖上由内至外依次设置有高分子材料涂层和外层复合板。本发明采用带阻尼双层外壳结构的电容器，其利用了金属材料的强度性能和高分子黏弹性材料的高阻尼特性，即保证了电容器外壳的机械强度、散热性能，又能极大地降低电容器外壳的振动。将本发明用于电容器行业，可以解决直流换流站中交流滤波电容器的严重噪声污染问题。

Description

采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器

技术领域

本发明涉及高压电力设备噪声控制领域，具体涉及一种采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器。

背景技术

目前已有若干电容器装置降噪技术。采用可降低电容器装置高度的双塔或多塔结构，从而减小噪声的有效传播距离；在交流滤波场四周一定距离设置吸声屏障墙等。多塔布置虽然降低了电容器塔的高度，但是电容器单元数并没有减少，辐射声功率不变；而设置声屏障投入很大，降噪效果不明显，且不利于滤波场设备运行状态的监视；另外，大风条件下声屏障的稳定性也是令人担忧的事故隐患。

西安交通大学吴鹏等人提出并研究了微穿孔板消声器(Micro-perforated Panel,MPP)，可压缩空气结构(Compressible Space Component，CSC)，双底面型电容器等多种单台电容器降噪措施，取得了明显的降噪效果。MPP消声器在设计频率点可取得8dB的降噪效果，但其是一种窄带的降噪措施，偏离设计频点时效果比较差；CSC减振器是一种宽带的降噪措施，可以在宽频带范围内实现10dB以上的降噪，但其使用的橡胶材料有老化以及与电容器油的相容性问题；双底面型电容器结构简单，易于加工组装，能实现8～15dB的高效降噪，在上海奉贤换流站中已投入使用，但这种低噪声电容器底面漏油造成的绝缘失效不易被检测，运行可靠性降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决电容器宽频带噪声辐射水平较高、现有降噪技术无法满足工程实际需求的问题，提供了采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器，以实现电力电容器减振降噪，且成本低廉，工艺简单、易于生产和制造，不影响电容器正常运行。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器，在电力电容器外壳的顶盖或底盖上由内至外依次设置有高分子材料涂层和外层复合板。

本发明进一步的改进在于：高分子材料涂层的材质为黏弹性材料。

本发明进一步的改进在于：高分子材料涂层的厚度为1μm～300μm。

本发明进一步的改进在于：外层复合板采用钢板制成。

本发明进一步的改进在于：外层复合板的厚度为1mm～1.5mm，电力电容器外壳的顶盖或底盖的钢板厚度为0.5mm～1.5mm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用带阻尼双层外壳结构的电容器，其利用了金属材料的强度性能和高分子黏弹性材料的高阻尼特性，即保证了电容器外壳的机械强度、散热性能，又能极大地降低电容器外壳的振动。将本发明用于电容器行业，可以解决直流换流站中交流滤波电容器的严重噪声污染问题。

附图说明

图1为采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器的复合外壳示意图；

图2为黏弹性材料涂覆区域示意图，阴影部分涂覆黏弹性材料，其中，图2(a)为电容器外壳的顶盖，图2(b)为电容器外壳的底盖；

图中：1、高分子材料涂层，2为外层复合板，3为顶盖或底盖，4为加强筋，5为法兰孔，6为油孔。

图3为普通电容器外壳隔声量随着频率的变化图；

图4为采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器外壳的隔声量随着频率的变化图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明在电力电容器外壳的顶盖或底盖3上由内至外依次设置有高分子材料涂层1和外层复合板2。其中，高分子材料涂层1的材质为黏弹性材料。外层复合板2采用钢板制成。

参见图2，图2(a)为电容器外壳的顶盖，其中，顶盖上设置有加强筋4，并开设有法兰孔5和油孔6；图2(b)为电容器外壳的底盖，其中，底盖上设置有加强筋4。

为了对本发明进一步了解，现对其原理做一说明。

本发明采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器，采用了约束型阻尼降噪的原理。在原有外壳外增加一层相同的钢板外壳，并在两层钢板之间加入一层很薄的黏弹性高分子阻尼材料。

材料振动时消耗能量取决于材料本身的阻尼特性。阻尼是指振荡运动的物体所受到的耗散型阻力，通常用损耗因子表征材料的阻尼大小。由于阻尼的存在，实际的机械振动系统不可能一旦受激发就永远无休止地振荡下去。从振动与噪声控制角度讲，阻尼越大越好。大多数材料的损耗因子在10^-1到10^-5之间。其中金属的阻尼较小，在10^-5到10^-4之间；木材约在10^-2量级；橡胶的阻尼较大，为10^-1到10^-2之间。直流系统中交流滤波电容器外壳都是金属材料的，其阻尼很小。如果能采用适当的方法，人为增加外壳阻尼，可以降低外壳振动，起到降低电容器噪声的效果。

黏弹性材料是目前应用最广泛的一种阻尼材料，其主要成分是高分子聚合物，如塑料和橡胶等。带阻尼层的双层外壳结构是由金属/高分子黏弹性阻尼材料/金属组合而成的“三明治”结构，强度和散热性能由基体钢板保证，阻尼性能由黏弹性材料的阻尼和不同材料黏结处的损耗保证。有效地结合了金属材料的加工成形特性以及高分子黏弹性材料的阻尼特性，是替代传统电容器外壳的理想环保材料。

为了满足电容器外壳机械强度、散热性能的要求，两层外壳总厚度与原不锈钢板外壳的厚度基本保持不变，外层钢板的厚度为1mm～1.5mm，内层钢板的厚度为0.5mm～1.5mm。内层钢板正常情况下不接触空气，仅需满足电容器油的相容性要求，可以采用价格相对低廉的不锈钢材料以降低成本。两层钢板之间黏弹性材料的厚度约为1μm～300μm，可以实现大幅增大纵向振动传递阻尼，进而在宽频带内降低振动和辐射噪声的目的。为了避免高分子黏弹性材料进入电容器内部影响电容器的正常绝缘及运行，黏弹性材料涂层应距焊接点10mm以上。在制作加工带阻尼双层外壳时，先分别加工外层板和基层板，再和黏弹性材料涂层一同进行固化，一次性形成双层外壳组件，以避免对双层外壳进行弯折、剪切加工时产生材料形变，也解决了高分子黏弹性材料接触到电容器油产生的相容性问题。

已有研究表明，电容器的主要振动方向为垂直于电容器顶面和底面的方向，电容器的顶盖和底盖是电容器辐射噪声的主要来源。因此，本发明以在顶盖和底盖采用带阻尼的双层外壳结构为例说明具体实施方式，但实际中不限于此种使用方式。在顶面和底面采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器制作过程如下：首先取原外壳的底盖和未加套管的顶盖零件作为基层板；然后制作与底面和顶面大致相同的一块钢板作为外层板；在基层板的外侧涂覆一层阻尼很大的高分子黏弹性材料，进入加热炉加热；同时将外层板也放入加热炉预热；然后将两层外壳板进行辊压叠合；叠合后的两层外壳进入固化炉进行加热固化，制成带阻尼的双层外壳顶盖和底盖零件；最后将双层外壳的电容器底盖和顶盖零件按常规方式焊接。

在带阻尼的双层外壳结构制作完成后，可按照常规电容器的制造流程：安装电容器芯子，焊接顶壳，抽真空，注油等，这样完成整个低噪声电力电容器的制造。该低噪声电力电容器安装在换流站中的电容器装置上。当其工作时，电容器内部芯子在交变电动力作用下产生的振动，受到双层外壳的阻尼，电容器辐射到外界的噪声水平大大降低。

本发明采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电容器的技术依据：

电容器的辐射噪声来源于芯子在交变电动力作用下的振动，电容器外壳在辐射噪声的过程中起到薄板隔声的作用。薄板隔声量的计算公式如下：

$R=10\log {|1+\frac{Z_{\mathrm{sm}}}{2\mathrm{\ρc}}\cos \mathrm{\θ}|}^2=10\log {|1+\frac{\mathrm{\η\ωm}}{2\mathrm{\ρc}}\cos \mathrm{\θ}|}^2---\left(1\right)$

其中，Z_sm为隔声板中的法向声阻抗，ρc为流体介质中的特征声阻抗，θ为声波入射角，η为隔声板材料的损耗因数，ω为振动角频率，m为隔声板面密度：m＝ρd，d为隔声板厚度。

取电容器外壳材料厚度为1.5mm，损耗因子为1×10^-4，代入上式计算可得在使用带阻尼双层外壳结构之前电容器外壳隔声量随着频率的变化如图3所示，此时外壳的隔声量可以忽略不计。

在采用带阻尼双层外壳结构后，根据Hoff夹层板理论计算的外壳结构的损耗因子大于0.05。取损耗因子为0.05对降噪效果进行保守估计，得到带阻尼双层外壳结构隔声量随频率变化如图4所示，隔声量在大于1000Hz时大于15dB。

从散热的角度分析，在中间增加黏弹性材料后，相当于在散热路径上串联了一个热阻，总体的散热热阻会有所增大。基于导热系数的热阻计算公式为

其中，r为散热热阻，K为材料导热系数，A为垂直于散热方向的截面面积。

在带阻尼双层外壳结构中，两层外壳和黏弹性材料的截面面积大致相同，外壳厚度比黏弹性材料大三个数量级，而外壳的导热系数比黏弹性材料大两个数量级。根据上式估算，外壳的总热阻比黏弹性材料的热阻大一个数量级，因此黏弹性材料引入后对结构散热的影响不大。对带阻尼双层外壳结构进行了导热系数测量，与单层结构测量结果的比较也证实了上述结论，见表1。

表1：普通外壳和带阻尼双层外壳导热系数实测结果

综上所述，使用带阻尼双层外壳结构的电力电容器可以在很大程度上降低噪声辐射，同时对电力电容器的散热性能影响很小。

Claims (5)

1.采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器，其特征在于：在电力电容器外壳的顶盖或底盖(3)上由内至外依次设置有高分子材料涂层(1)和外层复合板(2)。

2.根据权利要求1所述的采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器，其特征在于：高分子材料涂层(1)的材质为黏弹性材料。

3.根据权利要求1所述的采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器，其特征在于：高分子材料涂层(1)的厚度为1μm～300μm。

4.根据权利要求1所述的采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器，其特征在于：外层复合板(2)采用钢板制成。

5.根据权利要求1或4所述的采用带阻尼双层外壳结构的低噪声电力电容器，其特征在于：外层复合板(2)的厚度为1mm～1.5mm，电力电容器外壳的顶盖或底盖(3)的钢板厚度为0.5mm～1.5mm。