CN209029246U - 用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种结构简单，体积小，重量轻，具有优异的减振缓冲性能，且环境适应性好，性能稳定，使用寿命长的用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器。该金属橡胶减振器包括夹板、实板、减振元件、电容器套管、电容器外壳、电容器芯子；采用该用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器具有冲效果显著、体积小、环境适应性好、性能稳定、使用寿命长等特点，对电力电容器电性能影响较小，可以解决直流换流站中交流滤波电容器噪声严重污染的问题。

Description

用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器

技术领域

本实用新型涉及振动控制技术领域，尤其是一种用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器。

背景技术

随着我国工业的不断发展，我国对高压、特高压直流输电项目的不断投入与研发，越来越多的高压、特高压直流输电工程将得以立项建设。换流站是在特高压直流输电中进行能量转换的系统，而电容器装置是换流站的重要组成部分，主要作用对电力系统进行滤波与无功补偿。近些年来，由于用电量的需求增加，电容器的单台容量也不断增加，以及电网中高次谐波电流叠加的原因，电力电容器的辐射噪声也随之增加，对工程现场和周围居民带来很多不便。电力电容器的噪声是由于电容器在交变电场作用下,电容器的极板受到交变电场力作用而产生振动,通过与其连接的结构和电容器浸渍剂传递给外壳,引起电容器外壳的振动并产生噪声向周围辐射。在相应的招标文件中对电容器的噪声都提出了很高的要求，但是在现有的降噪技术仍不能满足工程实际的要求，因此研制出一种用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器。

金属橡胶是一种新型的多孔弹性阻尼材料，由不同牌号和直径的细金属丝经螺旋卷绕制、螺旋卷定螺距拉伸、毛坯制备、冷冲压成型、后处理等一系列工艺制备而成，其内部为金属丝相互交错勾连形成类似橡胶高分子的空间网状结构，在动载荷作用下，金属丝螺旋线匝之间发生摩擦、滑移、挤压现象，可以耗散大量的振动能量，具有橡胶的高弹性、大阻尼特性以及金属优异的物理机械性能，在真空中不挥发，不惧怕辐射环境，耐高低温，耐腐蚀，且疲劳老化寿命长。当产生振动时,金属橡胶减振器所承受的力主要分布在金属丝螺旋卷上，其耗能阻尼主要是由金属丝螺旋卷之间的相互摩擦滑移所产生的；同时，金属橡胶减振器的重要部件金属橡胶的内部具有无数细微孔隙，孔隙间彼此贯通。声波入射到材料内部，会引起孔隙内空气的运动，振动的空气与形成孔壁的固体筋络发生摩擦，将声能转化成热能而耗散掉，从而削弱振动的影响，进而降低噪声。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单，体积小，重量轻，具有优异的减振缓冲性能，且环境适应性好，性能稳定，使用寿命长的用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器，包括电容器外壳；所述电容器外壳顶部设置有竖向的布置的电容器套管；所述电容器外壳具有内腔，电容器外壳内腔的顶部和底部均设置有减振元件；所述电容器外壳内腔的顶部和底部两个减振元件之间设置有横向布置的电容器芯子；

所述减振元件包括夹板、金属橡胶圈以及两块实板；两块实板平行设置，且两块实板之间具有间隙；所述金属橡胶圈位于两块实板之间，且金属橡胶圈两侧均设置有夹板；所述夹板固定安装在实板上；两块实板的两端之间均设置有金属橡胶圈；所述金属橡胶圈两侧的夹板的端部设置有固定挡板；所述固定挡板穿过金属橡胶圈的中心孔；所述固定挡的两端均与夹板的端部固定连接。

进一步的，所述固定挡的两端均通过沉头螺栓与夹板的端部固定连接。

具体的，所述的金属橡胶圈，包括橡胶圈，以及设置在橡胶圈内的金属丝；所述金属丝由螺旋状在橡胶圈内缠绕。

优选的，所述的夹板的长度比电容器外壳底面的宽度短5mm。

优选的，所述的实板为钢板，厚度为2mm，所述的实板的长度比被电容器外壳底面的长度短5mm；所述的实板的宽度比被电容器外壳底面的宽度短5mm。

本实用新型的有益效果是：本实用新型所述用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器的设置方法设置的用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器用于电力电容器行业，该用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器采用金属橡胶圈作为减振元件，金属橡胶具有多孔金属的孔隙特性和橡胶的弹性；变刚度特性：载荷与变形关系呈现非线性，即出现刚度微软效果，会降低系统空间方向的“固有频率”，使本品随外激励量级的增加，“固有频率”减小，因此具有良好的隔振效果；变阻尼特性：在共振区内阻尼显著增大，能有效抑制共振峰值，在隔振区内阻尼迅速减小，因而具有优良的阻尼减振特性，其阻尼比不随温度而改变等特点，对电力电容器电性能影响较小，可以解决直流换流站中交流滤波电容器噪声严重污染的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例中用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中减振元件的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中减振元件的立体图；

图4是常规电力电容器振动传递模型；

图5含金属橡胶减振器的电力电容器振动传递模型；

图6电力电容器降噪量与金属橡胶刚度变化关系图；

图7电力电容器振动加速度仿真对比；

图8未添加金属橡胶圈的电力电容器底部振动加速度频域仿真；

图9添加5mm金属橡胶圈的电力电容器底部振动加速度频域仿真；

图中标示：1-电容器套管，2-电容器壳体，3-电容器芯子，4-实板，5-金属橡胶圈，6-夹板，7-沉头螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1至图9所示，本实用新型所述的用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器，包括电容器外壳2；所述电容器外壳2顶部设置有竖向的布置的电容器套管1；所述电容器外壳2具有内腔，电容器外壳2内腔的顶部和底部均设置有减震元件；所述电容器外壳2内腔的顶部和底部两个减震元件之间设置有横向布置的电容器芯子3；

所述减震元件包括夹板6、金属橡胶圈5以及两块实板4；两块实板4平行设置，且两块实板4之间具有间隙；所述金属橡胶圈5位于两块实板4之间，且金属橡胶圈5两侧均设置有夹板6；所述夹板6固定安装在实板4上；两块实板4的两端之间均设置有金属橡胶圈5；所述金属橡胶圈5两侧的夹板6的端部设置有固定挡板；所述固定挡板穿过金属橡胶圈5的中心孔；所述固定挡的两端均与夹板6的端部固定连接。所述固定挡的两端均通过沉头螺栓与夹板6的端部固定连接。

具体的，所述的金属橡胶圈5，包括橡胶圈，以及设置在橡胶圈内的金属丝；所述金属丝由螺旋状在橡胶圈内缠绕。所述的金属橡胶圈5，是由螺旋状金属丝按一定规律缠绕，进而压制形成的弹性多孔材料结构体。所用金属丝材料为304不锈钢丝，弹性模量E为2.0MPa，泊松比0.3，金属丝的密度为789.5kg/m³，金属丝直径为0.15mm，螺旋卷的直径为2mm，单个金属橡胶的外形尺寸为相对密度为0.21，受压半径为0.28mm。

所述的金属橡胶圈5，是一种非线性阻尼结构材料，刚度是由金属橡胶材料内部—金属丝螺旋卷间的压缩、挤压刚度共同产生；阻尼是由金属丝螺旋卷间的接触摩擦耗能产生。在金属橡胶圈5中金属丝螺旋卷的排列是一种随机分布，螺旋卷之间以间隙、啮合、勾连或滑动等形式接触。间隙、啮合、勾连接触主要影响构件的整体刚度，而滑动接触则引起内摩擦耗能。

所述的金属橡胶圈5，它的材料属性如密度、孔隙度、金属丝直径、螺旋卷直径及成型压力直接影响到金属丝螺旋卷的排列及接触。因此在工程实际上，要选择满足一定固有频率特性的金属橡胶隔振器，首先需要确定金属橡胶圈5的结构刚度。结构刚度的确定主要取决于密度、孔隙度、金属丝直径、螺旋卷直径及成型压力的确定。

具体的，所述的夹板6的长度比电容器外壳2底面的宽度短5mm。所述的实板4为钢板，厚度为2mm，所述的实板4的长度比被电容器外壳2底面的长度短5mm；所述的实板4的宽度比被电容器外壳2底面的宽度短5mm。

该用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器，通过金属橡胶圈5来隔离被减振体的振动传递，金属橡胶5的金属丝之间发生摩擦、挤压、变形耗散大量的振动能量，进而起到吸收并减少振动的作用。同时，金属橡胶减振器的重要部件金属橡胶的内部具有无数细微孔隙，孔隙间彼此贯通。声波入射到材料内部，会引起孔隙内空气的运动，振动的空气与形成孔壁的固体筋络发生摩擦，将声能转化成热能而耗散掉，从而削弱振动的影响，进而降低噪声。

具体的，在设置上述用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器采用如下设置方法，包括以下步骤：

1)确定金属橡胶刚度；

如图4、图5所示，将电容器芯子3与电容器壳体间的绝缘油等效为不可压缩的质量块M₀，将电容器壳体2等效成有质量快M_t与弹簧K_t组成，忽略金属橡胶5的质量将其等效成弹簧系统K_b。

如图1所示常规电力电容器的振动传递路径为电容器芯子3的振动V_e经过不可压缩的绝缘油直接传递到电容器壳体2表面，其关系式为：

V_c1＝V_b1＝V_e (1)

如图5所示含金属橡胶减振器的电力电容器振动传递路径为：首先电容器芯子3产生的振动V_e经过金属橡胶5传递到绝缘油的上表面，然后经过绝缘油传递到电容器壳体2表面，其关系式为：

V_c2＝V_b2 (2)

V_e＝V_a2+V_c2 (3)

因为金属橡胶5等效为纯弹簧系统，所以其机械阻抗Z_b可以写成：

绝缘油与壳体2组合的机械阻抗Z₀可以看作绝缘油质量块的机械阻抗加上壳体2质量块的机械阻抗，然后再串联壳体2的弹簧机械阻抗，具体表达式为：

式(5)中的w为角频率。

根据图5中的机械阻抗示意图可知，因为绝缘油不可压缩性所以其上下表面的作用力大小相等。进而可以得出V_a2与V_c2的关系式：

Z_bV_a2＝Z₀V_c2 (6)

将式(6)改写成：并代入式(3)得出：

联立式(1)与式(7)得出，常规电容器与含金属橡胶减振器的电容器，在芯子3振动相同情况下传递到电容器壳体2表面的振动速度比值：

由电力电容器壳体表面振动产生的声压表达式为：

p＝ρ₀cV (9)

式(9)中，ρ₀为空气密度；c为声音在空气中的传播速度；V为壳体的表面振动速度。声压级的表达式为：

其中p₀为基准声压。

根据式(4)(5)(8)(9)和(10)可得到电力电容器降噪量的表达式：

上述公式(11)中，L_Δ为电力电容器声压级降噪量，L_R为常规电力电容器的噪声声压级，L_B为含金属橡胶减振器的电力电容器噪声声压级。根据式(11)可知：K_t、M₀和M_t分别为壳体的弹性系数、绝缘油质量和壳体质量，它们都为系统的常数；w为激励的角频率，当电力电容器的工况确定时电容器产生的激励频谱也是确定的；K_b为金属橡胶的刚度特性，因此合理设计K_b是金属橡胶减振器能良好降噪的关键。

设计要求电力电容器底部方向的降噪量等于或大于10dB。如图6所示：在金属橡胶刚度确定的前提下，电力电容器降噪量具有一个极小值；当激励频率确定的情况下，金属橡胶的刚度越小，电力电容器的降噪效果越明显；金属橡胶刚度为60N/mm时，电力电容器的最小降噪量为10dB。因此，将金属橡胶的刚度设计为60N/mm。

2)设计金属橡胶的结构尺寸和安装方式

金属橡胶材料是一种在结构体内部分分布着大量孔洞的多孔材料，因此多孔材料理论适用于金属橡胶材料，通过该理论可得到金属橡胶厚度与半径的关系式为：

上述公式(12)中，L为金属橡胶厚度，E_s、K_b、r分别为金属橡胶材料的弹性模量、结构刚度、初始相对密度、受压半径。

金属橡胶弹性模量和截面惯性矩的关系式为：

上述公式(13)和(14)中，R为金属橡胶减振器的中径，J_x为截面的惯性矩，b为金属橡胶圈的宽度。

在已知金属橡胶刚度的基础上，通过金属橡胶厚度与半径的关系式(12)以及金属橡胶弹性模量和截面惯性矩的关系式(13)可获得金属橡胶圈5的结构尺寸。

金属橡胶圈5是由螺旋状金属丝按一定规律缠绕，进而压制形成的弹性多孔材料结构体。所用金属丝材料为304不锈钢丝，弹性模量E为2.0MPa，泊松比0.3，金属丝的密度为789.5kg/m³，金属丝直径为0.15mm，螺旋卷的直径为2mm，单个金属橡胶的外形尺寸为相对密度为0.21，受压半径为0.28mm。

3)建立电力电容器振动仿真模型

电力电容器的噪声是由于电容器芯子3在交变电场作用下，电容器极板受到交变电场力作用而产生的，并通过与其连接的结构和电容器浸渍剂传递给外壳2，引起电容器外壳2的振动产生噪声并向周围辐射，因此考虑在电容器内部布置金属橡胶减振器，通过其阻尼特性来衰减振动的能量，并减弱振动的传递。

使用ANSYS对电容器模型进行动态响应分析，以仿真研究加载有不同厚度金属橡胶减振器的电容器的振动响应特性。在仿真时，首先均用上述所设计的金属橡胶的结构尺寸及材料属性，金属橡胶阻尼结构的材料属性如表1所示；其次在考虑芯子串段之间的受力情况时，可将金属橡胶减振器与芯子串段间的接触设置为切向无滑动，法向无渗透接触，电容器外壳2与芯子3之间的接触为刚体-柔体共节点接触；最后在接触的过程中，将刚度较大的电容器外壳2设置为目标面，相对较柔软的芯子设置为接触面。

表1金属橡胶阻尼材料属性

密度	弹性模量	泊松比	阻尼系数
				789.5kg/m^3	2.0MPa	0.3	1.1

如图7和表2所示，为在电容器内部加0mm、5mm、10mm、15mm、20mm金属橡胶减振器后，电容器底部振动加速度仿真曲线图和底部加速度仿真对比表，可以看出，仿真加速度峰值从0.88m/s²降低到0.13m/s²、0.21m/s²、0.22m/s²、0.17m/s²，因此在加载有金属橡胶减振器后，电容器的振动明显降低。

表2电力电容器外壳底部加速度仿真峰值

如图9所示，为在电容器内部加5mm金属橡胶减振器后，电容器底部振动加速度频域仿真图，可以看出，加载厚度为5mm的金属橡胶减振器之后，电容器的振动幅值在主要振动频率处均有明显降低，因此可以将金属橡胶的厚度设计为5mm。

采用上述用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器的设置方法，通过电力电容器降噪量L_Δ与金属橡胶刚度特性K_b的关系式、金属橡胶厚度与半径的关系式以及金属橡胶弹性模量和截面惯性矩的关系式获得金属橡胶的刚度设计值、结构尺寸和安装方式，再将所设计的含有金属橡胶减振器的电容器进行振动仿真，明显可以看出电容器的振动幅值在主要振动频率处均有明显降低，因此含有金属橡胶减振器的电力电容器具有良好的减振效果，能够保证设置减振器符合不同型号电力电容器的减振要求，能够简化减振器的结构，提高减振效果。

Claims (4)

1.用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器，其特征在于：包括电容器外壳(2)；所述电容器外壳(2)顶部设置有竖向的布置的电容器套管(1)；所述电容器外壳(2)具有内腔，电容器外壳(2)内腔的顶部和底部均设置有减振元件；所述电容器外壳(2)内腔的顶部和底部两个减振元件之间设置有横向布置的电容器芯子(3)；

所述减振元件包括夹板(6)、金属橡胶圈(5)以及两块实板(4)；两块实板(4)平行设置，且两块实板(4)之间具有间隙；所述金属橡胶圈(5)位于两块实板(4)之间，且金属橡胶圈(5)两侧均设置有夹板(6)；所述夹板(6)固定安装在实板(4)上；两块实板(4)的两端之间均设置有金属橡胶圈(5)；所述金属橡胶圈(5)两侧的夹板(6)的端部设置有固定挡板；所述固定挡板穿过金属橡胶圈(5)的中心孔；所述固定挡的两端均与夹板(6)的端部固定连接；所述的金属橡胶圈(5)，包括橡胶圈，以及设置在橡胶圈内的金属丝；所述金属丝由螺旋状在橡胶圈内缠绕。

2.如权利要求1所述的用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器，其特征在于：所述固定挡的两端均通过沉头螺栓与夹板(6)的端部固定连接。

3.如权利要求1所述的用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器，其特征在于：所述的夹板(6)的长度比电容器外壳(2)底面的宽度短5mm。

4.如权利要求3所述的用于电力电容器减振降噪的金属橡胶减振器，其特征在于：所述的实板(4)为钢板，厚度为2mm，所述的实板(4)的长度比被电容器外壳(2)底面的长度短5mm；所述的实板(4)的宽度比被电容器外壳(2)底面的宽度短5mm。