Page 89 - 《应用声学》2020年第5期

第 39 卷 第 5 期 张嵩阳等： 干式空心电抗器的试验模态特征分析 731

而为干式空心电抗器结构的降噪改进工作提供有
0 引言
效指导。
近年来，随着我国城市化进程的快速发展，变
1 模态分析与试验方法
电站周边居民小区日益增加，变电站噪声扰民问题
日益突出。干式空心电抗器作为变电站内重要声源 1.1 特征系统模态分析方法
设备，对变电站周边声环境具有较大影响。根据以 在模态分析方法中，特征系统实现方法是一种
往研究结果 [1] ，干式空心电抗器噪声主要来源于交 基于多输入多输出的时域模态识别方法，具有模态
流电流和谐波电流相互作用引起的线圈振动，其工 识别准确率高、计算效率高的优势。当模态频率较
作状态下的声压级一般可达60 dB(A)以上，因而需 密集时，该方法可将频响函数逆变换得到脉冲响应
要对其采取有效降噪措施来降低噪声水平。 函数，比一般频域识别方法具有更好的识别效果。
然而，国内以往对其噪声控制方面的研究相对
该方法最早由美国航天局提出 [9−11] ，并已成功应用
较少，目前主要致力于结构参数 (包封数、内径、线
于多个领域的模态识别工作上。
径等) 的优化设计 [2−4] ，以期获得更加合理的电流 特征系统实现方法的基本思想是利用矩阵奇
分布、较低的损耗和良好的温升，但在结构设计的
异值分解 (Singular value decomposition, SVD) 技
同时并未充分考虑电抗器的振动噪声水平，致使无
术，对实测自由脉冲响应数据矩阵进行分解，通过截
法实现干式空心电抗器的整体性能最优。由于结构
断无效奇异值，来实现状态空间最有效数目的参数
降噪的研究不足，也使得干式空心电抗器在后期采 控制。其本质是一种时域参数辨识方法。下面就特
用一些降噪措施后，不但降噪效果十分有限，还引发
征系统算法的实现过程给出简单说明。
了很多技术冲突，这些问题已严重制约了干式空心
当系统振动时，力的平衡关系可以表示为
电抗器的发展 [5] 。因此针对干式空心电抗器噪声控
M ¨x + C ˙x + Kx = f(x, t) = B f y(t), (1)
制研究还存在很多工作需要开展。其中，对干式空
心电抗器进行模态动力学分析，是开展干式空心电 其中，M 为系统的质量阵，C 为系统的阻尼阵，K
抗器降噪设计与应用降噪措施的前提基础。模态分 为系统的刚度阵，B f 为输入分配矩阵，x 为系统质
析是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析 点位移，t为时间，y 为与时间相关的函数。
方法，可以得到设备结构具有的特定固有频率和模 将上述系统振动平衡方程 (1) 写成状态方程的
态振型，从而有效掌握设备的动力学特性，进而为设 形式(2)，即
备的降噪设计提供基础，为避免设备共振提供重要 
˙ u = Au + By,

支撑。 (2)
 v = Cu,
但目前，针对干式空心电抗器模态动力学特
   
性的试验研究工作仍然不够充分，姜志鹏 [6] 采取 x 0 I
其中，u=   ，系统矩阵 A=   ,
block Lanczos 模态提取法获得了干式空心电抗器 −1 −1
˙ x −M K −M C
整体设备的前 1000 阶模态，宋新伟 [7] 通过实验和  
0
仿真得到了干式空心电抗器整体设备的自由模态， 控制矩阵B =   ，C 为测量矩阵。
M −1
并仿真分析了结构参数对干式空心电抗器自由模 B f
当系统结构未发生变化时，系统矩阵和控制矩
态的影响，Verbruggen等 [8] 对干式空心电抗器整体
阵均为常数矩阵，因而可以获得一组一阶常微分方
设备的结构模态进行了计算和测量，上述模态实验
程组，可得
研究工作均是针对设备整体进行计算或者分析，并
∫
t
未针对设备每个组件进行单独试验研究 [6−8] ，致使 u (t) = e A(t−t 0 ) + e A(t−τ) By(τ)dτ,
很难准确地为干式空心电抗器的降噪设计提供有 t 0
效支撑 [5] 。鉴于此，本文主要研究干式空心电抗器 t > t 0 , (3)
的模态动力学特性，通过对绕组、支柱和整体设备 式(3)中，t 为时间，t 0 为初始状态时间。若使用等间
的模态试验和分析，掌握其固有频率和模态振型，从 隔采样，再加之零阶保持器在一个采样间隔内采样