地下變電站結構振動與噪聲特性分析

曹枚根，莫 娟，莫海樞，張 霞，張廣平

(1.中國電力科學研究院，北京市100055;2.華中科技大學，武漢市430074;3.甘肅省電力設計院，蘭州市730050)

0 引 言

近年來，隨著國家城鎮化戰略的快速推進，人們生活水平的顯著提高，用電負荷也得到了較大增長，變電站不得不深入負荷中心，布置在城市中心區域。由于城市用地緊張，變電站選址困難，采用地下或戶內變電站與辦公樓或居民樓合體建設的方案已成為城區新建變電站的主要建設形式［1－2］。隨著大量220、110 kV 甚至電壓等級更高的地下或戶內變電站的建成，變電站振動與噪聲環評超標問題也越來越受到廣泛關注［3－5］。一般來說，通過設置隔、吸聲性能好的材料的墻體或屏障可有效切斷地下或戶內變電站相關設備噪聲沿空氣傳播的途徑［6－7］。但由于地下或戶內變電站往往與附近建筑結構鄰近或合體建設，除了空氣噪聲之外，變電站設備導致的結構振動與固體噪聲也很突出。2008年10月1 日起正式實施的《社會生活環境噪聲排放標準》(GB 22337—2008)和《工業企業廠界環境噪聲排放標準》(GB12348—2008)均對噪聲通過固體結構傳播至聲敏感建筑物內的等效聲級做出了限制性規定［8］。此外，變電站變壓器等設備的振動與噪聲具有頻率低，運行不間斷等特點，使得有關變電站結構振動與固體噪聲方面的研究愈發受到國內外科技人員的廣泛關注［9－13］。文獻［4］對某直轄市典型小區地下室配電房變壓器環境振動進行了現場調查與實測，獲取并驗證了變壓器環境頻譜特征，測試數據表明變壓器周圍臨近范圍之內的振動衰減量不大;文獻［7］的研究表明，現代建筑中固定設備噪聲引起的室內噪聲污染主要是由結構傳播這條途徑引起的，單純通過隔聲、吸聲等一般措施無法降低其噪聲影響;文獻［14］對南京某小區10 kV 變電房的振動及噪聲進行了測試，認為由于變壓器低頻噪聲的波長較長，當其與房間的空間尺寸接近時，容易引起墻體、天花板的共振現象。

地下及戶內變電站設備運行導致的結構振動與噪聲成為變電站建設與運行不可回避的問題，因此，有必要結合實際工程，充分認識變電站與建筑結構中的振動與噪聲特性。本文選取了220 kV 朝陽門地下變電站及其耦連建筑作為測試研究對象，開展了地下變電站變壓器室及各樓層混凝土樓板、墻體的振動與噪聲測試，并對測試數據的時域與頻譜進行了分析，為今后開展變電站結構振動與噪聲控制設計提供參考。

1 地下變電站振動與噪聲測試方案

1.1 地下變電站概況

220 kV 朝陽門地下變電站位于北京市東二環城市中心，是北京市城區的樞紐變電站之一。該變電站為220 kV/110 kV/10 kV 三級電壓負荷站，設計安裝了3 臺容量為250 MVA 的主變壓器。該地下變電站與朝陽供電公司的辦公樓聯體建設，建筑采用混凝土框架結構。建筑地下部分共有4 層，其中地下1 層(B1 層)主要有空調機房、風機房、電抗器室、電容器室等;地下2 層(B2 層)主要有電纜夾層等;地下3 層(B3 層)主要有3個主變室、GIS 室、配電室、限流電抗室、冷凍機房、空調機房等，B3 層樓面標高為－14.95 m;地下4 層(B4 層)主要包括電纜夾層、變壓器儲油池、儲水池等。建筑地上部分共有8 層，其中地上1 ～3 層(F1－F3 層)主要有變電站主變冷卻器室、電纜夾層和控制室、保護室等;地上4 ～8 層(F4－F8 層)為辦公區域。

本次測試歷時1 周，從周一到周日共7 天，主體測試工作在周五晚上20 時左右完成，測試時段為上午10 時到晚上20 時。為了解測試過程中變壓器的負荷情況，測試結束后，根據北京電力公司提供的3臺主變一周不同時刻的負荷表，繪制了3 臺主變的負荷曲線，如圖1 所示。圖1(a)為主變日負荷曲線(周一)，圖1(b)為1 周日平均負荷曲線。由圖1 可知，3臺主變周一至周五的負荷相對比較穩定，周六、周日有較大幅度的下降;3 臺主變中新投運的3 號主變負荷最大，2 號主變負荷最小;主變負荷在上午10 時至晚上20 時處于相對穩定的水平，其中3 號主變負荷在90 MW左右，約為額定負荷的36%;本次測試時間和時段是變壓器負荷相對比較穩定的時間，可反映變壓器正常運行時其振動與噪聲的基本特性。

圖1 3 臺主變的負荷曲線Fig．1 Load curve of three main transformers

1.2 振動與噪聲測試內容與測點布置

本文擬對地下變電站振動與噪聲進行測試，了解地下變電站主要振動源室的振動與噪聲級水平、頻譜特性，進一步掌握地下變電站及其聯體建筑結構中振動與噪聲的相關性及其對振動、噪聲傳播的影響因素。為此，根據220 kV 朝陽門地下變電站及連體建筑的結構布局主要開展以下測試［14］:

(1)源室功能區振動與噪聲測試。地下變電站內主要的振動與噪聲源是1、2、3 號主變室，主變室位于地下3 層。分別在變壓器油箱壁表面、變壓器基礎、地面及墻體等位置布置振動與噪聲測點，測試主變室的振動與噪聲級水平。每個主變室內繞變壓器周圍設置9個斷面進行測試，圖2 為1 號主變室測點布置及現場測試圖。

(2)傳播功能區振動與噪聲測試。振動與噪聲傳播功能區是指源室功能區外面傳播振動與噪聲的主要通道，比如走廊、樓道及一些空間較大的設備間等。可有選擇性地在傳播功能區的樓板及墻體上布置振動與噪聲測點，測試其振動與噪聲級，分析其頻譜特性。

圖2 B3 層1 號主變室測點布置及測試現場Fig．2 Test point arrangement and site of 1 transformer room

(3)敏感功能區振動與噪聲測試。振動與噪聲敏感功能區是指變電站及其相連的建筑結構內對振動與噪聲較為敏感的主控室、值班室、辦公室等區域。可有選擇性地在敏感功能區的樓板及墻體上布置振動與噪聲測點，測試其振動與噪聲級，分析其頻譜特性。

本次測試共設置了300個振動測點及94個噪聲測點，其中地下B3 層振動測點155個，噪聲測點39個;B2 層振動測點18個，噪聲測點7個;B1 層振動測點40個，噪聲測點17個;地上F1－F8 層振動測點87個，噪聲測點31個。圖3 為地下B3、B2 層的振動與噪聲測點布置圖，圖中◆代表地面振動測點，▲代表振動與噪聲同時采集測點，●代表墻體振動測點。此外本次測試還設置了3 臺主變的4條同步測試路徑，驗證不同測點與主變振源的相關性，測試路徑如圖3(a)中A、B、C、D 所示。

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圖3 各樓層振動與噪聲測點布置圖Fig．3 Vibration and noise measuring point arrangement of each floor

本次測試采用國產INV3060S 型24 位網絡分布式采集儀進行數據采集，采樣頻率為6 400 Hz，采樣時間為300 s。振動與噪聲探頭分別選用INV9823、INV9832A 加速度傳感器和INV9206 聲壓傳感器，加速度傳感器采用磁鐵或膠粘在油箱箱壁、混凝土樓面和墻壁上，箱壁與墻壁的粘貼高度為1.7 m;聲壓傳感器采用支架固定，支架高1.7 m。本次測試按照建筑結構布局及功能區域分布，從B3 層開始逐層向上測試，分組分批同步采集振動與噪聲的時域信號，采用DASPV10 專業版數據采集與信號處理軟件適時分析信號時域與頻域特性，確保測試時各通道所采集的信號不受干擾，真實反映結構的振動與噪聲響應。

2 變壓器室振動與噪聲特性

限于篇幅，本文僅對1 號主變室不同測點的相關測試數據進行分析，1 號主變室測點布置見圖2，分別采集了變壓器油箱壁、基礎、室內樓板及墻體的振動加速度與室內噪聲，通過對信號的時域分析及傅立葉譜分析，可得到變壓器室內振動與噪聲的基本特性［16－17］。為了更加直觀表征振動級別，定義鉛垂向的Z 振級如下:

式中:a 為加速度有效值(均方根值);a0為參考值，取10－6m/s2

2.1 變壓器油箱振動特性

表1 列出了1 號主變四面共計9個箱壁測點的加速度幅值及Z 振級，圖4 為變壓器油箱四側典型測點振動加速度曲線及頻譜圖。

由表1 及圖5 可知:(1)箱壁振動加速度最大幅值為0.84g(1g=9.8 m/s2)，平均值為0.44g，振動有效值及其振級最大值分別為0.38g、131.4 dB，平均值分別為0.18g、123.7 dB;(2)不同測點振動頻譜幅值大小不一致，但幅值主要分布在以50 Hz 工頻為基頻的諧振頻率上，尤其是100 Hz 的諧振頻率對應譜值較大，不同測點的頻譜幅值所對應的頻率不一，但能量主要集中在600 Hz 以內。

表1 變壓器油箱壁振動加速度幅值及Z 振級Tab．1 Vibration acceleration amplitude and Z vibration level of transformer tank wall

圖4 變壓器油箱壁振動加速度及頻譜圖Fig．4 Vibration acceleration and spectrum curves of transformer tank

2.2 變壓器基礎振動特性

表2 列出了1 號主變四側共計9個基礎測點的加速度幅值及Z 振級，圖5 為變壓器四側基礎的振動加速度頻譜圖。

由表2 及圖5 可知:(1)變壓器基礎振動加速度相對油箱壁的法向振動有較大衰減，最大幅值為0.04g，平均值為0.03g，振動有效值及其振級最大值分別為0.02g、104.3 dB，平均值分別為0.01g、101.5 dB;(2)變壓器基礎振動加速度頻譜特征與油箱表面振動較為相似，主要差異表現為基礎振動的頻譜分布范圍更寬，這是由于在變壓器振動激勵下，基礎結構高階振動頻率與激振頻率發生諧振引起的。

2.3 樓板振動及室內噪聲特性

變壓器室樓板振動為地下變電站建筑結構振動的振源，傳播途徑主要是固體傳播，而變壓器室內的噪聲為主要噪聲源，傳播途徑主要是固體與空氣傳播。由于地下變電站主變室位于地下3 層，考慮混凝土的隔聲效果較好，因此可認為在B3 層之外其他樓層的振動與噪聲主要是由固體傳播的。

表2 變壓器基礎振動加速度幅值及Z 振級Tab．2 Vibration acceleration amplitude and Z vibration level of transformer foundation

圖5 變壓器基礎測點振動頻譜圖Fig．5 Vibration spectrum curves of transformer foundation

表3 列出了1 號主變四側共計9個樓板測點的加速度幅值、Z 振級及聲壓級，圖6 為變壓器四側樓板的振動加速度及噪聲頻譜圖。

由表3 及圖6 可知:(1)變壓器室樓板振動加速度較變壓器基礎有一定的衰減，振動加速度最大幅值為0.04g，平均值為0.02g，振動有效值及其振級最大值分別為0.01g、100.6 dB，平均值分別為0.005g、92.6 dB，變壓器室內噪聲的聲壓級最大值為94.4 dB，平均值為90.7 dB;(2)變壓器室樓板振動及室內噪聲的頻譜特征與變壓器油箱壁、基礎振動相似，都是以100 Hz 及其諧振頻率為主，主要分布在100 ～600 Hz 之間的頻段上。

2.4 變壓器室墻體振動特性

表4 列出了1 號主變四側共計9個墻體測點的振動加速度幅值及Z 振級，圖7 為變壓器四側墻體的振動加速度頻譜圖。

表3 變壓器室樓板振動及噪聲值級Tab．3 Vibration and noise amplitude and level of floor in transformer room

圖6 變壓器室樓板振動與噪聲頻譜圖Fig．6 Vibration and noise spectrum curves of floor in transformer room

由表4 及圖7 可知:(1)變壓器室南側的墻體振動顯著高于其他三面墻，振級平均值為102.9 dB，而其他三面墻的振級平均值為85.4 dB。主要原因是南墻為后建的圍護結構，墻體剛度較小，導致墻體振動較大。(2)變壓器室四面墻體的振動頻譜特性都表現了與變壓器振動相似的頻譜特性，但其頻譜特性與墻體的結構特性緊密相關。南墻由于墻體剛度較小，僅在100、200 Hz 的譜值較大，其他頻率處的譜值衰減得很小。其他三面墻的振動頻譜特征也反映了變壓器振動的特點和墻體自身的振動特性。

表4 變壓器室墻體振動幅值及Z 振級Tab．4 Vibration amplitude and Z vibration level of wall in transformer room

圖7 變壓器室墻體振動頻譜圖Fig.7 Vibration spectrum curves of wall in transformer room

3 不同樓層典型測點的振動與噪聲特性

地下變電站主變(3 臺)室(源室功能區)的振動與噪聲通過混凝土樓板、墻體、梁柱和空氣等傳播途徑在同一樓層及不同樓層內進行傳播與擴散。本文將地下變電站及聯體辦公樓分成地下B1－B3 層、地上F1－F3層、地上F4－F8 層等3個部分，通過對所測不同樓層傳播及敏感功能區的振動與噪聲信號的時域分析及傅立葉譜分析，可得到不同樓層振動與噪聲的基本特性。

3.1 地下B1-B3 層振動及噪聲特性

表5 列出了地下B1－B3 層典型樓板測點的振動加速度幅值、振級及噪聲級，圖8 為其典型樓板測點振動與噪聲的頻譜圖。其中B3 層選取了7個典型測點，分布在主變室西側的SF6電器室(V129、V133)、北側的電抗室、配電室及廊道(V141、V147、V155)、東側走廊通道及空調機房(V99、V107);B2層選取了3個典型測點，分布在主變室北側的電纜夾層(V4)和東側的走廊通道及備用間(V11、V13);B1層選取了4個典型測點，分布在主變室北側的電容器室(V6)和東側的走廊通道、空調機房及立體車庫(V16、V18 及V36)。

表5 地下B1-B3 層樓板測點的振動及噪聲值級Tab．5 Vibration and noise amplitude and level of floor in underground layer of B1-B3

圖8 B1-B3 層樓板測點振動及噪聲頻譜圖Fig.8 Vibration and noise spectrum curves of floor in underground layer of B1-B3

表6 列出了地下B1－B3 層典型墻體測點的振動加速度幅值及振級，圖9 為其典型墻體測點振動頻譜圖。其中B3 層的3個典型測點分布在主變室北側的電抗室、配電室墻體上;B2 層的2個典型測點分布在主變室北側的電纜夾層的墻體上;B1 層的2個典型測點分布在主變室北側電容器室的墻體上。

表6 B1-B3 層墻體測點振動值級Tab．6 Vibration amplitude and level of wall in underground layer of B1-B3

圖9 B1-B3 層墻體測點振動頻譜圖Fig.9 Vibration spectrum curves of floor in underground layer of B1-B3

由表5、6 及圖8、9 可知:(1)地下B3 層的振級與噪聲級的平均值分別為78.0、72.3 dB，B2 層分別為79.4、69.8 dB，B1 層分別為75.8、69.3 dB。同樓層各樓板測點的振級與噪聲級隨距離振源的距離有一定衰減，但距離較遠處的衰減幅度不顯著;排除其他干擾振源的影響，同位置測到的振級與噪聲級之間有一定的線性關系，即樓板振級大，噪聲級也較大。不同樓層之間的平均振級與噪聲級衰減不顯著，振級有可能隨距離增加出現增大的情況(主要原因是測點處結構特征不同)，而噪聲級隨樓層遞減，但衰減不到5%。(2)在墻體結構相同的情況下，振動在同一樓層隨距離有一定的衰減，但隨樓層增加墻體振動衰減不顯著。(3)墻體、樓板的振動與噪聲頻譜特性與主變振源的相似，頻譜主要分布在100 ～600 Hz 之間的100 Hz 的諧振頻率上。

3.2 地上F1-F3 層振動及噪聲特性

表7 列出了地上F1－F3 層典型樓板測點的振動加速度幅值、振級及噪聲級，圖10 為其典型樓板測點振動與噪聲的頻譜圖。其中F1 層的3個典型測點，分布在冷卻器室(V1)、冷卻器室外(V7)及一樓門廳(V12);F2 層的3個典型測點，分布在電纜夾層(V10)、走廊通道(V2、V8);F3 層的3個典型測點，分布在變電站保護室(V10)、走廊通道(V2、V8)。

表7 地上F1-F3 層走廊樓板振動及噪聲值級Tab．7 Vibration and noise amplitude and level of floor in overground layer of F1-F3

圖10 地上F1-F3 層樓板測點振動及噪聲頻譜圖Fig.10 Vibration and noise spectrum curves of floor in overground layer of F1-F3

表8 列出了地上F1－F3 層典型墻體測點的振動加速度幅值及振級，圖11 為其典型墻體測點振動頻譜圖。其中F1 層的3個典型測點，分布在冷卻器室的西墻上(V4)、樓梯間(V9、V11);F2 層的4個典型測點，分布在走廊通道(V3、V7)和樓梯間(V4、V6);F3 層的4個典型測點，分布在走廊通道(V3、V7)和樓梯間(V4、V6)。

表8 地上F1-F3 層墻體測點振動及噪聲值級Tab.8 Vibration and noise amplitude and level of wall in overground layer of F1-F3

圖11 地上F1-F3 層墻體振動頻譜圖Fig.11 Vibration spectrum curves of wall in overground layer of F1-F3

由表7、8 和圖10、11 可知:(1)由于冷卻器的振動與噪聲的影響，冷卻器室樓板、墻體振動及噪聲顯著大于其他測點，但室內、室外的振動與噪聲差別較大，表明冷卻器引起的振動與噪聲衰減特性顯著。(2)F2 層走廊的振動與噪聲級平均值分別為62.7、60.1 dB，F3層走廊的分別為68.2、60.1、52.5 dB;F2 電纜夾層的振動與噪聲級為74.1、71.2 dB，而F3 層保護室的分別為71.2 dB、60.6 dB。樓梯間與走廊的墻體振動級基本沒有衰減，有些還增大，可見結構的振動衰減較小，而噪聲衰減較為顯著。(3)F1－F3 層樓板、墻體典型測點的振動與噪聲頻譜中＜100 Hz 的頻譜較為豐富，此外非50 Hz 的諧頻也較多，這主要是F1 層冷卻器的振動引起的。但除冷卻器室外各測點的頻譜圖中，100 Hz及其諧頻還是較為顯著，可見B3 層變壓器的振動信號在結構中得到了有效傳播。

3.3 地上F4-F8 層振動及噪聲特性

表9、10 分別列出了地上F4－F8 層走廊樓板及墻體測點的振動加速度幅值、振級及噪聲級，圖12、13分別為其樓板、墻體測點振動與噪聲頻譜。

表9 地上F4-F8 層走廊樓板測點振動及噪聲值級Tab．9 Vibration and noise amplitude and level of corridor floor in overground layer of F4-F8

圖12 地上F4-F8 層走廊樓板測點振動及噪聲頻譜圖Fig.12 Vibration and noise spectrum curves of corridor floor in overground layer of F4-F8

由表9、10 及圖12、13 可知:(1)F4－F8 各樓層的樓板、墻體的振動級基本保持在60 dB 左右，噪聲級也基本保持在51 ～54dB 之間，振動與噪聲隨樓層沒有出現衰減特征;(2)F4－F8 的樓板及墻體的振動頻譜中100、200 Hz 等低頻頻譜較為顯著，振源中大于200 Hz 的頻率基本沒有，而噪聲頻譜中干擾頻率較多，隨著樓層的增高，100、200 Hz 等低頻頻譜特征越不顯著，到F8 層，基本看不到振源的頻譜特征。

表10 地上F4-F8 層走廊墻體測點振動值級Tab．10 Vibration amplitude and level of corridor wall in overground layer of F4-F8

圖13 地上F4-F8 層走廊墻體振動頻譜圖Fig.13 Vibration spectrum curves of corridor wall in overground layer of F4-F8

4 結 論

通過對220 kV 朝陽門地下變電站及其耦連建筑振動與噪聲的測試與分析，得到以下結論:

(1)變壓器油箱壁的振動幅值較大，1 號主變油箱壁最大幅值達到了0.84g，平均值為0.44g。變壓器基礎振動幅值相比油箱衰減較大，但樓板振動幅值較基礎衰減較小，墻體振動幅值與墻體結構特性關系較大。油箱振動表現為以100 Hz 及其諧振頻率為主頻，集中在600 Hz 以內的頻譜特性，變壓器室內的基礎、樓板及墻體的振動頻譜特性與油箱壁振動相似，但與不同的結構特性有一定關系。

(2)變壓器室的振動與噪聲主要通過混凝土結構等固體傳播到各樓層，固體傳播特性好。同一樓層振級與噪聲級隨距離振源的距離增大有一定衰減，但距離較遠處的衰減幅度不顯著;不同樓層的樓面與墻體平均振級與噪聲級衰減不顯著。振動與噪聲的低頻信號較高頻信號傳播得更遠，但距離振源50 m 的F8 層的樓面與墻體振動頻譜中還有顯著的100、200 Hz 的頻率。

(3)變壓器的振動與噪聲通過固體傳播擴散到整個地下變電站和建筑結構中，設計時應充分考慮結構振動與噪聲的影響，隔離震源的傳播，避免日后運行時出現環境噪聲。

致 謝

本文的測試研究工作是在北京電力公司檢修分公司楊衛東高級工程師及北京電力經濟技術研究院謝冬工程師等人的協調與幫助下才得以完成的，在此一并感謝!

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