附建式變電站設備振動舒適度評價標準對比

李福權，王連鋒，蔡糧鍇，柏文，戴君武，邵志鵬

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518003；2.深圳供電規(guī)劃設計院有限公司，廣東 深圳 518054；3.中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；4.地震災害防治應急管理部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080）

引言

生活中常見的環(huán)境污染不僅有我們常提及的空氣污染、水污染、噪聲污染、重金屬污染等，還包括環(huán)境振動污染，特別是軌道交通振動、沖擊振動和大型設備工作振動等，一般環(huán)境振動污染往往伴隨著噪聲污染，例如列車運行噪聲，沖擊鉆打樁機工作噪聲，機器設備運行噪聲等，人們更容易關注到噪聲污染，從而忽略振動引起的感受，因此往往會讓人忽略伴隨的振動污染。特定頻率的振動可能會引起結(jié)構損傷，同時也會對人身體健康帶來不利影響，早有研究表明［1－2］，長期暴露于高頻振動環(huán)境中，即使振幅不大，對比噪聲等環(huán)境因素影響感知不強，也會對身體造成不可逆的損傷。

附建式變電站具有占地面積小、土地利用率高、功能完善等優(yōu)點，因此被越來越多的人口密集型城區(qū)采用。然而附建式變電站距離居民區(qū)較近，且本身也具備商業(yè)功能區(qū)，因此電氣設備運行中產(chǎn)生振動和噪聲造成的擾民投訴事件時有發(fā)生［3－4］，關于大型電氣設備的噪聲治理和減振降噪技術也早有相關研究［5－6］，然而電氣設備振動對周圍環(huán)境的影響究竟有多大，控制到什么水平可以認為振動對舒適度及工作疲勞度的影響在合理范圍內(nèi)，因此如何量化電氣設備振動的振動量大小及對人體造成損傷的界限顯得尤為重要，我國對此也早有相關規(guī)范和標準出臺，在《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》（GB10070－1988）［7］、《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標準》（GB/T50355－2018）［8］、《建筑工程容許振動標準》（GB50868－2013）［9］、《建筑樓蓋結(jié)構振動舒適度技術標準》（JGJ/T441－2019）［10］等規(guī)范標準中均有提及振動疲勞度和舒適度的評價方法，常用的評價方法主要有3種：振級、加速度、速度，其中振級又分為分頻振動加速度級和Z振級。

文中將通過對以上4本規(guī)范和標準進行對比研究，分析不同計算參數(shù)對振動評價結(jié)果的影響，對比評價方法的不同與相似之處，并給出適用于附建式變電站舒適度和疲勞度評價的合理性建議。

1 電氣設備振動特性與時程擬合

1.1 3種高壓電氣設備振動特性

變壓器振動主要來源于本體和冷卻裝置兩部分，以220MVA油冷變壓器為例，曹枚根等［11－13］實測其油箱和本體振動表現(xiàn)出的振動特性會有一些區(qū)別，變壓器箱壁振動加速度幅值可達到0.8～0.9 g，平均值約為0.4～0.5 g，振動加速度的有效值可以達到0.38 g，振動加速度級最大值可以達到135 dB，油箱上不同位置處振動的傅里葉頻譜幅值大小不一致，但均以50 Hz及100 Hz的倍頻為主，能量較為集中，以200、300、400 Hz某個頻率為主，該頻率對應傅里葉譜幅值較大，其他頻率對應傅里葉譜幅值相對較小，總的來說，油箱壁振動能量主要集中在600 Hz以內(nèi)。變壓器基礎處的振動加速度幅值約為0.04 g，平均值為0.03 g，振動加速度有效值及其振動加速度級最大值可以達到0.02 g、105 dB，變壓器基礎振動的頻譜特性與油箱壁振動特性比較相似，基礎振動的頻譜分布范圍相較于油箱壁略寬，其中200、300、400 Hz的諧振頻率對應的傅里葉譜幅值較大，能量主要集中在1 000 Hz以內(nèi)，這可能是由于變壓器基礎結(jié)構的高階固有頻率與變壓器振動的頻率較為接近，在變壓器振動激勵下基礎處發(fā)生諧振引起的。

電抗器電容器的振動主要是由內(nèi)部硅片磁致伸縮引起的。根據(jù)多篇文獻［14－17］記錄，其振動特性主要變現(xiàn)為表面法向振動加速度對應的頻率是50、100、200、300、400、500、600、700、800 Hz等處，其中100、200、300 Hz處較大。這些頻率都在電抗器交流頻率50、100 Hz或者其倍頻處。

我國電網(wǎng)的頻率是50 Hz，變壓器、電抗器、電容器等輸變電設備受麥克斯韋電磁張力作用，麥克斯韋力頻率為電網(wǎng)頻率的2倍，所以設備的振動頻率均為50 Hz及100 Hz的倍頻，產(chǎn)生的噪聲也為50 Hz及其倍頻。

1.2 電氣設備振動時程擬合

以曹枚根等人實測220 kV變電站內(nèi)電氣設備為例，變壓器身上的振動加速度最高可達到0.8～0.9 g，且頻率較大，但設備基礎處的振動加速度幅值約為0.04 g，有效值0.07～0.18 g，振動頻率為50 Hz和100 Hz及其倍頻，同時基礎處的振動頻譜分布范圍更寬，主要集中在200、300、400、500 Hz。曹枚根等人實測變壓器基礎2個測點振動數(shù)據(jù)如表1和圖1所示。根據(jù)以上振動特性，加上白噪聲則可擬合出設備基礎處振動加速度時程，選取其中1 s時程圖如圖2所示，對應的傅里葉頻譜如圖3所示，加速度時程及對應的頻譜與曹枚根等人實測數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致，可作為文中對比不同規(guī)范和標注計算結(jié)果使用。

圖1 變壓器基礎測點振動頻譜圖Fig.1 Vibration spectrum diagram of transformer foundation measuring points

圖2 擬合設備基礎處加速度時程（1 s）Fig.2 Fitting acceleration time history at equipment foundation（1 s）

圖3 擬合設備基礎處加速度傅里葉譜Fig.3 Fitting Fourier spectrum of acceleration at equipment foundation

表1 變壓器基礎振動加速度幅值Table 1 Vibration acceleration amplitude of transformer foundation

2 振動舒適度和疲勞度評價適用規(guī)范及標準

振動舒適度和疲勞度評價的規(guī)范和標準主要有《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》（GB10070-1988）（以下簡稱《城市》）、《住宅建筑室內(nèi)振動限值與其測量方法標準》（GB/T50355-2018）（以下簡稱《住宅》）、《建筑工程容許振動標準》（GB50868-2013）（以下簡稱《建筑工程》）、《建筑樓蓋結(jié)構振動舒適度技術標準》（JGJ/T441-2019）（以下簡稱《建筑樓蓋》）等，常用的評價方法主要有3種：振級、加速度、速度，其中振級又分為分頻振動加速度級和Z振級，本小節(jié)主要介紹以上幾種規(guī)范和標準的振動舒適度、疲勞度評價方法和計算方法。

2.1 《城市》舒適度評價Z振級計算方法

在《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》（GB10070－1988）（以下簡稱《城市》）以及與其配套的《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》（GB10071－1988）［18］中，振動評價方法是鉛垂向Z振級，鉛垂向Z振級就是按ISO2631－1：1985［19］規(guī)定的全身振動Z計權因子修正后得到的振動加速度級，記為VLZ，單位為分貝（dB），頻率計權范圍為1～80 Hz。Z振級計算公式［20］如式（1）、式（2）所示，

式中：arms,i為第i個中心頻率下振動加速度有效值，單位為m s2；a0為振動基準加速度有效值，a0=1×10-6m s2；VALi為1/3倍頻程第i個中心頻率對應的振動加速度級；Wki為1/3倍頻程第i個中心頻率對應的Z計權因子；VLZ為鉛垂向Z振級。

2.2 《住宅》舒適度評價VALZeq,f和VLZeq,f計算方法

在住房和城鄉(xiāng)建設部2018年頒布的《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標準》（GB/T50355－2018）（以下簡稱《住宅》）中給出了Z振級和1/3倍頻程鉛垂向振動級速度級2個振動評價指標，其中4.2.1和4.2.2條規(guī)定，非沖擊振動、城市軌道交通振動以及鐵路交通振動的其他類型振動測量評價量應采用Z振級等效值（VLZeq）和1/3倍頻程鉛垂向振動加速度級等效值（VALZeq,f），要求采集的振動總時長不應少于1 min，其中Z振級的頻率計權因子取自ISO2631－1：1997［21］。按此規(guī)定，對于電氣設備振動應當適用1/3倍頻程鉛垂向振動加速度級等效值和Z振級等效值作為評價量，計算公式如下所示。

式中：ai為t時刻第i個中心頻率下振動加速度，單位為m s2；a0為振動基準加速度有效值，a0=1×10-6m s2；VALi為t時刻1/3倍頻程第i個中心頻率對應的振動加速度級；VALZeq,f為各中心頻率下振動加速度級等效值；VLZ為t時刻的瞬時鉛垂向Z振級；Wki為1/3倍頻程第i個中心頻率對應的Z計權因子；T為規(guī)定的測量時間段；VLZeq為鉛垂向Z振級等效值。

同時《住宅》中規(guī)定，計算Z振級最大值時，分幅寬度取1 s，若Z振級的最大值最小值相差在3 dB以內(nèi)，則該振動可以認為是穩(wěn)態(tài)振動，對于電氣設備振動是否可以視為穩(wěn)態(tài)振動，可以通過計算Z振級進行驗證。

由式（3）和式（4）可知，1/3倍頻程鉛垂向振動加速度級等效值是每個中心頻率對應的振動加速度級，能夠凸顯出每個中心頻率下振動加速度級大小，一定程度上也可以反映出振動的頻譜信息。由式（6）可知，Z振級等效值是對計權頻率范圍內(nèi)的振動綜合考量，2種評價方法各有特點。

2.3 《建筑工程》舒適度和疲勞度評價方法

在《建筑工程容許振動標準》（GB50868－2013）（以下簡稱《建筑工程》）中第6章也給出了建筑物內(nèi)人體舒適性和疲勞－工效降低的振動計權加速度級規(guī)定，評價計權范圍1～80 Hz，采用ISO2631－1：1997規(guī)定的全身振動Z計權因子，條文說明中給出的振動計權加速度級計算方法與《城市》中給出的Z振級計算方法一致，《城市》中規(guī)定Z振級取5 s內(nèi)均值，但《建筑工程》里并未做出相關規(guī)定，而分幅的寬度會對Z振級的結(jié)果有一定的影響?！督ㄖこ獭分谐私o出人體舒適度振動計權加速度級的限值，還給出了疲勞－工效降低限值，可以用來對變電站工作區(qū)域環(huán)境振動進行評價。

《建筑工程容許振動標準》在條文說明中還提供了加速度和速度評價方法，即用1/3倍頻段的加速度值和速度值表示振動限值，并給出了1/3倍頻程下各中心頻率處的容許振動加速度和速度限值，限值即為條文說明中表6中的加速度值和速度值乘以表7中相應的修正系數(shù)。

2.4 《建筑樓蓋》舒適度評價方法

《建筑樓蓋結(jié)構振動舒適度技術標準》（JGJ/T441－2019）（以下簡稱《建筑樓蓋》）中4.2章節(jié)從加速度峰值角度對舒適度進行評價，并給出了樓板豎向加速度限值，普通住宅和酒店旅館振動加速度峰值為0.05 m/s2，車間辦公室為0.2 m/s2，生產(chǎn)操作區(qū)為0.4 m/s2。同時該標準中7.1.4章節(jié)規(guī)定設備采用隔振墊和彈簧吊架系統(tǒng)進行隔振時，隔振系統(tǒng)的自振頻率不宜高于8 Hz，不應高于10 Hz，且應遠離樓蓋自振頻率范圍。

3 振動舒適度和疲勞度評價結(jié)果影響因素分析

文中第2節(jié)介紹了幾種評價電氣設備振動舒適度和疲勞度的規(guī)范和標準及其計算方法，《城市》、《住宅》、《建筑工程》中使用的1/3倍頻程鉛垂向振動加速度級頻率范圍和Z振級的計權頻率范圍均為1～80 Hz，然而由1.1節(jié)電氣設備的振動特性可知，電氣設備振動頻率為50、100 Hz及其倍頻，高頻成分較多，1～80 Hz的頻率評價范圍無法很好的體現(xiàn)電氣設備振動的特點，忽略了高頻的影響，可能造成評價結(jié)果偏小等問題。同時電氣設備振動采樣頻率很高，Z振級計算的分幅寬度，《城市》中Z振級計算的計權因子等對計算結(jié)果都有一定影響，本節(jié)主要討論各參數(shù)對計算電氣設備振動的評價結(jié)果影響，以及各評價方法用于附建式變電站振動舒適度和疲勞度評價時需要做出的調(diào)整。

3.1 計權因子對電氣設備振動VLZ計算結(jié)果的影響分析

新版ISO2631－1：1997中的頻率計權因子Wk相較于ISO2631－1：1985版本有改動，2個版本的頻率計權曲線如圖4所示，在中心頻率1.25～3.15 Hz和10～80 Hz處有明顯區(qū)別。

圖4 新舊規(guī)范頻率計權因子對比Fig.4 Comparison of frequency weighting factors between new and old specifications

變電站內(nèi)的高壓電氣設備是全天候工作，且設備處于工作狀態(tài)時引起振動較為穩(wěn)定，可以視為穩(wěn)態(tài)振動，《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》要求對于穩(wěn)態(tài)振動取5 s內(nèi)的均值作為振動評價量。采用2個版本的頻率計權因子分別計算1.2節(jié)中擬合的電氣設備基礎振動Z振級，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同頻率計權因子下設備振動Z振級Fig.5 Z vibration level of equipment vibration under different frequency weighting factors

由圖5可知，無論是那種頻率計權因子，1 min內(nèi)的設備振動Z振級變化量都很小，在1 dB以內(nèi)，而2種不同的頻率計權因子計算的Z振級存在明顯的差值，根據(jù)ISO2631－1：1997頻率計權因子計算的Z振級值比ISO2631－1：1985大3.73 dB。

《住宅》中臥室限值等級一級對應的Z振級限值比《城市》中高3 dB，正是考慮到不同計權因子對Z振級的計算結(jié)果的影響。ISO2631－1：1985的Z計權因子是基于等感曲線以及當時采用的“疲勞－熟練度降低限”曲線所得出的，針對工作人員振動暴露而提出的概念，而ISO2631－1：1997是針對建筑內(nèi)人員健康、感覺和舒適度提出的。為準確反應電氣設備振動對人體健康、舒適度及感覺影響，建議《城市》的Z振級計權因子采用ISO2631－1：1997中提供的Wk頻率計權因子，而《住宅》中臥室一級Z振級限值相較于《城市》提高3 dB是否合理，需要進一步討論。

3.2 分幅寬度對電氣設備振動VLZ計算結(jié)果的影響

《城市》、《住宅》和《建筑工程》都是計算Z振級，將時程信號依次分為若干幅波形，對每一幅波形進行1/3倍頻程分析得到各中心頻率對應的分頻振級，然后根據(jù)每一幅的1/3倍頻程振動加速度級計算這一幅對應的Z振級，因此除了計權因子對Z振級計算結(jié)果有影響，分幅寬度（平均時間常數(shù)）也會對Z振級的計算結(jié)果有一定影響。本小節(jié)討論分幅寬度對Z振級計算結(jié)果的影響，采用ISO2631－1：1997中的計權因子，計權范圍取1～80 Hz，重疊率取0.75，分幅寬度取0.002、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、5 s分別計算Z振級，如圖6所示。

圖6 不同分幅寬度下計算的Z振級變化Fig.6 Variation of Z vibration level calculated under different framing widths

從圖6（a）可知，當分幅寬度為0.002 s，重疊系數(shù)取0.75，電氣設備振動時程步長0.000 5 s時，意味著每0.000 5 s計算一次Z振級，此時Z振級離散程度較大，Z振級最大最小值只是極短時間內(nèi)的瞬時值，并不能很好的反應電氣設備振動量的大小。由圖6（b）～（d）可知，當分幅寬度取0.01 s、0.05 s、0.1 s時，Z振級變化差值仍大于1 dB。由圖6（e）～（f）所示，分幅寬度取0.5 s和1 s時，Z振級變化差值在0.5 dB以內(nèi)，按《住宅》中規(guī)定，電氣設備振動應屬于穩(wěn)態(tài)振動，使用《住宅》作為評價參考時，應計算1/3倍頻程振動加速度級等效值和Z振級等效值。由圖6（g）～（h）可知，分幅寬度取2 s和5 s時，Z振級變化差值在0.3 dB以內(nèi)，隨著分幅寬度增大，Z振級變化也越來越小。

《城市》中要求計算5 s內(nèi)Z振級的均值作為評價量，相當于分幅寬度為5 s?！蹲≌分胁捎肸振級等效值進行振動量評價，且振動測量時間大于等于1 min，從Z振級等效值計算公式可以看出，意味著Z振級等效值的計算將整個測量時間作為1幅。從圖6看，《建筑工程》的Z振級計算應參考《城市》和《住宅》中Z振級計算方法，分幅寬度取值盡可能大于2 s，以獲得更穩(wěn)定的Z振級值，也更能真實反應電氣設備振動量大小。

3.3 計權范圍對電氣設備振動VALZeq,f和VLZeq的影響

《住宅》標準給出參考頻率范圍是1～80 Hz，然而電氣設備振動主要以50、100 Hz及其倍頻為主，1～80 Hz無法很好反應出電氣設備高頻振動的影響，ISO2631－1：1997中給出了80～400 Hz中心頻率下的Wk頻率計權因子，因此可以對計權范圍選取進行比較，圖7是設備振動的1/3倍頻程鉛垂向振動加速度級等效值VALZeq,f，圖8是設備振動的鉛垂向Z振級等效值VLZeq。

圖7 不同頻率范圍對VALZeq,f的影響Fig.7 Influence of different frequency ranges on VALZeq,f

圖8 不同頻率范圍對VLZeq的影響Fig.8 Influence of different frequency ranges on VLZeq

由圖7可知，采用1～80 Hz頻率范圍計算的VALZeq最大值為89.05 dB，在中心頻率50 Hz處，采用1～400 Hz頻率范圍計算的VALZeq最大值為98.18 dB，在中心頻率400 Hz處，且中心頻率100、200、315 Hz處的VALZeq均大于50 Hz處的89.05 dB。

由圖8可知，采用1～400 Hz頻率范圍計算的VLZeq比頻率范圍1～80 Hz的大1.3 dB。電氣設備振動頻率集中在50、100 Hz及其倍頻處，1～80 Hz的頻率范圍忽略了振動的高頻部分，計算結(jié)果偏小，因此建議采用1～400 Hz或更大的頻率范圍，能夠更好的反映出電氣設備振動的影響。

3.4 振動舒適度限值對比

《城市》、《住宅》和《建筑工程》均使用了Z振級作為評價量，并給出了相應限值，對比發(fā)現(xiàn)《建筑工程》給出的Z振級限值最大，《住宅》的Z振級限值比《城市》大3 dB，考慮到使用計權因子不同引起的計算結(jié)果差異，可以認為以Z振級作為人體舒適度評價指標，《城市》和《住宅》基本相同嚴格，《建筑工程》次之。

《建筑工程》在條文說明給出1/3倍頻程分析法，用分布在1/3倍頻段的加速度值（m/s2）或速度值（m/s）表示振動限值；《住宅》中也是使用1/3倍頻程分析法，用分布在1/3倍頻段的振動加速度級表示振動限值。將《建筑工程》條文說明表6中豎向加速度限值轉(zhuǎn)換為振動加速度級如表2所示。

表2 1/3倍頻程加速度限值對應振動加速度級Table 2 1/3 octave acceleration limit corresponds to the vibration acceleration level

將表2中各中心頻率振動加速度級對比《住宅》中表3.0.2給出的1/3倍頻程鉛垂向振動加速度級可知，《住宅》給出的限值更小，室內(nèi)人體舒適度限值標準更為嚴格。

另外，對比發(fā)現(xiàn)《建筑樓蓋》給出的加速度限值相較于《建筑工程》更為寬松。

4 結(jié)論

文中對比的4本規(guī)范均可用于振動評價，但因其評價對象及適用范圍不同，因此評價方法和振動限值也有一定差異。對于附建式變電站的振動舒適度和疲勞度的評價，附建式變電站不同的功能分區(qū)適用不同的規(guī)范限值。電氣設備振動屬于穩(wěn)態(tài)振動，可采用1/3倍頻程鉛垂向振動加速度級等效值和Z振級等效值2種方法進行振動評價，但同時電氣設備振動具有高頻，頻率集中等特點，因此建議以上2種評價方法計算參數(shù)做出相應調(diào)整以體現(xiàn)電氣設備的高頻振動特性，對于附建式變電站的振動評價得出主要結(jié)論如下：

（1）振動舒適度限值規(guī)定方面，《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》和《住宅建筑室內(nèi)振動限值與其測量方法標準》最為嚴格，《建筑工程容許振動標準》次之，《建筑樓蓋結(jié)構振動舒適度技術標準》相對寬松。振動疲勞度方面，僅在《建筑工程容許振動標準》中給出了相關限值規(guī)定。附建式變電站中的商用功能區(qū)若作為商用公寓，這部分的振動舒適度評價應適用《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》和《住宅建筑室內(nèi)振動限值與其測量方法標準》2本規(guī)范，變電站中的警傳室、培訓室等辦公區(qū)域應適用《建筑工程容許振動標準》中關于工作疲勞度評價。

（2）《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》采用計權因子建議變更為ISO2631－1：1997中以人體舒適度為考量給出的計權因子。

（3）《建筑工程容許振動標準》使用的振動計權加速度級，建議計算分幅寬度取值大于等于2 s，以更好反應電氣設備振動量的大小。

（4）計權范圍建議取1～400 Hz甚至取到更高頻，以真實反映電氣設備振動量的大小。