地下变电站结构振动与噪声特性分析

曹枚根，莫 娟，莫海枢，张 霞，张广平

(1.中国电力科学研究院，北京市100055;2.华中科技大学，武汉市430074;3.甘肃省电力设计院，兰州市730050)

0 引 言

近年来，随着国家城镇化战略的快速推进，人们生活水平的显著提高，用电负荷也得到了较大增长，变电站不得不深入负荷中心，布置在城市中心区域。由于城市用地紧张，变电站选址困难，采用地下或户内变电站与办公楼或居民楼合体建设的方案已成为城区新建变电站的主要建设形式［1－2］。随着大量220、110 kV 甚至电压等级更高的地下或户内变电站的建成，变电站振动与噪声环评超标问题也越来越受到广泛关注［3－5］。一般来说，通过设置隔、吸声性能好的材料的墙体或屏障可有效切断地下或户内变电站相关设备噪声沿空气传播的途径［6－7］。但由于地下或户内变电站往往与附近建筑结构邻近或合体建设，除了空气噪声之外，变电站设备导致的结构振动与固体噪声也很突出。2008年10月1 日起正式实施的《社会生活环境噪声排放标准》(GB 22337—2008)和《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB12348—2008)均对噪声通过固体结构传播至声敏感建筑物内的等效声级做出了限制性规定［8］。此外，变电站变压器等设备的振动与噪声具有频率低，运行不间断等特点，使得有关变电站结构振动与固体噪声方面的研究愈发受到国内外科技人员的广泛关注［9－13］。文献［4］对某直辖市典型小区地下室配电房变压器环境振动进行了现场调查与实测，获取并验证了变压器环境频谱特征，测试数据表明变压器周围临近范围之内的振动衰减量不大;文献［7］的研究表明，现代建筑中固定设备噪声引起的室内噪声污染主要是由结构传播这条途径引起的，单纯通过隔声、吸声等一般措施无法降低其噪声影响;文献［14］对南京某小区10 kV 变电房的振动及噪声进行了测试，认为由于变压器低频噪声的波长较长，当其与房间的空间尺寸接近时，容易引起墙体、天花板的共振现象。

地下及户内变电站设备运行导致的结构振动与噪声成为变电站建设与运行不可回避的问题，因此，有必要结合实际工程，充分认识变电站与建筑结构中的振动与噪声特性。本文选取了220 kV 朝阳门地下变电站及其耦连建筑作为测试研究对象，开展了地下变电站变压器室及各楼层混凝土楼板、墙体的振动与噪声测试，并对测试数据的时域与频谱进行了分析，为今后开展变电站结构振动与噪声控制设计提供参考。

1 地下变电站振动与噪声测试方案

1.1 地下变电站概况

220 kV 朝阳门地下变电站位于北京市东二环城市中心，是北京市城区的枢纽变电站之一。该变电站为220 kV/110 kV/10 kV 三级电压负荷站，设计安装了3 台容量为250 MVA 的主变压器。该地下变电站与朝阳供电公司的办公楼联体建设，建筑采用混凝土框架结构。建筑地下部分共有4 层，其中地下1 层(B1 层)主要有空调机房、风机房、电抗器室、电容器室等;地下2 层(B2 层)主要有电缆夹层等;地下3 层(B3 层)主要有3个主变室、GIS 室、配电室、限流电抗室、冷冻机房、空调机房等，B3 层楼面标高为－14.95 m;地下4 层(B4 层)主要包括电缆夹层、变压器储油池、储水池等。建筑地上部分共有8 层，其中地上1 ～3 层(F1－F3 层)主要有变电站主变冷却器室、电缆夹层和控制室、保护室等;地上4 ～8 层(F4－F8 层)为办公区域。

本次测试历时1 周，从周一到周日共7 天，主体测试工作在周五晚上20 时左右完成，测试时段为上午10 时到晚上20 时。为了解测试过程中变压器的负荷情况，测试结束后，根据北京电力公司提供的3台主变一周不同时刻的负荷表，绘制了3 台主变的负荷曲线，如图1 所示。图1(a)为主变日负荷曲线(周一)，图1(b)为1 周日平均负荷曲线。由图1 可知，3台主变周一至周五的负荷相对比较稳定，周六、周日有较大幅度的下降;3 台主变中新投运的3 号主变负荷最大，2 号主变负荷最小;主变负荷在上午10 时至晚上20 时处于相对稳定的水平，其中3 号主变负荷在90 MW左右，约为额定负荷的36%;本次测试时间和时段是变压器负荷相对比较稳定的时间，可反映变压器正常运行时其振动与噪声的基本特性。

图1 3 台主变的负荷曲线Fig．1 Load curve of three main transformers

1.2 振动与噪声测试内容与测点布置

本文拟对地下变电站振动与噪声进行测试，了解地下变电站主要振动源室的振动与噪声级水平、频谱特性，进一步掌握地下变电站及其联体建筑结构中振动与噪声的相关性及其对振动、噪声传播的影响因素。为此，根据220 kV 朝阳门地下变电站及连体建筑的结构布局主要开展以下测试［14］:

(1)源室功能区振动与噪声测试。地下变电站内主要的振动与噪声源是1、2、3 号主变室，主变室位于地下3 层。分别在变压器油箱壁表面、变压器基础、地面及墙体等位置布置振动与噪声测点，测试主变室的振动与噪声级水平。每个主变室内绕变压器周围设置9个断面进行测试，图2 为1 号主变室测点布置及现场测试图。

(2)传播功能区振动与噪声测试。振动与噪声传播功能区是指源室功能区外面传播振动与噪声的主要通道，比如走廊、楼道及一些空间较大的设备间等。可有选择性地在传播功能区的楼板及墙体上布置振动与噪声测点，测试其振动与噪声级，分析其频谱特性。

图2 B3 层1 号主变室测点布置及测试现场Fig．2 Test point arrangement and site of 1 transformer room

(3)敏感功能区振动与噪声测试。振动与噪声敏感功能区是指变电站及其相连的建筑结构内对振动与噪声较为敏感的主控室、值班室、办公室等区域。可有选择性地在敏感功能区的楼板及墙体上布置振动与噪声测点，测试其振动与噪声级，分析其频谱特性。

本次测试共设置了300个振动测点及94个噪声测点，其中地下B3 层振动测点155个，噪声测点39个;B2 层振动测点18个，噪声测点7个;B1 层振动测点40个，噪声测点17个;地上F1－F8 层振动测点87个，噪声测点31个。图3 为地下B3、B2 层的振动与噪声测点布置图，图中◆代表地面振动测点，▲代表振动与噪声同时采集测点，●代表墙体振动测点。此外本次测试还设置了3 台主变的4条同步测试路径，验证不同测点与主变振源的相关性，测试路径如图3(a)中A、B、C、D 所示。

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图3 各楼层振动与噪声测点布置图Fig．3 Vibration and noise measuring point arrangement of each floor

本次测试采用国产INV3060S 型24 位网络分布式采集仪进行数据采集，采样频率为6 400 Hz，采样时间为300 s。振动与噪声探头分别选用INV9823、INV9832A 加速度传感器和INV9206 声压传感器，加速度传感器采用磁铁或胶粘在油箱箱壁、混凝土楼面和墙壁上，箱壁与墙壁的粘贴高度为1.7 m;声压传感器采用支架固定，支架高1.7 m。本次测试按照建筑结构布局及功能区域分布，从B3 层开始逐层向上测试，分组分批同步采集振动与噪声的时域信号，采用DASPV10 专业版数据采集与信号处理软件适时分析信号时域与频域特性，确保测试时各通道所采集的信号不受干扰，真实反映结构的振动与噪声响应。

2 变压器室振动与噪声特性

限于篇幅，本文仅对1 号主变室不同测点的相关测试数据进行分析，1 号主变室测点布置见图2，分别采集了变压器油箱壁、基础、室内楼板及墙体的振动加速度与室内噪声，通过对信号的时域分析及傅立叶谱分析，可得到变压器室内振动与噪声的基本特性［16－17］。为了更加直观表征振动级别，定义铅垂向的Z 振级如下:

式中:a 为加速度有效值(均方根值);a0为参考值，取10－6m/s2

2.1 变压器油箱振动特性

表1 列出了1 号主变四面共计9个箱壁测点的加速度幅值及Z 振级，图4 为变压器油箱四侧典型测点振动加速度曲线及频谱图。

由表1 及图5 可知:(1)箱壁振动加速度最大幅值为0.84g(1g=9.8 m/s2)，平均值为0.44g，振动有效值及其振级最大值分别为0.38g、131.4 dB，平均值分别为0.18g、123.7 dB;(2)不同测点振动频谱幅值大小不一致，但幅值主要分布在以50 Hz 工频为基频的谐振频率上，尤其是100 Hz 的谐振频率对应谱值较大，不同测点的频谱幅值所对应的频率不一，但能量主要集中在600 Hz 以内。

表1 变压器油箱壁振动加速度幅值及Z 振级Tab．1 Vibration acceleration amplitude and Z vibration level of transformer tank wall

图4 变压器油箱壁振动加速度及频谱图Fig．4 Vibration acceleration and spectrum curves of transformer tank

2.2 变压器基础振动特性

表2 列出了1 号主变四侧共计9个基础测点的加速度幅值及Z 振级，图5 为变压器四侧基础的振动加速度频谱图。

由表2 及图5 可知:(1)变压器基础振动加速度相对油箱壁的法向振动有较大衰减，最大幅值为0.04g，平均值为0.03g，振动有效值及其振级最大值分别为0.02g、104.3 dB，平均值分别为0.01g、101.5 dB;(2)变压器基础振动加速度频谱特征与油箱表面振动较为相似，主要差异表现为基础振动的频谱分布范围更宽，这是由于在变压器振动激励下，基础结构高阶振动频率与激振频率发生谐振引起的。

2.3 楼板振动及室内噪声特性

变压器室楼板振动为地下变电站建筑结构振动的振源，传播途径主要是固体传播，而变压器室内的噪声为主要噪声源，传播途径主要是固体与空气传播。由于地下变电站主变室位于地下3 层，考虑混凝土的隔声效果较好，因此可认为在B3 层之外其他楼层的振动与噪声主要是由固体传播的。

表2 变压器基础振动加速度幅值及Z 振级Tab．2 Vibration acceleration amplitude and Z vibration level of transformer foundation

图5 变压器基础测点振动频谱图Fig．5 Vibration spectrum curves of transformer foundation

表3 列出了1 号主变四侧共计9个楼板测点的加速度幅值、Z 振级及声压级，图6 为变压器四侧楼板的振动加速度及噪声频谱图。

由表3 及图6 可知:(1)变压器室楼板振动加速度较变压器基础有一定的衰减，振动加速度最大幅值为0.04g，平均值为0.02g，振动有效值及其振级最大值分别为0.01g、100.6 dB，平均值分别为0.005g、92.6 dB，变压器室内噪声的声压级最大值为94.4 dB，平均值为90.7 dB;(2)变压器室楼板振动及室内噪声的频谱特征与变压器油箱壁、基础振动相似，都是以100 Hz 及其谐振频率为主，主要分布在100 ～600 Hz 之间的频段上。

2.4 变压器室墙体振动特性

表4 列出了1 号主变四侧共计9个墙体测点的振动加速度幅值及Z 振级，图7 为变压器四侧墙体的振动加速度频谱图。

表3 变压器室楼板振动及噪声值级Tab．3 Vibration and noise amplitude and level of floor in transformer room

图6 变压器室楼板振动与噪声频谱图Fig．6 Vibration and noise spectrum curves of floor in transformer room

由表4 及图7 可知:(1)变压器室南侧的墙体振动显著高于其他三面墙，振级平均值为102.9 dB，而其他三面墙的振级平均值为85.4 dB。主要原因是南墙为后建的围护结构，墙体刚度较小，导致墙体振动较大。(2)变压器室四面墙体的振动频谱特性都表现了与变压器振动相似的频谱特性，但其频谱特性与墙体的结构特性紧密相关。南墙由于墙体刚度较小，仅在100、200 Hz 的谱值较大，其他频率处的谱值衰减得很小。其他三面墙的振动频谱特征也反映了变压器振动的特点和墙体自身的振动特性。

表4 变压器室墙体振动幅值及Z 振级Tab．4 Vibration amplitude and Z vibration level of wall in transformer room

图7 变压器室墙体振动频谱图Fig.7 Vibration spectrum curves of wall in transformer room

3 不同楼层典型测点的振动与噪声特性

地下变电站主变(3 台)室(源室功能区)的振动与噪声通过混凝土楼板、墙体、梁柱和空气等传播途径在同一楼层及不同楼层内进行传播与扩散。本文将地下变电站及联体办公楼分成地下B1－B3 层、地上F1－F3层、地上F4－F8 层等3个部分，通过对所测不同楼层传播及敏感功能区的振动与噪声信号的时域分析及傅立叶谱分析，可得到不同楼层振动与噪声的基本特性。

3.1 地下B1-B3 层振动及噪声特性

表5 列出了地下B1－B3 层典型楼板测点的振动加速度幅值、振级及噪声级，图8 为其典型楼板测点振动与噪声的频谱图。其中B3 层选取了7个典型测点，分布在主变室西侧的SF6电器室(V129、V133)、北侧的电抗室、配电室及廊道(V141、V147、V155)、东侧走廊通道及空调机房(V99、V107);B2层选取了3个典型测点，分布在主变室北侧的电缆夹层(V4)和东侧的走廊通道及备用间(V11、V13);B1层选取了4个典型测点，分布在主变室北侧的电容器室(V6)和东侧的走廊通道、空调机房及立体车库(V16、V18 及V36)。

表5 地下B1-B3 层楼板测点的振动及噪声值级Tab．5 Vibration and noise amplitude and level of floor in underground layer of B1-B3

图8 B1-B3 层楼板测点振动及噪声频谱图Fig.8 Vibration and noise spectrum curves of floor in underground layer of B1-B3

表6 列出了地下B1－B3 层典型墙体测点的振动加速度幅值及振级，图9 为其典型墙体测点振动频谱图。其中B3 层的3个典型测点分布在主变室北侧的电抗室、配电室墙体上;B2 层的2个典型测点分布在主变室北侧的电缆夹层的墙体上;B1 层的2个典型测点分布在主变室北侧电容器室的墙体上。

表6 B1-B3 层墙体测点振动值级Tab．6 Vibration amplitude and level of wall in underground layer of B1-B3

图9 B1-B3 层墙体测点振动频谱图Fig.9 Vibration spectrum curves of floor in underground layer of B1-B3

由表5、6 及图8、9 可知:(1)地下B3 层的振级与噪声级的平均值分别为78.0、72.3 dB，B2 层分别为79.4、69.8 dB，B1 层分别为75.8、69.3 dB。同楼层各楼板测点的振级与噪声级随距离振源的距离有一定衰减，但距离较远处的衰减幅度不显著;排除其他干扰振源的影响，同位置测到的振级与噪声级之间有一定的线性关系，即楼板振级大，噪声级也较大。不同楼层之间的平均振级与噪声级衰减不显著，振级有可能随距离增加出现增大的情况(主要原因是测点处结构特征不同)，而噪声级随楼层递减，但衰减不到5%。(2)在墙体结构相同的情况下，振动在同一楼层随距离有一定的衰减，但随楼层增加墙体振动衰减不显著。(3)墙体、楼板的振动与噪声频谱特性与主变振源的相似，频谱主要分布在100 ～600 Hz 之间的100 Hz 的谐振频率上。

3.2 地上F1-F3 层振动及噪声特性

表7 列出了地上F1－F3 层典型楼板测点的振动加速度幅值、振级及噪声级，图10 为其典型楼板测点振动与噪声的频谱图。其中F1 层的3个典型测点，分布在冷却器室(V1)、冷却器室外(V7)及一楼门厅(V12);F2 层的3个典型测点，分布在电缆夹层(V10)、走廊通道(V2、V8);F3 层的3个典型测点，分布在变电站保护室(V10)、走廊通道(V2、V8)。

表7 地上F1-F3 层走廊楼板振动及噪声值级Tab．7 Vibration and noise amplitude and level of floor in overground layer of F1-F3

图10 地上F1-F3 层楼板测点振动及噪声频谱图Fig.10 Vibration and noise spectrum curves of floor in overground layer of F1-F3

表8 列出了地上F1－F3 层典型墙体测点的振动加速度幅值及振级，图11 为其典型墙体测点振动频谱图。其中F1 层的3个典型测点，分布在冷却器室的西墙上(V4)、楼梯间(V9、V11);F2 层的4个典型测点，分布在走廊通道(V3、V7)和楼梯间(V4、V6);F3 层的4个典型测点，分布在走廊通道(V3、V7)和楼梯间(V4、V6)。

表8 地上F1-F3 层墙体测点振动及噪声值级Tab.8 Vibration and noise amplitude and level of wall in overground layer of F1-F3

图11 地上F1-F3 层墙体振动频谱图Fig.11 Vibration spectrum curves of wall in overground layer of F1-F3

由表7、8 和图10、11 可知:(1)由于冷却器的振动与噪声的影响，冷却器室楼板、墙体振动及噪声显著大于其他测点，但室内、室外的振动与噪声差别较大，表明冷却器引起的振动与噪声衰减特性显著。(2)F2 层走廊的振动与噪声级平均值分别为62.7、60.1 dB，F3层走廊的分别为68.2、60.1、52.5 dB;F2 电缆夹层的振动与噪声级为74.1、71.2 dB，而F3 层保护室的分别为71.2 dB、60.6 dB。楼梯间与走廊的墙体振动级基本没有衰减，有些还增大，可见结构的振动衰减较小，而噪声衰减较为显著。(3)F1－F3 层楼板、墙体典型测点的振动与噪声频谱中＜100 Hz 的频谱较为丰富，此外非50 Hz 的谐频也较多，这主要是F1 层冷却器的振动引起的。但除冷却器室外各测点的频谱图中，100 Hz及其谐频还是较为显著，可见B3 层变压器的振动信号在结构中得到了有效传播。

3.3 地上F4-F8 层振动及噪声特性

表9、10 分别列出了地上F4－F8 层走廊楼板及墙体测点的振动加速度幅值、振级及噪声级，图12、13分别为其楼板、墙体测点振动与噪声频谱。

表9 地上F4-F8 层走廊楼板测点振动及噪声值级Tab．9 Vibration and noise amplitude and level of corridor floor in overground layer of F4-F8

图12 地上F4-F8 层走廊楼板测点振动及噪声频谱图Fig.12 Vibration and noise spectrum curves of corridor floor in overground layer of F4-F8

由表9、10 及图12、13 可知:(1)F4－F8 各楼层的楼板、墙体的振动级基本保持在60 dB 左右，噪声级也基本保持在51 ～54dB 之间，振动与噪声随楼层没有出现衰减特征;(2)F4－F8 的楼板及墙体的振动频谱中100、200 Hz 等低频频谱较为显著，振源中大于200 Hz 的频率基本没有，而噪声频谱中干扰频率较多，随着楼层的增高，100、200 Hz 等低频频谱特征越不显著，到F8 层，基本看不到振源的频谱特征。

表10 地上F4-F8 层走廊墙体测点振动值级Tab．10 Vibration amplitude and level of corridor wall in overground layer of F4-F8

图13 地上F4-F8 层走廊墙体振动频谱图Fig.13 Vibration spectrum curves of corridor wall in overground layer of F4-F8

4 结 论

通过对220 kV 朝阳门地下变电站及其耦连建筑振动与噪声的测试与分析，得到以下结论:

(1)变压器油箱壁的振动幅值较大，1 号主变油箱壁最大幅值达到了0.84g，平均值为0.44g。变压器基础振动幅值相比油箱衰减较大，但楼板振动幅值较基础衰减较小，墙体振动幅值与墙体结构特性关系较大。油箱振动表现为以100 Hz 及其谐振频率为主频，集中在600 Hz 以内的频谱特性，变压器室内的基础、楼板及墙体的振动频谱特性与油箱壁振动相似，但与不同的结构特性有一定关系。

(2)变压器室的振动与噪声主要通过混凝土结构等固体传播到各楼层，固体传播特性好。同一楼层振级与噪声级随距离振源的距离增大有一定衰减，但距离较远处的衰减幅度不显著;不同楼层的楼面与墙体平均振级与噪声级衰减不显著。振动与噪声的低频信号较高频信号传播得更远，但距离振源50 m 的F8 层的楼面与墙体振动频谱中还有显著的100、200 Hz 的频率。

(3)变压器的振动与噪声通过固体传播扩散到整个地下变电站和建筑结构中，设计时应充分考虑结构振动与噪声的影响，隔离震源的传播，避免日后运行时出现环境噪声。

致 谢

本文的测试研究工作是在北京电力公司检修分公司杨卫东高级工程师及北京电力经济技术研究院谢冬工程师等人的协调与帮助下才得以完成的，在此一并感谢!

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