附建式变电站设备振动舒适度评价标准对比

李福权，王连锋，蔡粮锴，柏文，戴君武，邵志鹏

（1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518003；2.深圳供电规划设计院有限公司，广东 深圳 518054；3.中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；4.地震灾害防治应急管理部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080）

引言

生活中常见的环境污染不仅有我们常提及的空气污染、水污染、噪声污染、重金属污染等，还包括环境振动污染，特别是轨道交通振动、冲击振动和大型设备工作振动等，一般环境振动污染往往伴随着噪声污染，例如列车运行噪声，冲击钻打桩机工作噪声，机器设备运行噪声等，人们更容易关注到噪声污染，从而忽略振动引起的感受，因此往往会让人忽略伴随的振动污染。特定频率的振动可能会引起结构损伤，同时也会对人身体健康带来不利影响，早有研究表明［1－2］，长期暴露于高频振动环境中，即使振幅不大，对比噪声等环境因素影响感知不强，也会对身体造成不可逆的损伤。

附建式变电站具有占地面积小、土地利用率高、功能完善等优点，因此被越来越多的人口密集型城区采用。然而附建式变电站距离居民区较近，且本身也具备商业功能区，因此电气设备运行中产生振动和噪声造成的扰民投诉事件时有发生［3－4］，关于大型电气设备的噪声治理和减振降噪技术也早有相关研究［5－6］，然而电气设备振动对周围环境的影响究竟有多大，控制到什么水平可以认为振动对舒适度及工作疲劳度的影响在合理范围内，因此如何量化电气设备振动的振动量大小及对人体造成损伤的界限显得尤为重要，我国对此也早有相关规范和标准出台，在《城市区域环境振动标准》（GB10070－1988）［7］、《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB/T50355－2018）［8］、《建筑工程容许振动标准》（GB50868－2013）［9］、《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》（JGJ/T441－2019）［10］等规范标准中均有提及振动疲劳度和舒适度的评价方法，常用的评价方法主要有3种：振级、加速度、速度，其中振级又分为分频振动加速度级和Z振级。

文中将通过对以上4本规范和标准进行对比研究，分析不同计算参数对振动评价结果的影响，对比评价方法的不同与相似之处，并给出适用于附建式变电站舒适度和疲劳度评价的合理性建议。

1 电气设备振动特性与时程拟合

1.1 3种高压电气设备振动特性

变压器振动主要来源于本体和冷却装置两部分，以220MVA油冷变压器为例，曹枚根等［11－13］实测其油箱和本体振动表现出的振动特性会有一些区别，变压器箱壁振动加速度幅值可达到0.8～0.9 g，平均值约为0.4～0.5 g，振动加速度的有效值可以达到0.38 g，振动加速度级最大值可以达到135 dB，油箱上不同位置处振动的傅里叶频谱幅值大小不一致，但均以50 Hz及100 Hz的倍频为主，能量较为集中，以200、300、400 Hz某个频率为主，该频率对应傅里叶谱幅值较大，其他频率对应傅里叶谱幅值相对较小，总的来说，油箱壁振动能量主要集中在600 Hz以内。变压器基础处的振动加速度幅值约为0.04 g，平均值为0.03 g，振动加速度有效值及其振动加速度级最大值可以达到0.02 g、105 dB，变压器基础振动的频谱特性与油箱壁振动特性比较相似，基础振动的频谱分布范围相较于油箱壁略宽，其中200、300、400 Hz的谐振频率对应的傅里叶谱幅值较大，能量主要集中在1 000 Hz以内，这可能是由于变压器基础结构的高阶固有频率与变压器振动的频率较为接近，在变压器振动激励下基础处发生谐振引起的。

电抗器电容器的振动主要是由内部硅片磁致伸缩引起的。根据多篇文献［14－17］记录，其振动特性主要变现为表面法向振动加速度对应的频率是50、100、200、300、400、500、600、700、800 Hz等处，其中100、200、300 Hz处较大。这些频率都在电抗器交流频率50、100 Hz或者其倍频处。

我国电网的频率是50 Hz，变压器、电抗器、电容器等输变电设备受麦克斯韦电磁张力作用，麦克斯韦力频率为电网频率的2倍，所以设备的振动频率均为50 Hz及100 Hz的倍频，产生的噪声也为50 Hz及其倍频。

1.2 电气设备振动时程拟合

以曹枚根等人实测220 kV变电站内电气设备为例，变压器身上的振动加速度最高可达到0.8～0.9 g，且频率较大，但设备基础处的振动加速度幅值约为0.04 g，有效值0.07～0.18 g，振动频率为50 Hz和100 Hz及其倍频，同时基础处的振动频谱分布范围更宽，主要集中在200、300、400、500 Hz。曹枚根等人实测变压器基础2个测点振动数据如表1和图1所示。根据以上振动特性，加上白噪声则可拟合出设备基础处振动加速度时程，选取其中1 s时程图如图2所示，对应的傅里叶频谱如图3所示，加速度时程及对应的频谱与曹枚根等人实测数据规律基本一致，可作为文中对比不同规范和标注计算结果使用。

图1 变压器基础测点振动频谱图Fig.1 Vibration spectrum diagram of transformer foundation measuring points

图2 拟合设备基础处加速度时程（1 s）Fig.2 Fitting acceleration time history at equipment foundation（1 s）

图3 拟合设备基础处加速度傅里叶谱Fig.3 Fitting Fourier spectrum of acceleration at equipment foundation

表1 变压器基础振动加速度幅值Table 1 Vibration acceleration amplitude of transformer foundation

2 振动舒适度和疲劳度评价适用规范及标准

振动舒适度和疲劳度评价的规范和标准主要有《城市区域环境振动标准》（GB10070-1988）（以下简称《城市》）、《住宅建筑室内振动限值与其测量方法标准》（GB/T50355-2018）（以下简称《住宅》）、《建筑工程容许振动标准》（GB50868-2013）（以下简称《建筑工程》）、《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》（JGJ/T441-2019）（以下简称《建筑楼盖》）等，常用的评价方法主要有3种：振级、加速度、速度，其中振级又分为分频振动加速度级和Z振级，本小节主要介绍以上几种规范和标准的振动舒适度、疲劳度评价方法和计算方法。

2.1 《城市》舒适度评价Z振级计算方法

在《城市区域环境振动标准》（GB10070－1988）（以下简称《城市》）以及与其配套的《城市区域环境振动测量方法》（GB10071－1988）［18］中，振动评价方法是铅垂向Z振级，铅垂向Z振级就是按ISO2631－1：1985［19］规定的全身振动Z计权因子修正后得到的振动加速度级，记为VLZ，单位为分贝（dB），频率计权范围为1～80 Hz。Z振级计算公式［20］如式（1）、式（2）所示，

式中：arms,i为第i个中心频率下振动加速度有效值，单位为m s2；a0为振动基准加速度有效值，a0=1×10-6m s2；VALi为1/3倍频程第i个中心频率对应的振动加速度级；Wki为1/3倍频程第i个中心频率对应的Z计权因子；VLZ为铅垂向Z振级。

2.2 《住宅》舒适度评价VALZeq,f和VLZeq,f计算方法

在住房和城乡建设部2018年颁布的《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB/T50355－2018）（以下简称《住宅》）中给出了Z振级和1/3倍频程铅垂向振动级速度级2个振动评价指标，其中4.2.1和4.2.2条规定，非冲击振动、城市轨道交通振动以及铁路交通振动的其他类型振动测量评价量应采用Z振级等效值（VLZeq）和1/3倍频程铅垂向振动加速度级等效值（VALZeq,f），要求采集的振动总时长不应少于1 min，其中Z振级的频率计权因子取自ISO2631－1：1997［21］。按此规定，对于电气设备振动应当适用1/3倍频程铅垂向振动加速度级等效值和Z振级等效值作为评价量，计算公式如下所示。

式中：ai为t时刻第i个中心频率下振动加速度，单位为m s2；a0为振动基准加速度有效值，a0=1×10-6m s2；VALi为t时刻1/3倍频程第i个中心频率对应的振动加速度级；VALZeq,f为各中心频率下振动加速度级等效值；VLZ为t时刻的瞬时铅垂向Z振级；Wki为1/3倍频程第i个中心频率对应的Z计权因子；T为规定的测量时间段；VLZeq为铅垂向Z振级等效值。

同时《住宅》中规定，计算Z振级最大值时，分幅宽度取1 s，若Z振级的最大值最小值相差在3 dB以内，则该振动可以认为是稳态振动，对于电气设备振动是否可以视为稳态振动，可以通过计算Z振级进行验证。

由式（3）和式（4）可知，1/3倍频程铅垂向振动加速度级等效值是每个中心频率对应的振动加速度级，能够凸显出每个中心频率下振动加速度级大小，一定程度上也可以反映出振动的频谱信息。由式（6）可知，Z振级等效值是对计权频率范围内的振动综合考量，2种评价方法各有特点。

2.3 《建筑工程》舒适度和疲劳度评价方法

在《建筑工程容许振动标准》（GB50868－2013）（以下简称《建筑工程》）中第6章也给出了建筑物内人体舒适性和疲劳－工效降低的振动计权加速度级规定，评价计权范围1～80 Hz，采用ISO2631－1：1997规定的全身振动Z计权因子，条文说明中给出的振动计权加速度级计算方法与《城市》中给出的Z振级计算方法一致，《城市》中规定Z振级取5 s内均值，但《建筑工程》里并未做出相关规定，而分幅的宽度会对Z振级的结果有一定的影响。《建筑工程》中除了给出人体舒适度振动计权加速度级的限值，还给出了疲劳－工效降低限值，可以用来对变电站工作区域环境振动进行评价。

《建筑工程容许振动标准》在条文说明中还提供了加速度和速度评价方法，即用1/3倍频段的加速度值和速度值表示振动限值，并给出了1/3倍频程下各中心频率处的容许振动加速度和速度限值，限值即为条文说明中表6中的加速度值和速度值乘以表7中相应的修正系数。

2.4 《建筑楼盖》舒适度评价方法

《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》（JGJ/T441－2019）（以下简称《建筑楼盖》）中4.2章节从加速度峰值角度对舒适度进行评价，并给出了楼板竖向加速度限值，普通住宅和酒店旅馆振动加速度峰值为0.05 m/s2，车间办公室为0.2 m/s2，生产操作区为0.4 m/s2。同时该标准中7.1.4章节规定设备采用隔振垫和弹簧吊架系统进行隔振时，隔振系统的自振频率不宜高于8 Hz，不应高于10 Hz，且应远离楼盖自振频率范围。

3 振动舒适度和疲劳度评价结果影响因素分析

文中第2节介绍了几种评价电气设备振动舒适度和疲劳度的规范和标准及其计算方法，《城市》、《住宅》、《建筑工程》中使用的1/3倍频程铅垂向振动加速度级频率范围和Z振级的计权频率范围均为1～80 Hz，然而由1.1节电气设备的振动特性可知，电气设备振动频率为50、100 Hz及其倍频，高频成分较多，1～80 Hz的频率评价范围无法很好的体现电气设备振动的特点，忽略了高频的影响，可能造成评价结果偏小等问题。同时电气设备振动采样频率很高，Z振级计算的分幅宽度，《城市》中Z振级计算的计权因子等对计算结果都有一定影响，本节主要讨论各参数对计算电气设备振动的评价结果影响，以及各评价方法用于附建式变电站振动舒适度和疲劳度评价时需要做出的调整。

3.1 计权因子对电气设备振动VLZ计算结果的影响分析

新版ISO2631－1：1997中的频率计权因子Wk相较于ISO2631－1：1985版本有改动，2个版本的频率计权曲线如图4所示，在中心频率1.25～3.15 Hz和10～80 Hz处有明显区别。

图4 新旧规范频率计权因子对比Fig.4 Comparison of frequency weighting factors between new and old specifications

变电站内的高压电气设备是全天候工作，且设备处于工作状态时引起振动较为稳定，可以视为稳态振动，《城市区域环境振动测量方法》要求对于稳态振动取5 s内的均值作为振动评价量。采用2个版本的频率计权因子分别计算1.2节中拟合的电气设备基础振动Z振级，结果如图5所示。

图5 不同频率计权因子下设备振动Z振级Fig.5 Z vibration level of equipment vibration under different frequency weighting factors

由图5可知，无论是那种频率计权因子，1 min内的设备振动Z振级变化量都很小，在1 dB以内，而2种不同的频率计权因子计算的Z振级存在明显的差值，根据ISO2631－1：1997频率计权因子计算的Z振级值比ISO2631－1：1985大3.73 dB。

《住宅》中卧室限值等级一级对应的Z振级限值比《城市》中高3 dB，正是考虑到不同计权因子对Z振级的计算结果的影响。ISO2631－1：1985的Z计权因子是基于等感曲线以及当时采用的“疲劳－熟练度降低限”曲线所得出的，针对工作人员振动暴露而提出的概念，而ISO2631－1：1997是针对建筑内人员健康、感觉和舒适度提出的。为准确反应电气设备振动对人体健康、舒适度及感觉影响，建议《城市》的Z振级计权因子采用ISO2631－1：1997中提供的Wk频率计权因子，而《住宅》中卧室一级Z振级限值相较于《城市》提高3 dB是否合理，需要进一步讨论。

3.2 分幅宽度对电气设备振动VLZ计算结果的影响

《城市》、《住宅》和《建筑工程》都是计算Z振级，将时程信号依次分为若干幅波形，对每一幅波形进行1/3倍频程分析得到各中心频率对应的分频振级，然后根据每一幅的1/3倍频程振动加速度级计算这一幅对应的Z振级，因此除了计权因子对Z振级计算结果有影响，分幅宽度（平均时间常数）也会对Z振级的计算结果有一定影响。本小节讨论分幅宽度对Z振级计算结果的影响，采用ISO2631－1：1997中的计权因子，计权范围取1～80 Hz，重叠率取0.75，分幅宽度取0.002、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、5 s分别计算Z振级，如图6所示。

图6 不同分幅宽度下计算的Z振级变化Fig.6 Variation of Z vibration level calculated under different framing widths

从图6（a）可知，当分幅宽度为0.002 s，重叠系数取0.75，电气设备振动时程步长0.000 5 s时，意味着每0.000 5 s计算一次Z振级，此时Z振级离散程度较大，Z振级最大最小值只是极短时间内的瞬时值，并不能很好的反应电气设备振动量的大小。由图6（b）～（d）可知，当分幅宽度取0.01 s、0.05 s、0.1 s时，Z振级变化差值仍大于1 dB。由图6（e）～（f）所示，分幅宽度取0.5 s和1 s时，Z振级变化差值在0.5 dB以内，按《住宅》中规定，电气设备振动应属于稳态振动，使用《住宅》作为评价参考时，应计算1/3倍频程振动加速度级等效值和Z振级等效值。由图6（g）～（h）可知，分幅宽度取2 s和5 s时，Z振级变化差值在0.3 dB以内，随着分幅宽度增大，Z振级变化也越来越小。

《城市》中要求计算5 s内Z振级的均值作为评价量，相当于分幅宽度为5 s。《住宅》中采用Z振级等效值进行振动量评价，且振动测量时间大于等于1 min，从Z振级等效值计算公式可以看出，意味着Z振级等效值的计算将整个测量时间作为1幅。从图6看，《建筑工程》的Z振级计算应参考《城市》和《住宅》中Z振级计算方法，分幅宽度取值尽可能大于2 s，以获得更稳定的Z振级值，也更能真实反应电气设备振动量大小。

3.3 计权范围对电气设备振动VALZeq,f和VLZeq的影响

《住宅》标准给出参考频率范围是1～80 Hz，然而电气设备振动主要以50、100 Hz及其倍频为主，1～80 Hz无法很好反应出电气设备高频振动的影响，ISO2631－1：1997中给出了80～400 Hz中心频率下的Wk频率计权因子，因此可以对计权范围选取进行比较，图7是设备振动的1/3倍频程铅垂向振动加速度级等效值VALZeq,f，图8是设备振动的铅垂向Z振级等效值VLZeq。

图7 不同频率范围对VALZeq,f的影响Fig.7 Influence of different frequency ranges on VALZeq,f

图8 不同频率范围对VLZeq的影响Fig.8 Influence of different frequency ranges on VLZeq

由图7可知，采用1～80 Hz频率范围计算的VALZeq最大值为89.05 dB，在中心频率50 Hz处，采用1～400 Hz频率范围计算的VALZeq最大值为98.18 dB，在中心频率400 Hz处，且中心频率100、200、315 Hz处的VALZeq均大于50 Hz处的89.05 dB。

由图8可知，采用1～400 Hz频率范围计算的VLZeq比频率范围1～80 Hz的大1.3 dB。电气设备振动频率集中在50、100 Hz及其倍频处，1～80 Hz的频率范围忽略了振动的高频部分，计算结果偏小，因此建议采用1～400 Hz或更大的频率范围，能够更好的反映出电气设备振动的影响。

3.4 振动舒适度限值对比

《城市》、《住宅》和《建筑工程》均使用了Z振级作为评价量，并给出了相应限值，对比发现《建筑工程》给出的Z振级限值最大，《住宅》的Z振级限值比《城市》大3 dB，考虑到使用计权因子不同引起的计算结果差异，可以认为以Z振级作为人体舒适度评价指标，《城市》和《住宅》基本相同严格，《建筑工程》次之。

《建筑工程》在条文说明给出1/3倍频程分析法，用分布在1/3倍频段的加速度值（m/s2）或速度值（m/s）表示振动限值；《住宅》中也是使用1/3倍频程分析法，用分布在1/3倍频段的振动加速度级表示振动限值。将《建筑工程》条文说明表6中竖向加速度限值转换为振动加速度级如表2所示。

表2 1/3倍频程加速度限值对应振动加速度级Table 2 1/3 octave acceleration limit corresponds to the vibration acceleration level

将表2中各中心频率振动加速度级对比《住宅》中表3.0.2给出的1/3倍频程铅垂向振动加速度级可知，《住宅》给出的限值更小，室内人体舒适度限值标准更为严格。

另外，对比发现《建筑楼盖》给出的加速度限值相较于《建筑工程》更为宽松。

4 结论

文中对比的4本规范均可用于振动评价，但因其评价对象及适用范围不同，因此评价方法和振动限值也有一定差异。对于附建式变电站的振动舒适度和疲劳度的评价，附建式变电站不同的功能分区适用不同的规范限值。电气设备振动属于稳态振动，可采用1/3倍频程铅垂向振动加速度级等效值和Z振级等效值2种方法进行振动评价，但同时电气设备振动具有高频，频率集中等特点，因此建议以上2种评价方法计算参数做出相应调整以体现电气设备的高频振动特性，对于附建式变电站的振动评价得出主要结论如下：

（1）振动舒适度限值规定方面，《城市区域环境振动标准》和《住宅建筑室内振动限值与其测量方法标准》最为严格，《建筑工程容许振动标准》次之，《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》相对宽松。振动疲劳度方面，仅在《建筑工程容许振动标准》中给出了相关限值规定。附建式变电站中的商用功能区若作为商用公寓，这部分的振动舒适度评价应适用《城市区域环境振动标准》和《住宅建筑室内振动限值与其测量方法标准》2本规范，变电站中的警传室、培训室等办公区域应适用《建筑工程容许振动标准》中关于工作疲劳度评价。

（2）《城市区域环境振动标准》采用计权因子建议变更为ISO2631－1：1997中以人体舒适度为考量给出的计权因子。

（3）《建筑工程容许振动标准》使用的振动计权加速度级，建议计算分幅宽度取值大于等于2 s，以更好反应电气设备振动量的大小。

（4）计权范围建议取1～400 Hz甚至取到更高频，以真实反映电气设备振动量的大小。