寧波天安(集團(tuán))有限公司研究員盛曉艷、許德勤在2019年第7期《電氣技術(shù)》雜志上指出，抗震試驗(yàn)是核電1E低電壓開(kāi)關(guān)柜的重要內(nèi)容之一，其目的是通過(guò)在模擬地震試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，檢驗(yàn)樣機(jī)的抗震性能和0+值功能部件的作用。

基于首次抗震試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)低壓開(kāi)關(guān)柜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，并通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性。為了改善開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)的抗震性能，提供了一種解決方案。

地震的破壞力是巨大的，會(huì)給地面建筑、電力設(shè)備、通訊設(shè)備等帶來(lái)毀滅性的破壞。汶川地震后，如何在震后快速恢復(fù)電力設(shè)備的運(yùn)行，給低電壓開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)者和制造商帶來(lái)了新的問(wèn)題。

由于目前行業(yè)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的低電壓開(kāi)關(guān)柜抗震試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)規(guī)范要求，本文以核電1E設(shè)備鑒定中的抗震試驗(yàn)部分為討論對(duì)象，尋求一個(gè)廣泛適用于行業(yè)內(nèi)的開(kāi)關(guān)柜抗震性能改進(jìn)方案。

1個(gè)1E級(jí)核電

對(duì)于核電廠，1E級(jí)被定義為電氣系統(tǒng)設(shè)備的安全等級(jí)。必須完成反應(yīng)堆緊急停堆、安全殼隔離、反應(yīng)堆堆芯緊急冷卻、反應(yīng)堆廢熱輸出、反應(yīng)堆廠房熱輸出以及防止大量放射性物質(zhì)排放到周圍環(huán)境的功能。1E級(jí)低電壓開(kāi)關(guān)柜時(shí)，其安全功能包括:1E級(jí)配電；1E級(jí)負(fù)荷和其他重要設(shè)施的供電和控制。

設(shè)備鑒定

設(shè)備鑒定是通過(guò)分析、測(cè)試或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)獲得證據(jù)，以確保設(shè)備能夠按要求盡快投入運(yùn)行并滿足系統(tǒng)性能要求。其實(shí)質(zhì)是提供書(shū)面證據(jù)，證明被評(píng)估對(duì)象在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件期間和之后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)，能夠在核電廠相應(yīng)的運(yùn)行條件下可靠地執(zhí)行所需的安全功能。

地震鑒定是設(shè)備鑒定的一部分。地震試驗(yàn)主要是驗(yàn)證1E 開(kāi)關(guān)柜級(jí)的S1地震(運(yùn)行參考地震OBE)和S2地震(安全停堆地震SSE)的結(jié)構(gòu)和安全完整性在合格壽命期間和之后仍能保持。

3 開(kāi)關(guān)柜抗震性能測(cè)定

結(jié)構(gòu)或物體的自然振動(dòng)頻率取決于其自身的物理特性(質(zhì)量、彈性和阻尼分布)以及減震器和支架的自由振動(dòng)頻率。對(duì)于核電1E級(jí)低壓開(kāi)關(guān)柜來(lái)說(shuō)，設(shè)備被焊接并固定到鋪設(shè)在地面或樓板上的基礎(chǔ)槽鋼上，而沒(méi)有減震器。

當(dāng)原型和試驗(yàn)臺(tái)之間的固定模態(tài)相同時(shí)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)測(cè)得的自振頻率是評(píng)估開(kāi)關(guān)柜抗震性能的更直觀的方法。某個(gè)方向上開(kāi)關(guān)柜的固有頻率越高，該方向上開(kāi)關(guān)柜的抗震能力越強(qiáng)。

4 開(kāi)關(guān)柜改進(jìn)前的基本框架結(jié)構(gòu)

本文討論的測(cè)試原型是1E級(jí)MNS低電壓開(kāi)關(guān)柜。開(kāi)關(guān)柜遵循業(yè)界流行的設(shè)計(jì)理念和實(shí)踐，采用完全組裝的結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)柜基本框架結(jié)構(gòu)由C型鋼組裝而成。l形角板用于將框架的立柱與深梁和橫梁連接起來(lái)。自攻螺釘用于將連接件與型材緊固在一起。

為了提高開(kāi)關(guān)柜的抗震性能，1E低壓開(kāi)關(guān)柜框架的外柱采用C型鋼雙連接結(jié)構(gòu)，型鋼由平面連接板固定，扣件也采用自攻螺釘。開(kāi)關(guān)柜骨架的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，拼接部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 開(kāi)關(guān)柜骨架的基本結(jié)構(gòu)

圖2改進(jìn)前開(kāi)關(guān)柜剖面的拼接結(jié)構(gòu)

5改進(jìn)前開(kāi)關(guān)柜自然頻率測(cè)量

開(kāi)關(guān)柜固有頻率測(cè)量是地震測(cè)試的一個(gè)步驟。試驗(yàn)是在模擬地震試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。安裝現(xiàn)場(chǎng)用20毫米厚的鋼板模擬樓板。開(kāi)關(guān)柜連接到基礎(chǔ)上，開(kāi)關(guān)柜通過(guò)焊接連接到鋼板上，鋼板通過(guò)螺栓固定到地震試驗(yàn)臺(tái)上。

一組加速度傳感器(X、Y和Z方向)分別安裝在測(cè)試原型框架頂部的左側(cè)和右側(cè)，用于監(jiān)測(cè)地震輸入運(yùn)動(dòng)和開(kāi)關(guān)柜框架的響應(yīng)。采用白噪聲隨機(jī)波掃描法(即x、y、z方向?yàn)?.5~50Hz，白噪聲輸入為0.1~0.2g，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為120秒)求出x、y、z軸的固有振動(dòng)頻率開(kāi)關(guān)柜的頻率。

改進(jìn)前開(kāi)關(guān)柜抗震試驗(yàn)原型是我公司核安全1E級(jí)鑒定時(shí)制作的抗震試驗(yàn)原型。改進(jìn)前的固有振動(dòng)頻率見(jiàn)表1 開(kāi)關(guān)柜由試驗(yàn)確定。抗震試驗(yàn)報(bào)告顯示開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)變形，緊固螺釘松動(dòng)。在測(cè)試過(guò)程中，很明顯可以觀察到開(kāi)關(guān)柜頂部搖擺。

表1 開(kāi)關(guān)柜改進(jìn)前的自然頻率

6 開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)分析

6.1 開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)螺紋連接強(qiáng)度分析

針對(duì)開(kāi)關(guān)柜抗震試驗(yàn)后出現(xiàn)的螺釘松動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)開(kāi)關(guān)柜的框架裝配和螺釘連接緊固進(jìn)行了分析。

開(kāi)關(guān)柜框架組件中使用的緊固件是M6(GB/T 6560)自攻螺釘，螺距為1毫米；連接件上開(kāi)口均為通孔；C型材板的厚度為2mm。不難看出，板與螺釘之間只嚙合1 ~ 2個(gè)螺紋，連接強(qiáng)度取決于C段的材料強(qiáng)度。

在開(kāi)關(guān)柜的生產(chǎn)過(guò)程中，如果零件需要多次拆卸和組裝，那么C型面上的模塊孔在多次攻絲后很容易損壞。這也意味著，在通過(guò)自攻螺釘和自攻鋼絲在C形截面上進(jìn)行抗震試驗(yàn)的過(guò)程中，存在螺紋連接失效的風(fēng)險(xiǎn)。

6.2 開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

在核安全1E級(jí)鑒定過(guò)程中，公司委托上海核工程研究設(shè)計(jì)院對(duì)抗震試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算和應(yīng)力評(píng)估。采用有限元方法對(duì)自重荷載作用下低壓開(kāi)關(guān)柜的原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析和動(dòng)力響應(yīng)分析。計(jì)算和評(píng)估結(jié)果表明，0+框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力小于構(gòu)件本身的應(yīng)力極限，最大應(yīng)力出現(xiàn)在柱底。

開(kāi)關(guān)柜的框架在每個(gè)平面上都是一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)，屬于一個(gè)特殊的平行四邊形。它的結(jié)構(gòu)構(gòu)件很容易被外力移位。此外，從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，在立柱、橫梁和深梁的連接處僅實(shí)現(xiàn)了每個(gè)平面的二維連接。兩個(gè)雙節(jié)立柱通過(guò)其末端的L形連接板分別與橫梁和深梁連接；在X、Y、Z方向地震沖擊的合力作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的相對(duì)位移引起開(kāi)關(guān)柜框架變形的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。

7 開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

7.1 開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)螺紋連接的加強(qiáng)措施

由于開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本定型，C形截面的形狀、材料厚度和材料質(zhì)量沒(méi)有改進(jìn)的余地，考慮增加螺紋副的連接長(zhǎng)度，以提高螺紋的連接強(qiáng)度。基于這一思想，通過(guò)利用型材的內(nèi)部空間，在型材上增加帶螺紋孔的塞子，將自攻螺釘改為六角頭螺栓，并延長(zhǎng)螺栓的長(zhǎng)度，可以提高螺紋連接的強(qiáng)度。

7.2 開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能加固措施

綜上所述，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)已基本定型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度滿足要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接和定位，以避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件在外力作用下的相對(duì)位移，提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

用三角形支撐板(角板)代替L形連接件，可以更好地保證立柱、橫梁和深梁之間的垂直度。但是，考慮到開(kāi)關(guān)柜主母線的連接和柜間控制電纜交叉的需要，可以安裝角板的拼接位置非常有限，無(wú)法達(dá)到提高開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。因此，認(rèn)為設(shè)計(jì)三維節(jié)點(diǎn)是為了同時(shí)保證柱、深梁和橫梁在三維空間的定位和連接強(qiáng)度，從而提高開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

三維連接器的形式在圖3中示出，通過(guò)該三維連接器可以完成雙連接立柱的端部輪廓之間的定位。立柱、橫梁和深梁的接頭定位和連接；通過(guò)連接件，立柱可以在X、Y、Z三個(gè)方向上與橫梁和深梁相連；連接件的開(kāi)口尺寸保證了型材之間的相對(duì)位置，從而達(dá)到提高開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。

改進(jìn)后的8 開(kāi)關(guān)柜抗震試驗(yàn)

開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的抗震試驗(yàn)原型是核電項(xiàng)目的抗震試驗(yàn)原型。試驗(yàn)樣機(jī)的安裝方法和加速度傳感器的布置方法與結(jié)構(gòu)改進(jìn)前一致。通過(guò)白噪聲隨機(jī)波掃描測(cè)得的開(kāi)關(guān)柜的改進(jìn)固有頻率如表2所示。

圖3修改開(kāi)關(guān)柜剖面的拼接結(jié)構(gòu)

表2改進(jìn)開(kāi)關(guān)柜自然振動(dòng)頻率

通過(guò)比較表1和表2，不難發(fā)現(xiàn)改進(jìn)前在X方向和Y方向上的固有頻率開(kāi)關(guān)柜為10.3赫茲和8.8赫茲；分別是。改進(jìn)后開(kāi)關(guān)柜，X方向的固有頻率為12Hz，Y方向的固有頻率為11Hz。兩者都有顯著改善。這表明開(kāi)關(guān)柜的抗震性能經(jīng)過(guò)改進(jìn)后有了很大的提高，上述改進(jìn)措施是有效可行的。

摘要

根據(jù)核電工程的抗震要求，分析了開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。

綜上所述，在開(kāi)關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度滿足要求的情況下，通過(guò)三維連接件實(shí)現(xiàn)立柱、橫梁和深梁之間的定位，避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間發(fā)生相對(duì)位移；通過(guò)增加插頭增強(qiáng)螺紋連接強(qiáng)度，提高開(kāi)關(guān)柜框架抗震性能效果明顯，實(shí)施簡(jiǎn)單方便。

這種改進(jìn)方法也可以推廣到工業(yè)中的常規(guī)產(chǎn)品，為提高開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)品的抗震性能提供了一種參考方案。