寧波天安(集團)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，抗震試驗是核電1E低電壓開關(guān)柜的重要內(nèi)容之一，其目的是通過在模擬地震試驗臺上進行振動試驗，檢驗樣機的抗震性能和0+值功能部件的作用。

基于首次抗震試驗結(jié)果，對低壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)進行分析，提出相應(yīng)的改進方案，并通過對比改進前后的試驗結(jié)果，驗證結(jié)構(gòu)改進的有效性。為了改善開關(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，會給地面建筑、電力設(shè)備、通訊設(shè)備等帶來毀滅性的破壞。汶川地震后，如何在震后快速恢復(fù)電力設(shè)備的運行，給低電壓開關(guān)柜的設(shè)計者和制造商帶來了新的問題。

由于目前行業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一的低電壓開關(guān)柜抗震試驗標準或相關(guān)規(guī)范要求，本文以核電1E設(shè)備鑒定中的抗震試驗部分為討論對象，尋求一個廣泛適用于行業(yè)內(nèi)的開關(guān)柜抗震性能改進方案。

1個1E級核電

對于核電廠，1E級被定義為電氣系統(tǒng)設(shè)備的安全等級。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級低電壓開關(guān)柜時，其安全功能包括:1E級配電；1E級負荷和其他重要設(shè)施的供電和控制。

設(shè)備鑒定

設(shè)備鑒定是通過分析、測試或運行經(jīng)驗獲得證據(jù)，以確保設(shè)備能夠按要求盡快投入運行并滿足系統(tǒng)性能要求。其實質(zhì)是提供書面證據(jù)，證明被評估對象在設(shè)計基準事件期間和之后的規(guī)定時間內(nèi)，能夠在核電廠相應(yīng)的運行條件下可靠地執(zhí)行所需的安全功能。

地震鑒定是設(shè)備鑒定的一部分。地震試驗主要是驗證1E 開關(guān)柜級的S1地震(運行參考地震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 開關(guān)柜抗震性能測定

結(jié)構(gòu)或物體的自然振動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頻率。對于核電1E級低壓開關(guān)柜來說，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，而沒有減震器。

當原型和試驗臺之間的固定模態(tài)相同時，通過對比試驗測得的自振頻率是評估開關(guān)柜抗震性能的更直觀的方法。某個方向上開關(guān)柜的固有頻率越高，該方向上開關(guān)柜的抗震能力越強。

4 開關(guān)柜改進前的基本框架結(jié)構(gòu)

本文討論的測試原型是1E級MNS低電壓開關(guān)柜。開關(guān)柜遵循業(yè)界流行的設(shè)計理念和實踐，采用完全組裝的結(jié)構(gòu)。開關(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。自攻螺釘用于將連接件與型材緊固在一起。

為了提高開關(guān)柜的抗震性能，1E低壓開關(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 開關(guān)柜骨架的基本結(jié)構(gòu)

圖2改進前開關(guān)柜剖面的拼接結(jié)構(gòu)

5改進前開關(guān)柜自然頻率測量

開關(guān)柜固有頻率測量是地震測試的一個步驟。試驗是在模擬地震試驗臺上進行的。安裝現(xiàn)場用20毫米厚的鋼板模擬樓板。開關(guān)柜連接到基礎(chǔ)上，開關(guān)柜通過焊接連接到鋼板上，鋼板通過螺栓固定到地震試驗臺上。

一組加速度傳感器(X、Y和Z方向)分別安裝在測試原型框架頂部的左側(cè)和右側(cè)，用于監(jiān)測地震輸入運動和開關(guān)柜框架的響應(yīng)。采用白噪聲隨機波掃描法(即x、y、z方向為0.5~50Hz，白噪聲輸入為0.1~0.2g，振動持續(xù)時間為120秒)求出x、y、z軸的固有振動頻率開關(guān)柜的頻率。

改進前開關(guān)柜抗震試驗原型是我公司核安全1E級鑒定時制作的抗震試驗原型。改進前的固有振動頻率見表1 開關(guān)柜由試驗確定。抗震試驗報告顯示開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)變形，緊固螺釘松動。在測試過程中，很明顯可以觀察到開關(guān)柜頂部搖擺。

表1 開關(guān)柜改進前的自然頻率

6 開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)分析

6.1 開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)螺紋連接強度分析

針對開關(guān)柜抗震試驗后出現(xiàn)的螺釘松動現(xiàn)象，對開關(guān)柜的框架裝配和螺釘連接緊固進行了分析。

開關(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個螺紋，連接強度取決于C段的材料強度。

在開關(guān)柜的生產(chǎn)過程中，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，在通過自攻螺釘和自攻鋼絲在C形截面上進行抗震試驗的過程中，存在螺紋連接失效的風(fēng)險。

6.2 開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

在核安全1E級鑒定過程中，公司委托上海核工程研究設(shè)計院對抗震試驗樣機的結(jié)構(gòu)進行抗震計算和應(yīng)力評估。采用有限元方法對自重荷載作用下低壓開關(guān)柜的原型結(jié)構(gòu)進行了靜力分析、模態(tài)分析和動力響應(yīng)分析。計算和評估結(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。

開關(guān)柜的框架在每個平面上都是一個矩形結(jié)構(gòu)，屬于一個特殊的平行四邊形。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現(xiàn)了每個平面的二維連接。兩個雙節(jié)立柱通過其末端的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)件之間的相對位移引起開關(guān)柜框架變形的風(fēng)險相對較高。

7 開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)改進措施

7.1 開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)螺紋連接的加強措施

由于開關(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)量沒有改進的余地，考慮增加螺紋副的連接長度，以提高螺紋的連接強度。基于這一思想，通過利用型材的內(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，并延長螺栓的長度，可以提高螺紋連接的強度。

7.2 開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能加固措施

綜上所述，當開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)已基本定型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度滿足要求時，應(yīng)優(yōu)先加強結(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，無法達到提高開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。因此，認為設(shè)計三維節(jié)點是為了同時保證柱、深梁和橫梁在三維空間的定位和連接強度，從而提高開關(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；通過連接件，立柱可以在X、Y、Z三個方向上與橫梁和深梁相連；連接件的開口尺寸保證了型材之間的相對位置，從而達到提高開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。

改進后的8 開關(guān)柜抗震試驗

開關(guān)柜結(jié)構(gòu)改進后的抗震試驗原型是核電項目的抗震試驗原型。試驗樣機的安裝方法和加速度傳感器的布置方法與結(jié)構(gòu)改進前一致。通過白噪聲隨機波掃描測得的開關(guān)柜的改進固有頻率如表2所示。

圖3修改開關(guān)柜剖面的拼接結(jié)構(gòu)

表2改進開關(guān)柜自然振動頻率

通過比較表1和表2，不難發(fā)現(xiàn)改進前在X方向和Y方向上的固有頻率開關(guān)柜為10.3赫茲和8.8赫茲；分別是。改進后開關(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。這表明開關(guān)柜的抗震性能經(jīng)過改進后有了很大的提高，上述改進措施是有效可行的。

摘要

根據(jù)核電工程的抗震要求，分析了開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，提出了針對性的改進措施，并通過實驗手段驗證了改進措施的有效性。

綜上所述，在開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度和強度滿足要求的情況下，通過三維連接件實現(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)生相對位移；通過增加插頭增強螺紋連接強度，提高開關(guān)柜框架抗震性能效果明顯，實施簡單方便。

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