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》雜志上指出，抗震試驗是核電1E低電壓開關柜的重要內(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果，對低壓開關柜的結構進行分析，提出相應的改進方案，并通過對比改進前后的試驗結果，驗證結構改進的有效性。為了改善開關柜結構的抗震性能，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、電力設備、通訊設備等帶來毀滅性的破壞。汶川地震后，如何在震后快速恢復電力設備的運行，給低電壓開關柜的設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)一的低電壓開關柜抗震試驗標準或相關規(guī)范要求，本文以核電1E設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)設備的安全等級。必須完成反應堆緊急停堆、安全殼隔離、反應堆堆芯緊急冷卻、反應堆廢熱輸出、反應堆廠房熱輸出以及防止大量放射性物質排放到周圍環(huán)境的功能。1E級低電壓開關柜時，其安全功能包括:1E級配電；1E級負荷和其他重要設施的供電和控制。

設備鑒定

設備鑒定是通過分析、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。其實質是提供書面證據(jù)，證明被評估對象在設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。

地震鑒定是設備鑒定的一部分。地震試驗主要是驗證1E 開關柜級的S1地震(運行參考地震OBE)和S2地震(安全停堆地震SSE)的結構和安全完整性在合格壽命期間和之后仍能保持。

3 開關柜抗震性能測定

結構或物體的自然振動頻率取決于其自身的物理特性(質量、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級低壓開關柜來說，設備被焊接并固定到鋪設在地面或樓板上的基礎槽鋼上，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柜抗震性能的更直觀的方法。某個方向上開關柜的固有頻率越高，該方向上開關柜的抗震能力越強。

4 開關柜改進前的基本框架結構

本文討論的測試原型是1E級MNS低電壓開關柜。開關柜遵循業(yè)界流行的設計理念和實踐，采用完全組裝的結構。開關柜基本框架結構由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。

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

圖1 開關柜骨架的基本結構

圖2改進前開關柜剖面的拼接結構

5改進前開關柜自然頻率測量

開關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。開關柜連接到基礎上，開關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和右側，用于監(jiān)測地震輸入運動和開關柜框架的響應。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柜的頻率。

改進前開關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 開關柜由試驗確定?？拐鹪囼瀳蟾骘@示開關柜框架結構變形，緊固螺釘松動。在測試過程中，很明顯可以觀察到開關柜頂部搖擺。

表1 開關柜改進前的自然頻率

6 開關柜框架結構分析

6.1 開關柜框架結構螺紋連接強度分析

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

開關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險。

6.2 開關柜框架結構抗震性能分析

在核安全1E級鑒定過程中，公司委托上海核工程研究設計院對抗震試驗樣機的結構進行抗震計算和應力評估。采用有限元方法對自重荷載作用下低壓開關柜的原型結構進行了靜力分析、模態(tài)分析和動力響應分析。計算和評估結果表明，0+框架結構的應力小于構件本身的應力極限，最大應力出現(xiàn)在柱底。

開關柜的框架在每個平面上都是一個矩形結構，屬于一個特殊的平行四邊形。它的結構構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，結構構件之間的相對位移引起開關柜框架變形的風險相對較高。

7 開關柜框架結構改進措施

7.1 開關柜框架結構螺紋連接的加強措施

由于開關柜框架結構已經(jīng)基本定型，C形截面的形狀、材料厚度和材料質量沒有改進的余地，考慮增加螺紋副的連接長度，以提高螺紋的連接強度?；谶@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 開關柜框架結構抗震性能加固措施

綜上所述，當開關柜框架結構已基本定型，結構構件的強度滿足要求時，應優(yōu)先加強結構構件之間的連接和定位，以避免結構構件在外力作用下的相對位移，提高框架結構的抗震性能。

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，無法達到提高開關柜框架結構抗震性能的目的。因此，認為設計三維節(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，從而提高開關柜框架結構的抗震性能。

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，從而達到提高開關柜框架結構抗震性能的目的。

改進后的8 開關柜抗震試驗

開關柜結構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構改進前一致。通過白噪聲隨機波掃描測得的開關柜的改進固有頻率如表2所示。

圖3修改開關柜剖面的拼接結構

表2改進開關柜自然振動頻率

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柜為10.3赫茲和8.8赫茲；分別是。改進后開關柜，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，分析了開關柜框架結構的薄弱環(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，在開關柜框架結構構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，避免結構構件之間發(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，為提高開關柜產(chǎn)品的抗震性能提供了一種參考方案。