低壓成套開關設備的抗震結構設計分析

（江蘇華冠電器集團有限公司，常州 213000）

0 引言

核電是國際用電的主要來源之一，已經成為世界經濟發展不可或缺的能源，同時，核電的安全也成為全世界最關心的問題。切爾諾貝利事件、三里島事件、福島事件觸目驚心。作為容易發生且危害較大的地震災害，是核電行業最為關注的事件，為了避免地震發生時核電廠的設備出現失效，就必須要保證核電廠抗震I類設備的抗震能力達到在地震發生時和發生后仍能正常運行。核電廠有大量的低壓成套開關設備需要滿足抗震I類的要求，能可靠執行其安全功能。文章以仿真軟件ANSYS Workbench進行地震模擬，對低壓成套設備進行抗震性能評估。

1 低壓成套開關設備的結構

1.1 從總體形式上分

（1）固定式，開關設備內部的主要電氣元件均為固定安裝，導電回路均采用螺栓連接。這種形式的開關設備內部連接穩定性及可靠性較高，但檢修比較麻煩，主要電氣元件及其連接回路一旦出現故障，就必須停電，檢修周期較長。

（2）抽出式，開關設備內部的主要電氣元件安裝在可抽出的抽屜單元中，抽屜單元與柜內母線及其控制回路采用可插拔的滑動連接。這種形式的開關設備的滑動連接部位是薄弱環節，較易因電流陡變、操作振動、地震等因素，出現接觸不良而導致故障。但滑動連接或電氣元件及其連接回路出現故障時，只需要抽出故障抽屜，插入同規格的完好抽屜，問題就解決了，不會影響正常供電，大大提高了開關設備的可用率，而故障抽屜可以返廠修理。抽出式開關設備應從設計、工藝、裝配精度等方面保證同規格抽屜的一致性、柜體的一致性，以確保抽屜的互換性[1]。

1.2 從柜體結構工藝上分

（1）焊接式，焊接式柜體的結構強度高，只要焊接工藝控制好，其結構穩定、抗震性能很強。但它也有很明顯的缺點，即在焊接時容易出現尺寸誤差、變形等問題，一旦誤差大于設計要求就很難進行修正，柜體焊好后還需要進行整體表面噴涂防腐。

為了保證焊接的誤差降到最低，要確保零部件材料的韌性達到足夠的要求，焊接過程的工藝控制包括焊材選用也很關鍵，還需要進行防焊蝕墊的鋪設，防止焊接時對設備侵蝕。

（2）拼裝式，柜體零部件采用緊固件連接裝配。其優勢有易調節、可直接采用表面處理過的防腐蝕板材加工、美觀、標準化、可預生產庫存、柜體尺寸精度高等。但連接點不如焊接牢固、柜體強度低、裝配繁瑣等。

拼裝式柜體對結構設計要求更高，需保證零部件的加工精度達標、裝配順序合理、緊固件選用恰當。因為開關設備的總體骨架大都為立柱加橫梁的框架結構，拼裝不好易出現扭曲現象，要保證整體結構強度、對角線在誤差范圍內、防止柜體在運輸和震動時的扭曲變形，當然，柜體內部的安裝板、頂板、底板、側封板等拼接合理也會增加開關設備的結構強度[2]。

2 柜體結構抗震分析

室內安裝的低壓成套開關設備，以GB13625和GB50260為標準，使用動態分析法和反應譜分析法。以HAFJ0053和GB13625為標準，設置邊界條件。基于核電廠地質情況和建筑結構，假設結構是線彈性多自由度體系，我們決定采用振型分解反應譜法為計算方法[3]。

（1）前處理。由于開關設備內安裝有復雜的框架斷路器、載流母線、絕緣支撐件等結構，故而決定使用等重和等體積的立方體質量塊作為替代品。在進行開關設備骨架計算時以板殼結構作為標準進行操作，建立CAE模型需要采用抽取中界面的方式。

經分析，開關設備所使用的材料主要是覆鋁鋅鋼板（骨架部分）和銅排（母線部分）。所以為了確保計算精度，在進行操作時將網格均勻分成四邊形單元（在排除載荷的情況下邊長是5 mm），針對于應力梯度比較高的區域需要使用高階單元的方法進行劃分。

（2）靜力分析。在進行分析時，筆者采用將開關設備的地震反應譜的分析結果疊加結構本身的靜力載荷。這是由于進行分析時，開關設備會因為重力作用而發生剛度的變化，從而影響其原本的自振頻率，所以為了防止頻率的改變，筆者決定以靜力分析為開頭步驟，繼而進行反應譜分析。針對于底部與地面的連接處添加垂直方向的重力加速度。

（3）模態分析。模態指機械結構本身所具有的振動特性，以其為基，可以展開對整體結構的頻率和振型以及各方向的質量參與系數的分析。筆者在進行模態分析時實現了對模型的約束。開展了對前50階固有頻率的求解。

模態結果出來后，對其進行分析，在水平方向上的X軸向和Y軸向的質量參與系數為92.15%和89.63%，該結果符合GB50260標準。而在進行前50階模態分析中，垂直方向的Z軸向沒有出現明顯的共振頻率（垂直方向的自振頻率大于50 Hz），所以在接下來的反應譜合成中可以不再對其Z軸進行分析。該結構的第一平動周期和扭轉周期分別是13 Hz和34 Hz。相鄰振型周期比是0.383，這個結果是遠遠低于標準中的0.9，所以在接下來響應譜分析中采用SRSS合成法。

（4）響應普分析。針對于前面各階振型的模態分析結果，采用要求反應譜（主要是加速度和頻率），進行對結構最大響應值的求解分析。設備所在建筑的樓層反應譜如圖1所示，安全停堆SSE地震（它的幅值為標準的OBE地震的兩倍），阻尼比為5%，以SSE地震（選擇條件更加苛刻）作為激勵值進行計算。

圖1 樓層反應譜

（5）載荷合成及結果。在地震發生時，開關設備需要承受來自樓面加速度造成的動力響應和本體靜力載荷的作用力。故而需要組合反應譜分析與靜力分析的結果，分析顯示承重梁和結構的最大等效應力分別是207 Pa和242 Pa，在分析過程中，開關設備的最大位移出現在柜頂區域，為2.9 mm。為避免出現承重梁受力過載或應力集中的情況，在設計時要對承重梁改變形狀或加固結構，開關設備的八個頂點，即柜體拼接的角落部位，增設角部件加以支撐，以分散應力，防止扭曲或斷裂，角部件設計成三角形撐板為最佳。為降低地震載荷作用下結構出現慣性力，避免引起共振，需要提高開關設備的本體結構剛度，如改變立柱和橫梁的結構形狀，或增加其板材厚度。

3 結束語

在SSE地震發生時，要求開關設備主體結構中各構件在彈性變形范圍內，緊固件沒有明顯松動，元器件和零部件沒有明顯位移或掉落，沒有出現柜體垮塌或者變形較大等問題，證明柜體結構剛度好，元器件安裝穩定牢固并能正常操作運行，才能滿足它在核電廠的使用要求。