核電廠應急柴油機電控系統機柜結構設計方案

李 琦，武曉旭，周 勇，朱鵬樹

（1.中廣核研究院有限公司北京分公司，北京 100086；2.大亞灣核電運營管理有限公司，廣東深圳 518124）

應急柴油發電機組（以下簡稱“EDG”）是核電廠重要的專設安全設施，包括柴油發電機本體、輔助系統和電控系統三部分，能接受電廠信號和控制，當失去正常電源時為應急母線提供應急電力供應，保障反應堆安全。電控系統是EDG的重要組成部分，主要實現邏輯控制、轉速調節、電氣保護、狀態監測和報警等功能，常被譽為EDG的大腦，其安全穩定可靠運行直接影響EDG的可用性。

1 技術要求

EDG要求在核電廠失去外部電源的情況下為應急母線提供電源，要求與應急供電相關的系統和設備能夠在正常條件和事故條件均能執行其安全功能.因此，電控系統機柜不僅要滿足技術指標要求（以某核電廠技術規格書要求為例），還需滿足K3類鑒定要求：

（1）機柜為戶內型金屬封閉式柜體，防護等級為IP31；

（2）柜體框架采用鋼型材制造，為垂直地面安裝的自持式結構，由螺釘或焊接連接構成；

（3）機柜抗震等級為SSE1（O），柜體強度滿足所在廠房樓層地震譜對應的抗震能力；

（4）鑒定要求為K3類，應滿足環境適應性、電磁兼容等相應要求。

2 機柜詳細設計

2.1 整體設計

某核電廠EDG電控系統安全級控制柜，機柜整體采用Q235B鋼板制造，外形尺寸為800 mm×800 mm×2200 mm。機柜由柜體框架、前門、后門、側板、上標識板、底部擋板等構成。機柜內部布置如圖1所示，機柜內部分為前后安裝2部分，各有1個獨立的安裝布置空間，分別根據功能要求安裝繼電器、斷路器，功能模塊及端子排等元器件；側面板安裝溫濕度控制器及防潮加熱器。柜內設計導軌和走線槽螺栓固定在安裝板上，分別用來安裝元器件和固定柜內走線。前門開孔安裝控制按鈕、指示燈、儀表等設備。

圖1 機柜布置圖

2.2 框架設計

主框架主要由立柱、橫梁和底座構成，采用3 mm鈑金焊接。主框架焊接完成后使用3 mm鈑金包裹，整體焊接制造成機柜主體，確保柜體的整體性，如圖2所示。

圖2 機柜框架

框架立柱由2根3 mm鈑金立柱焊接而成，結構疊加，強度增強；立柱中間分段焊接立柱支撐板，分散立柱承受的剪切力，如圖3所示；立柱長邊開陣列方孔，使得機柜框架在保證強度的同時，減輕整體重量。立柱與立柱之間焊接橫梁固定。橫梁采用C型結構，封閉邊開陣列圓孔減重，同時為前后安裝板過線提供空間；橫梁上下兩短邊等距攻絲以方便自由選擇使用安裝板固定孔。底座采用100 mm×100 mm×10 mm的角鋼焊接，四角焊接墊塊加固，保證底座強度。

圖3 立柱截面圖

2.3 柜殼設計

機柜前、后門采用外掛式鉸鏈連接，門板內部焊接加強筋增加強度；機柜側板采用內嵌式螺栓固定。前、后門及側板安裝金屬導電密封條，柜體對應位置涂銀基導電漆。前、后門焊接接地連接螺栓，機柜組裝完成后使用接地線接地。

圖4 機柜通風設計

機柜采用下進線、上出風方式，自然散熱。通風孔分別設計在機柜前后門的下方和頂板四邊，板內側相應位置安裝防塵海綿，如圖4所示，空氣由門板通風孔進入，隨柜內元器件啟動、釋放熱量，空氣受熱膨脹，上升至機柜頂部，從機柜頂板通風孔排出。

3 電磁兼容設計

柜體內部前后各有一個獨立的安裝布置空間，如功能分級有需求，可將安全級和非安全級元器件分別安裝在前后安裝板，確保安全級和非安全級的物理隔離；機柜前、后門及側板安裝金屬導電密封條，柜體對應位置涂銀基導電漆，確保柜體內部防電磁干擾。

電磁兼容要求機柜具有良好的接地連續性，接地分為工作接地和屏蔽接地。機柜門板接地螺栓與機柜使用編織銅線連接，實現機柜的整體電連續性。柜體底部安裝2個接地銅排，工作接地主要通過連接機柜內的接地銅排接地；屏蔽接地通過連接安裝在絕緣柱上的接地銅排，連接信號的屏蔽層。

3.1 IP防護設計

機柜防護等級為IP31，可防止直徑不小于2.5 mm的固體異物進入柜體，且垂直方向滴水對機柜設備不產生有害影響。機柜前、后門及頂板通風孔內側均安裝有防塵海綿，可以防止固體異物侵入；機柜頂板、側板和上標識板邊緣貼有橡膠防水密封條，門板貼有金屬密封條，均可有效地防止水滴浸入，避免損壞器件。

3.2 抗地震分析

機柜結構除須具備能夠滿足SSE1（O）的抗地震性能要求外，柜體的強度要求必須具有與所在廠房樓層地震譜相對應的抗震能力。使用仿真分析，依據現場廠房樓層地震反應譜的包絡譜，對機柜地震反應譜進行有限元建模計算、模態分析，得出機柜結構在設計工況下產生的最大應力值，與許用應力值相比較，以此判斷機柜結構是否滿足要求。通過對機柜結構使用模擬仿真分析，可以在機柜結構加工前分析結構設計過程存在的問題和缺陷，并及時加以改進，提高機柜結構的可靠性和安全性，提高了生產效率，節約了制造時間和成本。如圖5、圖6所示。

圖5 地震工況下機柜應力分布圖

圖6 機柜抗地震試驗

此電控系統機柜已經過抗震分析計算，驗證了柜體在要求的地震反應譜條件下不會發生變形、開裂和坍塌等故障；同時制作了鑒定樣機進行抗地震試驗，驗證了機柜能在要求的地震反應譜條件下的地震過程中和地震后都能執行其既定的的安全級功能。

4 結束語

電控系統是EDG項目中的重要部分，對為應急柴油發電機組提供邏輯控制、轉速調節、電氣保護、狀態監測和報警等功能，保障應急柴油發電機組的正常運行起到關鍵作用。本文主要從框架設計、電磁兼容設計、IP防護設計和抗地震分析方面詳細介紹了EDG電控系統核安全級機柜的結構設計方案。本方案通過力學仿真分析，并進行了樣機的鑒定試驗，結果滿足核安全級設備技術要求。EDG項目電控系統已按照本方案進行多個核電項目設備供貨，機柜結構設計已獲得核電現場認可。本設計方案可以為核安全級機柜設計標準化提供可供借鑒的依據，節省后續制造樣機、鑒定試驗的時間和成本，提高設計和生產效率。