標準電氣柜抗震性能評定與改進

大亞灣核電運營管理有限責任公司 李吉生 韓 帥 河海大學結構抗震實驗室 阮善發 初文婷

電力系統中的電氣設備故障將嚴重影響城市居民正常生活及運轉[1]，而核電站設備的故障造成的安全隱患更為嚴重。承載電力系統運營的電氣柜是完成電氣功能的重要載體，電氣柜抗震能力的好壞直接關系到設備履行其規定功能的能力。

電氣柜的抗震能力主要通過兩種方式驗證：有限元計算分析和抗震試驗，兩種方法各有優缺點，有時兩種方法同時進行[2]，有限元計算可以分析結構的應力分布情況，實現試驗方法無法達到的對結構應力的全面了解，但電氣性能則無法確定，優點是可以降低成本。而抗震試驗不但能監測電氣設備關鍵部位的應力與加速度響應值，同時也能監測電氣設備的功能，較好地判斷電氣設備在地震作用下履行其功能的能力，缺點是試驗費用高，測點數量有限，設備試驗后無法繼續使用等。在一些地震設防地區或重要的運行場所如核電站等，電氣設備必須進行抗震考核，以驗證其抗震能力[3]。

1 研究對象及其抗震試驗測點布置

1.1 研究對象及其改進措施

本次研究對象為智能分布式現地監控設備，柜內裝有風機、供電監控機箱、智能I/O機箱、各種參數的微機測量裝置、雙微機同期裝置、繼電器控制裝置等。電氣柜尺寸為800mm× 600mm×2200mm，主體結構為2mm厚鋼板經折彎制成C型橫梁與立柱，頂框及底框與立柱之間連接方式為焊接，橫梁與立柱之間為螺栓連接，框架與底板用螺栓連接或焊接。該裝置主要用于水電站和核電站的計算機監控。為了解該類設備在地震環境下的適應性，對電氣柜及電氣柜框架依據文獻[4]的有關技術要求進行抗震試驗研究。

考慮在不同使用環境下的不同要求，試驗分兩部分完成：原型樣機抗震考核及原型樣機框架在模擬荷載下的抗震考核。原型樣機框架就是將原電氣柜內所有插箱、裝置及部件抽出，按文獻[4]的要求，對電氣柜框架施加仿真荷載，即在上部各層插箱內每層加上25kg的荷載，從上到下共五層，荷載箱符合文獻[4]的要求，機柜框架最下層荷載箱內放置90kg荷載。

荷載插箱在電氣柜內的安裝方式與原內部電氣裝置的安裝方式一樣，每個插箱用4個M6螺栓緊固在內立柱上，前后立柱之間仍用滑軌聯接。樣機與轉接底板用4只M10螺栓固定，模擬設備與基礎間的螺栓連接方式。電氣柜在完成Ⅰ、Ⅱ級地震考核試驗后，通過對共振特性分析發現電氣柜的共振頻率下降較多，為使后續高量級的抗震試驗能順利進行下去，對電氣柜與基礎的連接方式及整體結構進行加固，即將所有連接螺栓進行緊固，底框除螺栓連接外，還進行點焊處理。

由于抗震試驗用樣機為一般性通用性樣機，結構經過抗震設計后可以滿足八度地震的抗震要求，但對于高強度的Ⅲ級地震來說很難通過抗震考核，為此須對電氣柜的結構進行改進與特殊加固，具體做法是在框架內側兩個側面與背面用X型斜拉桿進行固定，X型斜拉桿的截面是一個用2mm厚鋼板折彎成的C型結構；底板橫梁與豎梁及頂部橫梁與豎梁連接處用專用角鐵構件通過螺栓緊固，該角鐵構件由5mm厚鋼板制成，三個面互成90°，每個面均為等腰三角形，這樣的加固方式不僅減少了豎直梁與橫梁連接處的應力集中，也降低了機柜幾何變形的幅度，提高了機柜整體剛度。

另外，眾多的抗震試驗結果與有限元分析結果證實，機柜與基礎之間的連接螺栓附近是應力最為集中的地方之一，所以除了上面的加固措施外，在底板與轉接板之間的連接螺栓附近焊接加強筋，使得連接螺栓附近的應力得以擴散，減少應力集中對結構的損傷。加固后的結構簡圖如圖1所示，其中A圖為機柜側面加固結構示意圖，B圖為機柜背面加固結構簡圖。加固完成后重新進行共振特性探查試驗與第Ⅲ級地震考核試驗，最后對裝有偽荷載的電氣柜框架進行Ⅲ級地震的抗震考核。

圖1 電氣柜加固后的結構簡圖

1.2 測點布置

抗震考核目的是考慮樣機內部主要部件的抗震性能，由于外殼僅僅起到防護作用，所以外殼的振動特性不作為監測目標，考慮被檢樣機結構特點與實際安裝情況，為減少研究內容的篇幅，只討論樣機轉接板、中間點及頂部的地震響應與共振特性。電氣柜框架配載及傳感器布置如圖2所示，A1、A2及A3為布置在原型機柜上的三向加速度傳感器測點，E1和E2為原型機柜立柱根部側面和正面相互垂直的兩個應變測點；A4、A5及A6為布置在機柜框架上的三向加速度傳感器測點，激勵方向定義為：柜門法向定義為x向，沿柜門方向定義為y向，豎直向定義為z向。同樣E3和E4為機柜框架立柱根部側面和正面相互垂直的兩個應變測點，各測點位置如圖2所示。

圖2 樣機及框架測點布置圖

2 不同安裝方式下電氣柜與框架的共振特性分析

用臺面轉接板上的加速度計檢測信號作為激勵信號，其余測點加速度信號作為響應信號，兩者之間做傳遞函數分析，得到結構的共振頻率，分析結果見表1。試驗結果不難看出，無論是哪種安裝方式，z向的共振頻率均高于x向與y向。改進后電氣柜各向共振頻率高于改進前的電氣柜，這說明其剛度有了明顯的提高。同時，改進后的電氣柜地震考核試驗前后共振頻率下降幅度小于改進前的電氣柜，表明改進后的電氣柜抗震能力更好。無論是改進前還是改進后的電氣柜與框架，其中心位置的共振頻率與其頂部的共振頻率都保持一致，結構整體性較好。電氣柜框架各測點共振特性見表2。

表1 電氣柜各測點共振頻率（Hz）

表2 電氣柜框架各測點共振頻率（Hz）

3 不同安裝條件下地震響應分析

樣機考核采用文獻[4]中闡述的有關技術要求，考核量級分3個等級，見表3。所使用的反應譜如圖3所示，圖中藍色曲線為文獻[4]中提供的折線譜，紅色曲線為使用專用軟件將折線譜經轉換后生成地震波所對應的臺面驅動信號反應譜。為了滿足試驗考核量級要求，臺面響應信號反應譜要求包絡驅動信號反應譜。經過系統迭代后的驅動波激勵臺面，測得電氣柜各測點的加速度及應變響應峰值見表4，從表4不難發現，Ⅰ、Ⅱ級地震試驗，電氣柜在水平向加速度與應變響應峰值隨著量級的變化近似按比例增加，而豎直向加速度響應增加較多。

表3 地震考核等級表（m/s2）

表4 電氣柜各測點加速度及應變響應峰值（加速度單位為：m/s2，應變單位為：με）

圖3 抗震考核采用的反應譜

加固后的電氣柜，同量級的抗震考核某些測點的加速度響應會減小，較為明顯的是，由于結構的強度得到較大的改善，機柜的變形減少，所測得立柱根部的應變值有較大幅度的降低。相比于電氣柜的地震響應，電氣柜框架加速度響應規律性較好，由下而上基本成線性放大，由于偽重力荷載的重量大于實際內裝電氣單元重量，除電氣柜各測點的共振頻率略有下降外，立柱根部的應變值也有所增大，電氣柜框架各測點的加速度及應變響應峰值見表5。

表5 電氣柜框架各測點加速度及應變響應峰值（加速度單位為：m/s2，應變單位為：με）

4 電氣柜框架的有限元抗震模擬分析與電氣性能鑒定

用于核電站或其他地震設防地區的電氣設備均需通過兩方面抗震考核，一方面考核其在設定的地震荷載作用下的機械性能，如樣機外殼是否變形、焊縫是否開裂、柜門緊固性、立柱受力情況及柜內設備支架的可靠性等；另一方面監測電氣設備在地震發生期間能否履行其功能[4-5]。然而有時受客觀條件限制，如特別大的樓層反應譜，無法通過模擬地震振動臺的抗震試驗進行考核，或者以前類似設備已經做過抗震試驗，而現在因為抗震量級的改變需要重新認證時，有限元抗震分析不失為一種比較好的鑒定手段，而現代完善的數值模擬分析技術手段使得抗震分析成為可能。

有限元數值模擬分析可以計算出電氣設備各構件的振型、某點的加速度、位移及應力等，計算結果能清楚展現各參數最大值所發生的位置，但一般的有限元計算無法確定樣機的電氣性能，除非以往有類似的抗震鑒定資料可供參考。對于結構較簡單、形態規則的樣機做不同類型或不同量級的反應譜計算分析具有較大優勢，鑒定成本較低，計算結果相對準確。表5展示了電氣柜框架在加固后的試驗結果與有限元計算結果對比，有限元對各測點對應位置的加速度值使用Block Lanczos方法進行特征提取，通過分解獲得x、y、z三向加速度值，與試驗結果對比發現兩者之間的相對誤差較小，滿足抗震鑒定要求。

為了解決計算無法鑒定樣機電氣性能抗震問題，可采用低成本的試驗與計算相結合的方法：即選取電氣設備中一些關鍵部件如控制單元、開關類電氣單元、蓄電池單元等作為考核對象，結合結構特點及實際使用情況，依據文獻[5]的有關規定，在電磁振動臺上對電氣單元進行正弦掃頻抗震試驗，試驗時除觀察電氣單元機械性能外，還監測其電氣性能。

考慮到后續抗震反應譜ZPA的值可能涉及的比較大的值，所以試驗時盡可能將電氣柜內各部件的考核量級做到部件失效或抗震設備使用能力的上限為止（如有需要），記錄各單元部件的電氣性能特征或工作狀態，并對抗震后樣機的機械性能和電氣性能進行檢查。當用有限元對電氣設備進行抗震計算時，逐一抽取電氣設備內已經做過抗震試驗的各電氣單元所在位置的三向加速度值，將其與試驗記錄的加速度響應值進行比較確定該電氣單元電氣性能能否滿足抗震要求，利用這種方法解決了電氣柜有限元數值模擬分析中無法解決的電氣性能抗震考核的問題。

5 結語

電氣柜的結構形式決定設備抗震考核的動態響應與抗震能力。標準電氣柜及其框架的共振頻率較低，在Ⅰ、Ⅱ級地震情況下，加速度響應較小，而立柱根部的應力則較大。強震下電氣柜較大的位移可能導致柜門打開、內部安裝電氣單元損壞及結構剛度下降等。經過改進后的電氣柜的剛度受地震影響明顯小于改進前電氣柜，因動態變形導致的立柱根部應力明顯減小，電氣柜與框架的整體性較好，有限元計算結果與試驗結果較為吻合。利用有限元計算抽取電氣柜內電氣單元所在位置的加速度響應，并與電氣單元抗震試驗數據進行比較，確定在某考核量級下電氣設備的電氣性能能否滿足抗震要求。