核电1E级低压开关柜抗震结构分析及改进方案
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宁波天安（集团）股份有限公司的研究人员盛晓艳、徐德勤，在2019年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，抗震试验作为核电1E级低压开关柜鉴定的重要内容之一，其目的是通过在模拟地震试验台上对样机进行振动试验，来考核开关柜的抗震性能及功能件的动作情况。
本文以首次抗震试验结果为基础，对低压开关柜结构进行分析，提出相应改进方案，并通过改进前后试验结果的对比验证结构改进的有效性。为提高开关柜结构抗震性能，提供解决方案。
地震的破坏能量巨大，严重时会给地面建筑、电力设备、通信设备等带来毁灭性的损伤。汶川大地震后，如何在地震发生后迅速恢复电力设备的运行，给低压开关柜设计人员及制造商带来了新课题。
由于目前行业内没有形成统一的低压开关柜抗震试验标准或相关规范要求，本文以核电1E级设备鉴定的抗震试验部分内容为讨论对象，寻求具有广泛性，可在行业内推广应用的开关柜抗震性能提升方案。
1 核电1E级
对于核电厂而言，1E级被定义为电气系统设备的安全级，它是完成反应堆紧急停堆，安全壳隔离，堆芯应急冷却，反应堆余热导出，反应堆厂房的热导出，防止放射性物质向周围环境大量排放等功能所必须的。对于1E级低压开关柜而言，其安全功能包括：1E级电源分配；1E级负荷及其他重要设施的供电及控制。
2 设备鉴定
设备鉴定是通过分析、试验或运行经验获得证据，确保设备一经要求就能投入运行且满足系统性能要求。其实质是提供书面的证据，以证明鉴定对象在核电厂相应的运行工况下、设计基准事件期间及之后的规定时间内能够可靠地执行所要求的安全功能。
抗震鉴定是设备鉴定中的一部分。抗震试验主要是为了验证1E级开关柜在合格寿命期末发生的S1地震（运行基准地震OBE）和S2地震（安全停堆地震SSE）期间及之后仍能保持其结构及安全功能的完整性。
3 开关柜抗震性能判定
构筑物或物体的自振频率取决于其自身的物理特性（质量、弹性和阻尼分布）及减振器和支承物的自由振动频率。对核电1E级低压开关柜而言，设备与铺设在地面或楼板的基础槽钢焊接固定，没有减振器。
当样机与试验台之间固定方式类同时，对比试验测得的自振频率是考核开关柜抗震性能较为直观的方式。开关柜在某个方向上的自振频率越高，开关柜在这个方向上的抗震能力就越强。
4 改进前开关柜基本框架结构
本文中所讨论的试验样机为1E级MNS低压开关柜。开关柜沿用了行业内通行的设计思路和做法，采用全组装式结构。开关柜基本框架结构由C型材组装而成，框架的立柱与深梁、横梁拼接处采用L形角板联接，联接件与型材之间采用自攻螺钉紧固。
为提高开关柜的抗震性能，1E级低压开关柜的框架外立柱采用了C型材双拼结构，型材之间采用平面联接板固定，紧固件同样采用自攻螺钉。开关柜骨架基本结构如图1，型材拼接处结构如图2所示。
图1 开关柜骨架基本结构
图2 改进前开关柜型材拼接结构
5 改进前开关柜自振频率测定
开关柜自振频率测定，是抗震试验中的一个步骤。试验在模拟地震试验台上进行，采用20mm厚钢板模拟开关柜安装现场的楼板，开关柜与基础之间、开关柜基础与钢板之间均采用焊接方式连接，钢板与地震试验台之间采用螺栓固定。
在试验样机框架顶部左右两侧各布置一组（X、Y、Z方向）加速度传感器，用以监测地震输入运动和开关柜框架的响应。采用白噪声随机波扫描方式（即X、Y、Z三方向0.5～50Hz，0.1～0.2g白噪声输入，振动持续时间120s）寻找开关柜在X、Y、Z轴向的自振频率。
改进前开关柜抗震试验样机为本公司核安全1E级鉴定时制作的抗震试验样机。通过试验测定改进前开关柜的自振频率见表1。抗震试验报告显示，开关柜框架结构有变形、紧固螺钉有松动现象。试验过程中可以明显观察到开关柜顶部摇摆。
表1 改进前开关柜自振频率
6 开关柜框架结构分析
6.1 开关柜框架结构螺纹联接强度分析
针对开关柜抗震试验后有螺钉松动现象，对开关柜的框架组装，螺纹联接紧固进行分析。
开关柜框架组装所采用的紧固件均为M6（GB/T 6560）自攻螺钉，其螺距为1mm；联接件上开孔均为通孔；C型材的板材厚度为2mm。不难看出，板件与螺钉之间咬合的螺纹仅1～2牙，联接强度取决于C型材的材料强度。
在开关柜生产过程中，如遇到零件需要多次拆装，C型材上的模数孔在多次被攻丝后易发生破坏。这也意味着，依靠自攻螺钉在C型材上攻丝进行紧固的方式，在抗震试验过程中，发生螺纹联接失效的风险是存在的。
6.2 开关柜框架结构抗震性能分析
在核安全1E级鉴定过程中，本公司委托上海核工程研究设计院对抗震试验样机结构进行了抗震计算和应力评定。采用有限元法对低压开关柜样机结构进行了在自重载荷下的静态分析、模态分析和地震载荷下的动态反应分析。计算、评定结果表明开关柜框架结构件所受的应力小于构件自身的应力限值，最大应力部位发生在立柱底部。
开关柜的框架在各个平面上都是矩形结构，属于特殊的平行四边形，其结构件受到外力作用容易发生位移。此外，从图2中不难发现，在立柱与横梁、深梁的联接处，仅实现了各平面两维度的联接；双拼的两根立柱在其末端各自通过L形联接板与横梁、深梁联接；在X、Y、Z三方向的地震冲击合力作用下，结构件之间的相对位移导致的开关柜框架变形风险较大。
7 开关柜框架结构改进措施
7.1 开关柜框架结构螺纹联接加强措施
由于开关柜框架结构已基本定型，C型材形状、材料厚度、材质已没有改进的空间，因此考虑由增大螺纹副联接长度入手提高螺纹联接强度。基于这个思路，通过利用型材内部空间，在型材内部添加带有螺纹孔的塞块，将自攻螺钉改为六角头螺栓，延长螺栓的长度，来实现螺纹联接强度的提升。
7.2 开关柜框架结构抗震性能加强措施
根据前文所述，在开关柜框架结构已基本定型，且结构件强度满足要求的情况下，优先考虑通过加强结构件之间联接、定位，避免在外力作用下发生结构件相对位移来增强框架结构的抗震性能。
用三角形支撑板（角板）代替L形联接件能够较好的保证立柱与横梁、深梁之间的垂直度。但考虑到开关柜主母排连接、柜间控制电缆穿越的需要，能够加装角板的拼接位置非常有限，无法达到提高开关柜框架结构抗震性能的目的。因此想到，设计一个三维度联接件，以同时保证立柱与深梁、横梁在三个维度上的定位及联接强度，以此来提高开关柜框架结构的抗震性能。
三维度联接件的形式如图3所示，通过该联接件可完成双拼立柱末端型材之间的定位；立柱与横梁、深梁联接处的定位、联接；通过联接件，可使立柱与横梁、深梁在X、Y、Z三个方向上均发生关联；通过联接件的开孔尺寸保证型材之间的相对位置，从而达到提高开关柜框架结构抗震性能的目的。
8 改进后开关柜抗震试验
开关柜结构改进后抗震试验样机为某核电项目抗震试验样机，试验样机安装方式、加速度传感器布置方式与结构改进前一致。通过白噪声随机波扫描方式测定改进后开关柜的自振频率见表2。
图3 改进后开关柜型材拼接结构
表2 改进后开关柜自振频率
通过表1和表2的对比不难发现，改进前开关柜在X方向上的自振频率为10.3Hz、Y方向上的自振频率为8.8Hz；改进后开关柜在X方向上的自振频率为12Hz、Y方向上的自振频率为11Hz；两者皆有明显的提升。这说明开关柜的抗震性能在改进后有了较大提升，同时说明前文所述改进措施是有效可行的。
本文以核电项目抗震要求为基础，通过对开关柜框架结构薄弱环节进行分析，提出具有针对性的改进措施，并通过试验手段验证了改进措施的有效性。
综合前文所述，在开关柜框架结构件刚度、强度满足要求的情况下，通过三维度联接件实现立柱与横梁、深梁之间的定位，避免结构件之间相对位移的发生，通过添加塞块增强螺纹联接强度，对提高开关柜抗震能力效果较为明显，且方法简单、便于实施。
这种改进方式也可以推广到行业内常规产品中，为提高开关柜类产品抗震性能提供参考方案。