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抗震試驗(yàn)作為核電1E級(jí)低壓開關(guān)柜鑒定的重要內(nèi)容之一，其目的是通過在模擬地震試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)樣機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，來考核開關(guān)柜的抗震性能及功能件的動(dòng)作情況。

本文以首次抗震試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)低壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)改進(jìn)方案，并通過改進(jìn)前后試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性。為提高開關(guān)柜結(jié)構(gòu)抗震性能，提供解決方案。

地震的破壞能量巨大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)給地面建筑、電力設(shè)備、通信設(shè)備等帶來毀滅性的損傷。汶川大地震后，如何在地震發(fā)生后迅速恢復(fù)電力設(shè)備的運(yùn)行，給低壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)人員及制造商帶來了新課題。

由于目前行業(yè)內(nèi)沒有形成統(tǒng)一的低壓開關(guān)柜抗震試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)規(guī)范要求，本文以核電1E級(jí)設(shè)備鑒定的抗震試驗(yàn)部分內(nèi)容為討論對(duì)象，尋求具有廣泛性，可在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用的開關(guān)柜抗震性能提升方案。

1  核電1E級(jí)

對(duì)于核電廠而言，1E級(jí)被定義為電氣系統(tǒng)設(shè)備的安全級(jí)，它是完成反應(yīng)堆緊急停堆，安全殼隔離，堆芯應(yīng)急冷卻，反應(yīng)堆余熱導(dǎo)出，反應(yīng)堆廠房的熱導(dǎo)出，防止放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境大量排放等功能所必須的。對(duì)于1E級(jí)低壓開關(guān)柜而言，其安全功能包括：1E級(jí)電源分配；1E級(jí)負(fù)荷及其他重要設(shè)施的供電及控制。

2  設(shè)備鑒定

設(shè)備鑒定是通過分析、試驗(yàn)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)獲得證據(jù)，確保設(shè)備一經(jīng)要求就能投入運(yùn)行且滿足系統(tǒng)性能要求。其實(shí)質(zhì)是提供書面的證據(jù)，以證明鑒定對(duì)象在核電廠相應(yīng)的運(yùn)行工況下、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件期間及之后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠可靠地執(zhí)行所要求的安全功能。

抗震鑒定是設(shè)備鑒定中的一部分。抗震試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證1E級(jí)開關(guān)柜在合格壽命期末發(fā)生的S1地震（運(yùn)行基準(zhǔn)地震OBE）和S2地震（安全停堆地震SSE）期間及之后仍能保持其結(jié)構(gòu)及安全功能的完整性。

3  開關(guān)柜抗震性能判定

構(gòu)筑物或物體的自振頻率取決于其自身的物理特性（質(zhì)量、彈性和阻尼分布）及減振器和支承物的自由振動(dòng)頻率。對(duì)核電1E級(jí)低壓開關(guān)柜而言，設(shè)備與鋪設(shè)在地面或樓板的基礎(chǔ)槽鋼焊接固定，沒有減振器。

當(dāng)樣機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)之間固定方式類同時(shí)，對(duì)比試驗(yàn)測(cè)得的自振頻率是考核開關(guān)柜抗震性能較為直觀的方式。開關(guān)柜在某個(gè)方向上的自振頻率越高，開關(guān)柜在這個(gè)方向上的抗震能力就越強(qiáng)。

4  改進(jìn)前開關(guān)柜基本框架結(jié)構(gòu)

本文中所討論的試驗(yàn)樣機(jī)為1E級(jí)MNS低壓開關(guān)柜。開關(guān)柜沿用了行業(yè)內(nèi)通行的設(shè)計(jì)思路和做法，采用全組裝式結(jié)構(gòu)。開關(guān)柜基本框架結(jié)構(gòu)由C型材組裝而成，框架的立柱與深梁、橫梁拼接處采用L形角板聯(lián)接，聯(lián)接件與型材之間采用自攻螺釘緊固。

為提高開關(guān)柜的抗震性能，1E級(jí)低壓開關(guān)柜的框架外立柱采用了C型材雙拼結(jié)構(gòu)，型材之間采用平面聯(lián)接板固定，緊固件同樣采用自攻螺釘。開關(guān)柜骨架基本結(jié)構(gòu)如圖1，型材拼接處結(jié)構(gòu)如圖2所示。


圖1  開關(guān)柜骨架基本結(jié)構(gòu)

5  改進(jìn)前開關(guān)柜自振頻率測(cè)定

開關(guān)柜自振頻率測(cè)定，是抗震試驗(yàn)中的一個(gè)步驟。試驗(yàn)在模擬地震試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，采用20mm厚鋼板模擬開關(guān)柜安裝現(xiàn)場(chǎng)的樓板，開關(guān)柜與基礎(chǔ)之間、開關(guān)柜基礎(chǔ)與鋼板之間均采用焊接方式連接，鋼板與地震試驗(yàn)臺(tái)之間采用螺栓固定。

在試驗(yàn)樣機(jī)框架頂部左右兩側(cè)各布置一組（X、Y、Z方向）加速度傳感器，用以監(jiān)測(cè)地震輸入運(yùn)動(dòng)和開關(guān)柜框架的響應(yīng)。采用白噪聲隨機(jī)波掃描方式（即X、Y、Z三方向0.5～50Hz，0.1～0.2g白噪聲輸入，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間120s）尋找開關(guān)柜在X、Y、Z軸向的自振頻率。

改進(jìn)前開關(guān)柜抗震試驗(yàn)樣機(jī)為本公司核安全1E級(jí)鑒定時(shí)制作的抗震試驗(yàn)樣機(jī)。通過試驗(yàn)測(cè)定改進(jìn)前開關(guān)柜的自振頻率見表1。抗震試驗(yàn)報(bào)告顯示，開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)有變形、緊固螺釘有松動(dòng)現(xiàn)象。試驗(yàn)過程中可以明顯觀察到開關(guān)柜頂部搖擺。

表1  改進(jìn)前開關(guān)柜自振頻率

6  開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)分析

6.1  開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)螺紋聯(lián)接強(qiáng)度分析

針對(duì)開關(guān)柜抗震試驗(yàn)后有螺釘松動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)開關(guān)柜的框架組裝，螺紋聯(lián)接緊固進(jìn)行分析。
開關(guān)柜框架組裝所采用的緊固件均為M6（GB/T 6560）自攻螺釘，其螺距為1mm；聯(lián)接件上開孔均為通孔；C型材的板材厚度為2mm。不難看出，板件與螺釘之間咬合的螺紋僅1～2牙，聯(lián)接強(qiáng)度取決于C型材的材料強(qiáng)度。

在開關(guān)柜生產(chǎn)過程中，如遇到零件需要多次拆裝，C型材上的模數(shù)孔在多次被攻絲后易發(fā)生破壞。這也意味著，依靠自攻螺釘在C型材上攻絲進(jìn)行緊固的方式，在抗震試驗(yàn)過程中，發(fā)生螺紋聯(lián)接失效的風(fēng)險(xiǎn)是存在的。

6.2  開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

在核安全1E級(jí)鑒定過程中，本公司委托上海核工程研究設(shè)計(jì)院對(duì)抗震試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震計(jì)算和應(yīng)力評(píng)定。采用有限元法對(duì)低壓開關(guān)柜樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在自重載荷下的靜態(tài)分析、模態(tài)分析和地震載荷下的動(dòng)態(tài)反應(yīng)分析。計(jì)算、評(píng)定結(jié)果表明開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)件所受的應(yīng)力小于構(gòu)件自身的應(yīng)力限值，最大應(yīng)力部位發(fā)生在立柱底部。

開關(guān)柜的框架在各個(gè)平面上都是矩形結(jié)構(gòu)，屬于特殊的平行四邊形，其結(jié)構(gòu)件受到外力作用容易發(fā)生位移。此外，從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，在立柱與橫梁、深梁的聯(lián)接處，僅實(shí)現(xiàn)了各平面兩維度的聯(lián)接；雙拼的兩根立柱在其末端各自通過L形聯(lián)接板與橫梁、深梁聯(lián)接；在X、Y、Z三方向的地震沖擊合力作用下，結(jié)構(gòu)件之間的相對(duì)位移導(dǎo)致的開關(guān)柜框架變形風(fēng)險(xiǎn)較大。

7  開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

7.1  開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)螺紋聯(lián)接加強(qiáng)措施

由于開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)已基本定型，C型材形狀、材料厚度、材質(zhì)已沒有改進(jìn)的空間，因此考慮由增大螺紋副聯(lián)接長(zhǎng)度入手提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度。基于這個(gè)思路，通過利用型材內(nèi)部空間，在型材內(nèi)部添加帶有螺紋孔的塞塊，將自攻螺釘改為六角頭螺栓，延長(zhǎng)螺栓的長(zhǎng)度，來實(shí)現(xiàn)螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的提升。

7.2  開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能加強(qiáng)措施

根據(jù)前文所述，在開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)已基本定型，且結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求的情況下，優(yōu)先考慮通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件之間聯(lián)接、定位，避免在外力作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)件相對(duì)位移來增強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

用三角形支撐板（角板）代替L形聯(lián)接件能夠較好的保證立柱與橫梁、深梁之間的垂直度。但考慮到開關(guān)柜主母排連接、柜間控制電纜穿越的需要，能夠加裝角板的拼接位置非常有限，無法達(dá)到提高開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。因此想到，設(shè)計(jì)一個(gè)三維度聯(lián)接件，以同時(shí)保證立柱與深梁、橫梁在三個(gè)維度上的定位及聯(lián)接強(qiáng)度，以此來提高開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

三維度聯(lián)接件的形式如圖3所示，通過該聯(lián)接件可完成雙拼立柱末端型材之間的定位；立柱與橫梁、深梁聯(lián)接處的定位、聯(lián)接；通過聯(lián)接件，可使立柱與橫梁、深梁在X、Y、Z三個(gè)方向上均發(fā)生關(guān)聯(lián)；通過聯(lián)接件的開孔尺寸保證型材之間的相對(duì)位置，從而達(dá)到提高開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。

8  改進(jìn)后開關(guān)柜抗震試驗(yàn)

開關(guān)柜結(jié)構(gòu)改進(jìn)后抗震試驗(yàn)樣機(jī)為某核電項(xiàng)目抗震試驗(yàn)樣機(jī)，試驗(yàn)樣機(jī)安裝方式、加速度傳感器布置方式與結(jié)構(gòu)改進(jìn)前一致。通過白噪聲隨機(jī)波掃描方式測(cè)定改進(jìn)后開關(guān)柜的自振頻率見表2。


表2  改進(jìn)后開關(guān)柜自振頻率

通過表1和表2的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)前開關(guān)柜在X方向上的自振頻率為10.3Hz、Y方向上的自振頻率為8.8Hz；改進(jìn)后開關(guān)柜在X方向上的自振頻率為12Hz、Y方向上的自振頻率為11Hz；兩者皆有明顯的提升。這說明開關(guān)柜的抗震性能在改進(jìn)后有了較大提升，同時(shí)說明前文所述改進(jìn)措施是有效可行的。

總結(jié)
本文以核電項(xiàng)目抗震要求為基礎(chǔ)，通過對(duì)開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出具有針對(duì)性的改進(jìn)措施，并通過試驗(yàn)手段驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。

綜合前文所述，在開關(guān)柜框架結(jié)構(gòu)件剛度、強(qiáng)度滿足要求的情況下，通過三維度聯(lián)接件實(shí)現(xiàn)立柱與橫梁、深梁之間的定位，避免結(jié)構(gòu)件之間相對(duì)位移的發(fā)生，通過添加塞塊增強(qiáng)螺紋聯(lián)接強(qiáng)度，對(duì)提高開關(guān)柜抗震能力效果較為明顯，且方法簡(jiǎn)單、便于實(shí)施。

這種改進(jìn)方式也可以推廣到行業(yè)內(nèi)常規(guī)產(chǎn)品中，為提高開關(guān)柜類產(chǎn)品抗震性能提供參考方案。