低壓成套開關(guān)設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)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(jīng)成為世界經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的能源，同時，核電的安全也成為全世界最關(guān)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(fā)生且危害較大的地震災(zāi)害，是核電行業(yè)最為關(guān)注的事件，為了避免地震發(fā)生時核電廠的設(shè)備出現(xiàn)失效，就必須要保證核電廠抗震I類設(shè)備的抗震能力達到在地震發(fā)生時和發(fā)生后仍能正常運行。核電廠有大量的低壓成套開關(guān)設(shè)備需要滿足抗震I類的要求，能可靠執(zhí)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(shè)備進行抗震性能評估。

1 低壓成套開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)

1.1 從總體形式上分

（1）固定式，開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的主要電氣元件均為固定安裝，導(dǎo)電回路均采用螺栓連接。這種形式的開關(guān)設(shè)備內(nèi)部連接穩(wěn)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(xiàn)故障，就必須停電，檢修周期較長。

（2）抽出式，開關(guān)設(shè)備內(nèi)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(nèi)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(guān)設(shè)備的滑動連接部位是薄弱環(huán)節(jié)，較易因電流陡變、操作振動、地震等因素，出現(xiàn)接觸不良而導(dǎo)致故障。但滑動連接或電氣元件及其連接回路出現(xiàn)故障時，只需要抽出故障抽屜，插入同規(guī)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(guān)設(shè)備的可用率，而故障抽屜可以返廠修理。抽出式開關(guān)設(shè)備應(yīng)從設(shè)計、工藝、裝配精度等方面保證同規(guī)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(jié)構(gòu)工藝上分

（1）焊接式，焊接式柜體的結(jié)構(gòu)強度高，只要焊接工藝控制好，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(xiàn)尺寸誤差、變形等問題，一旦誤差大于設(shè)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(guān)鍵，還需要進行防焊蝕墊的鋪設(shè)，防止焊接時對設(shè)備侵蝕。

（2）拼裝式，柜體零部件采用緊固件連接裝配。其優(yōu)勢有易調(diào)節(jié)、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(yù)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(dāng)。因為開關(guān)設(shè)備的總體骨架大都為立柱加橫梁的框架結(jié)構(gòu)，拼裝不好易出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，要保證整體結(jié)構(gòu)強度、對角線在誤差范圍內(nèi)、防止柜體在運輸和震動時的扭曲變形，當(dāng)然，柜體內(nèi)部的安裝板、頂板、底板、側(cè)封板等拼接合理也會增加開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度[2]。

2 柜體結(jié)構(gòu)抗震分析

室內(nèi)安裝的低壓成套開關(guān)設(shè)備，以GB13625和GB50260為標準，使用動態(tài)分析法和反應(yīng)譜分析法。以HAFJ0053和GB13625為標準，設(shè)置邊界條件。基于核電廠地質(zhì)情況和建筑結(jié)構(gòu)，假設(shè)結(jié)構(gòu)是線彈性多自由度體系，我們決定采用振型分解反應(yīng)譜法為計算方法[3]。

（1）前處理。由于開關(guān)設(shè)備內(nèi)安裝有復(fù)雜的框架斷路器、載流母線、絕緣支撐件等結(jié)構(gòu)，故而決定使用等重和等體積的立方體質(zhì)量塊作為替代品。在進行開關(guān)設(shè)備骨架計算時以板殼結(jié)構(gòu)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(jīng)分析，開關(guān)設(shè)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(wǎng)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(yīng)力梯度比較高的區(qū)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(guān)設(shè)備的地震反應(yīng)譜的分析結(jié)果疊加結(jié)構(gòu)本身的靜力載荷。這是由于進行分析時，開關(guān)設(shè)備會因為重力作用而發(fā)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(yīng)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(tài)分析。模態(tài)指機械結(jié)構(gòu)本身所具有的振動特性，以其為基，可以展開對整體結(jié)構(gòu)的頻率和振型以及各方向的質(zhì)量參與系數(shù)的分析。筆者在進行模態(tài)分析時實現(xiàn)了對模型的約束。開展了對前50階固有頻率的求解。

模態(tài)結(jié)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(zhì)量參與系數(shù)為92.15%和89.63%，該結(jié)果符合GB50260標準。而在進行前50階模態(tài)分析中，垂直方向的Z軸向沒有出現(xiàn)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(yīng)譜合成中可以不再對其Z軸進行分析。該結(jié)構(gòu)的第一平動周期和扭轉(zhuǎn)周期分別是13 Hz和34 Hz。相鄰振型周期比是0.383，這個結(jié)果是遠遠低于標準中的0.9，所以在接下來響應(yīng)譜分析中采用SRSS合成法。

（4）響應(yīng)普分析。針對于前面各階振型的模態(tài)分析結(jié)果，采用要求反應(yīng)譜（主要是加速度和頻率），進行對結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)值的求解分析。設(shè)備所在建筑的樓層反應(yīng)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(yīng)譜

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

3 結(jié)束語

在SSE地震發(fā)生時，要求開關(guān)設(shè)備主體結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件在彈性變形范圍內(nèi)，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(xiàn)柜體垮塌或者變形較大等問題，證明柜體結(jié)構(gòu)剛度好，元器件安裝穩(wěn)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。