基于反應譜法的1E 級配電盤抗震性能試驗

劉大虎，張強升,*，江國梁

（1. 生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 山東泰開成套電器有限公司，泰安 271000）

隨著化石能源的消耗，核電作為一項技術成熟的清潔能源受到了廣泛的關注。正常運行工況下，核電產生的污染物遠低于火電，運行成本也低于光伏、風電等其他新能源[1]。早期，我國核電設備嚴重依賴進口，隨著國家的引進、消化、吸收、創新等途徑，國產核電設備迅速發展起來，但相應試驗檢測技術和規定相對落后[2，3]。核電廠1E級380 V低壓配電盤可為供電采用動力中心（PC）和電動機控制中心（MCC）等廠用電設備供電，是核電廠的重要設備，要求核電廠在地震情況下能夠正常運行或安全停堆、防止放射性物質向環境過量排放，并保證設備性能完備，完成對儀表、電氣設備的供電。

設備質量鑒定是通過論證分析、試驗方法或運行經驗證明設備在運行條件下能否按規定完成動作[4，5]。論證分析法以運行經驗和物理定律為基礎，運用數學模型對設備按規定完成動作的可行性進行邏輯推導；型式試驗法是通過模擬惡劣環境驗證設備在規定時間內的功能；運行經驗法是通過收集類似設備在相近環境下的運行數據驗證設備的安全功能。由于我國對1E 級設備應用經驗和數據積累不足，且受限于設備數學模型的準確性，因此，需要采用不同方法的組合驗證設備質量。我國lE級380 V低壓配電盤的質量鑒定依據主要為核安全導則、IEEE、IEC、GB、RCC-E及相關行業標準[6]。

王思潤等學者采用Workbench模擬仿真開關柜在地震作用下的變形，并用振型分解反應譜法對核電1E 級F-C 交流金屬封閉開關設備進行了抗震分析[7]。李明成等學者結合國內外設備鑒定的實踐經驗制定了1E 級充電器、逆變器的鑒定方案，對元器件評估、性能及應力試驗、EMC 試驗、抗震試驗、軟件鑒定等環節進行了重點剖析[8]。

本文分析了某核電站1E 級380 V 低壓配電盤的抗震性能結構設計需求，結合《核電廠安全系統電氣設備抗震檢定》（GB 13625—1992）等標準，提出低壓配電盤的抗震性能試驗方法，重點介紹了核電設備抗震要求、采用人工標準反應譜設計、試驗方法過程，最后，通過試驗實例證明此方法切實可行。

1 1E級低壓配電盤設計

百萬千瓦級核電站的380 V低壓配電盤安全等級為1E級，鑒定等級為K3，為核島廠房內的應急廠用設備供電。除了應具有常規產品的性能，在抗震及抗老化方面均有更高的要求：柜體使用壽命40 年，安全級元器件使用壽命20年，在地震工況及規定的事故條件下能夠安全運行。

為提高設備的抗震性能，配電盤結構設計沿用柜體與可抽出單元的抽屜式設計，主母線室、電纜室、抽屜室等功能小室嚴密隔離，防止故障擴散[9]。底盤與底部隔板整體設計，保證固定橫梁剛度和地板牢固；采用雙立柱結構柜體，骨架部位加厚滑塊和三角支架處的連接。三相主母排裝于配電盤頂部，從柜體側面延伸至變壓器頂部；母線安裝在配電盤下方，緊密布置在柜體邊，保證接地連續性。為使一次和二次電纜從柜頂和柜底進入電纜室，將電纜室設計為后開門方式。為了方便現場布線并安裝走線槽，端子排前方預留出二次電纜的走線空間。抽屜單元分為8E/4、8E/2、8E、16E、24E 共5 種類型，通過操作手柄控制，并加3 把掛鎖鞏固定位。8E/4、8E/2 抽屜采用“燕尾槽”式結構與底軌配合，保證抽屜的整體抗震性能；8E、16E、24E 抽屜設計為上下、左右限位的結構，實現前后鎖定功能，使抽屜緊密連接在柜體上，提高配電盤的抗震性能。低壓配電盤框架設計如圖1所示。

配電盤柜體骨架及側板都使用優質敷鋁鋅板，抗腐蝕強，且具有良好的接地性能；內部功能板絕緣件選用進口PA66+30%玻璃纖維材料，不含鹵素，具備阻燃特性；電纜及導線符合1E 級K3類設計要求，低煙、無鹵、阻燃；繼電器體積小、動作穩定可靠。1E 級低壓配電盤基本技術參數詳見表1。

圖1 低壓配電盤框架設計圖Fig.1 Low-voltage switchboard frame design

表1 1E級低壓配電盤基本技術參數Table 1 Basic technical parameters of 1E grade low voltage switchboard

2 設計反應譜分析

我國對核電廠抗震計算方法中的計算模型建立、設備阻尼設定、反應譜分析中響應譜頻譜值、時程分析中計算時長以及載荷組合方式等已有明確規定。

2.1 抗震性能要求

基于Housner和Hodson提出的二級地震設計方法，核電廠兩級地震分別指代的是安全停堆地震（SSE）和運行基準地震（OBE）。美國原子能委員會（USAEC）給出了安全停堆地震和運行基準地震的定義[10]：

OBE：在設計基準期內，年超越概率為0.2%的地震，其峰值加速度不小于0.075g。通常為核電廠能正常運行的地震震動[11]。

SSE：在設計基準期內，年超越概率為0.01%的地震，其峰值加速度不小于0.15g。通常為核電廠可能遭受的最大地震震動。發生SSE 地震時，安全重要物項仍需保持下列功能：（1）反應堆冷卻劑壓力邊界的完整性；（2）具有關停反應堆并將其保持在安全停堆狀態下的能力；（3）事故引起的廠外照射水平達到允許限制時，具有防止或減輕這類事故后果的能力[11]。

學者普遍認為：極限安全地震應作為優先控制的地震載荷，在此基礎上推導出的OBE 地震動能夠達到較高的置信度，二者的量級關系為：

2.2 迭代擬合設計反應譜

具體工況中，支撐不同電氣設備的樓層經受由建筑物結構傳送的振動波，建筑物結構在某種程度上將由地面傳送的地震波加以過濾或者將這種地震波的作用放大。

地震波輸入分析形式有設計反應譜、功率譜密度、設計運行時程等。1941年，Biot等人提出用反應譜理論描述結構動力特性與地震動特性之間的動力關系[12]。反應譜分析方法基于線性迭加原理又稱為振型疊加法。首先，用動力學方法計算質點體系地震反應，建立反應譜。然后，用加速度反應譜計算結構最大慣性力，以此作為結構的等效地震荷載。最后，按照靜力方法進行結構計算，設計地震作用。

i 振型j 質點的水平方向地震作用可用式（2）求解：

式中，Fij——i振型j質點的水平地震作用；

ξ——結構的實際阻尼比；

αij——相應i振型自振周期的水平地震影響系數；

γi——i振型的參與系數；

Xij——i振型j質點在X方向的水平相對位移；

Gj——j質點的重力荷載。

水平地震影響系數α 為質點在地震時以重力加速度g為單位的最大反應加速度，取值方式為：

當0≤Te≤0.1時：

當0.1 ≤Te≤Ts時：

當Te≥Ts

式中，αmax——水平地震影響系數最大值；

Te——結構自振周期；

Ts——樓面特征周期；

T——地震波持續時間。

當把結構模型簡化成平面結構進行分析時，采用平方和的平方根法（SRSS方法），如式（6）所示；當采用空間協同分析或空間分析方法時，考慮空間各振型的相互影響，采用完全二次方程法（CQC方法）[13]，如式（7）所示。

式中，S——振型組合后的彎矩、剪力、軸力或位移[13]；

m——需參加組合的振型數；

Si——由i 振型等效地震荷載求出的彎矩、剪力、軸力或位移；

Sr——由r 振型等效地震荷載求出的彎矩、剪力、軸力或位移；

pir——i振型與r振型的相關系數。

j 質點的加速度即樓層上設備的輸入加速度由公式（8）計算可得[14]；

j質點的樓層反應譜可以由式（9）求得；

地震運動時程曲線Z（t）（0≤t≤T）和反應譜Sj（Te，ξ）關系如式（10）所示。

式中，h（τ，ξ）——振子的單位脈沖響應函數。

在設計反應譜方法中，阻尼對求解的結果影響很大。試驗中，將控制盤、柜的阻尼比設置為臨界阻尼比的5%～7%（在焊接的情況下為4%）；電纜托架的阻尼比設置為臨界阻尼比的10%（在焊接的情況下為4%）。

3 現場抗震試驗方法研究

抗震試驗基本原則是以一定安全裕度系數模擬在設備固定點處由地震產生的假定運動，在該設備上對在規定的運行條件下的OBE和SSE地震期間及以后執行安全功能的能力進行檢查。

抗震試驗中，配電盤應以模擬現場實際安裝的方式固定在抗震試驗臺上。采用8個M20的螺栓安裝在剛性底座上，剛性底座采用M30 螺栓和振動臺臺面剛性連接。試驗期間，配電盤主回路不受電，僅控制回路受電，需要考慮電氣接線和傳感信號管線的影響。試驗中，將與低壓配電盤面板水平平行方向定義為X軸向，將與之垂直的水平方向定義為Y軸向，將配電盤豎直向上的方向定義為Z軸向。設備抗震性能試驗分析方法如圖2所示。

圖2 1E 級設備抗震性能分析方法Fig.2 Seismic performance analysis method for 1E equipment

試驗期間，需要對振動臺的運動進行監測，以檢查參考運動的正確性，并通過適當的振動測量來確定所施加的振動加速度。試驗中選取足夠5個測點作為最有代表性的測量點，每個測點均包含X、Y、Z 3個方向，可以在振動臺臺面和配電盤上安裝足夠數量的振動傳感器及其信號處理設備，具有代表性的測點包括距振動臺的最遠點MA1、試驗頻率范圍內有可能產生共振的大物件上的點MA4、固定點的受力MA5，都應該有測量點以便測量和分析臺面和配電盤的振動特性。試驗測點布置如圖3所示。

圖3 設備試驗中的測點布置圖Fig.3 Test point layout on the switchboard

3.1 動態探查試驗

利用反應譜求最大地震響應時，需要先進行固有頻率和振型的計算。動態探查試驗在抗震試驗前進行，用來測定設備的自振頻率。地震時，樓層的運動是在所有方向上同時發生的，樓層反應譜可分解到3個主軸方向，探查試驗也需分別在3軸方向做自振分析。

同時在X、Y、Z 3個正交軸向輸入0～50 Hz頻率范圍的白噪聲隨機波進行激振，加速度幅值為0.2g，持續時間為20 s，試驗測得配電盤的自振頻率。對設備進行動態探查試驗期間，當某一頻率下產生機械共振，使實測的強度與激振強度之比（放大系數）大于2時，即可確定為自振頻率。如圖4所示，試驗時加速度測點MA1處X 方向的傳遞函數，從圖中可知MA1 處X 方向的自振頻率約為12.0 Hz。

其他試驗測點測得的3個正交軸向自振頻率與MA1 處X 方向的傳遞函數同理，測得的配電盤各加速度測點的自振頻率詳見表2。通過對1E級低壓配電盤進行白噪聲法動態探查試驗，測得配電盤在X軸向的自振頻率為12.0 Hz，Y軸向的自振頻率為19.5 Hz，Z軸向的自振頻率為25.9 Hz。

圖4 加速度測點MA1處X方向的傳遞函數Fig.4 Transfer function in the X direction at the acceleration measurement point MA1

表2 配電盤各加速度測點測得的自振頻率Table 2 Resonance frequency measured by each acceleration test point of the switchboard

3.2 OBE地震試驗

抗震試驗包括OBE 和SSE 地震試驗，均采用多頻波法在配電盤的3 個正交軸向同時進行激振，即采用獨立加速度時程的三軸試驗。在SSE 地震試驗前，需要完成5 次OBE 地震試驗。試驗目的是驗證發生概率最大的地震時不會損害試驗件的性能，也不會產生疲勞和老化，即使地震實際存在而未被探測出時也不會在隨后發生的SSE 地震中導致設備性能出現故障。采用地震液壓臺臺面加速度信號作為完成OBE 和SSE 地震試驗的控制信號。試驗中，取OBE=1/2SSE，OBE 和SSE 地震試驗阻尼比均取5%。

OBE 地震試驗中配電盤在振動臺上的固定方式與動態探查試驗相同，在水平和垂直方向同時施加人工模擬加速度時程，此波形由OBE地震反應譜求出，試驗次數為5次，每次試驗持續時間30 s。

本文采用的樓板反應譜RRS 為某核電工程電氣和連接廠房11.3 m 標高處樓層反應譜。試驗前，通過計算機軟件將X、Y、Z 3個方向的反應譜轉換成人工模擬加速度時程。用于OBE 試驗的X 軸向人工地震波反應譜如圖5 所示。在OBE試驗時，對X、Y、Z 3個正交軸向輸入的人工地震波放大10%，確保試驗中人工地震波的反應譜包絡要求的反應譜。試驗時，配電盤所處最高樓層及最大加速度作為產品進行抗震試驗時的依據。OBE試驗X軸向臺面加速度反應譜如圖6所示。

在5次OBE地震試驗期間和試驗后，配電盤結構無裂痕，螺釘、螺母沒有松動和脫落，無損傷及變形。X、Y、Z 3 個軸向的試驗反應譜（TRS）均包絡了要求反應譜（RRS）。5 次OBE地震試驗期間，對配電盤進行不間斷功能檢測，數據表明監測通道數據均無不正常跳動，數據正常。

圖5 OBE地震試驗X軸向人工地震波反應譜Fig.5 OBE artificial seismic wave response spectrum along X direction

圖6 OBE 試驗X軸向臺面加速度反應譜Fig.6 OBE acceleration response spectrum along X direction

3.3 SSE地震試驗

5次OBE地震試驗完成后，采用SSE人工模擬加速度時程作為輸入完成1 次SSE 地震試驗，試驗時間為30 s。

SSE 地震試驗前和試驗后，對配電盤負荷、電氣及機械條件進行了檢查，配電盤柜體無裂縫，螺釘螺母無松動脫落現象，機械操作部件功能保持完好；配電盤各個功能單元在運行、試驗、隔離等位置操作靈活；配電盤參數無不正常變化，各項性能符合標準要求。SSE地震試驗期間，X、Y、Z 3 個軸向的TRS 均包絡了RRS，對配電盤進行不間斷功能檢測，數據表明監測通道數據均無不正常跳動，配電盤各個功能單元能夠正常運行、關合、開斷及實現保護設計功能，各項性能符合要求。

4 結論

基于核電配電設備對于應對地震特殊工況下的性能要求，本文分析了1E 級380 V 低壓配電盤設計需求。結合IEEE、IEC、GB、RCC-E文件，提出基于設計反應譜的低壓配電盤抗震性能分析方法，實例分析表明，此方法能夠準確驗證配電盤抗震性能。此方法能為我國1E 級低壓配電盤的抗震性能分析提供思路，為我國核電廠建設設備提供安全評估方法。