預制艙機架結構分析與優化設計

呂志娟， 殷帥兵

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

智能變電站預制艙采用標準化設計、標準化建設理念，經過多個試點工程驗證，取得了較大的建設效益。2014年二次設備預制艙外形尺寸寬度方向擴展為2800 mm，以便于設備運行維護，“前接線、前顯示”裝置結構屏柜雙列靠墻布置方式已得到廣泛應用。預制艙整體面積更為緊湊，變電站建設成本更低、綠色環保，但機柜通常為標準的800 mm尺寸，框架占用空間大，在狹小的預制艙內，空間利用率低。機架式結構是一種簡化的標準19 in設備安裝結構，艙內設備容納率更高；機架與艙體一體化設計的應用增強了機架的結構穩定性，艙內空間利用率更高。

本文以二次設備預制艙機架結構設計為研究對象，針對國網標準（I、II、III）型預制艙機架的新結構方案進行模態分析，并對機架進行優化設計，提升機架結構強度，提高預制艙機架結構的安全性與可靠性；改變傳統機柜配線到艙內安裝的串行作業為并行作業形式，二次設備接線和艙內調試工作效率得以極大提高，預制艙交付周期縮短，變電站建設周期加快，建設成本降低。

1 預制艙機架結構

變電站二次設備預制艙采用的是國網企標Q/GDW11157-2014 中 標 準（I、II、III）型 艙，預 制艙內機架采用雙列靠墻布置方案，機架內裝置為前接線方式，艙內空間利用率極大提升。預制艙采用預制線纜實現一次設備與二次設備之間的電纜、光纜標準化連接，采用一體化機架框架、獨立功能單元的機架結構設計思路，設計了“一體式機架框架”及“模塊化功能單元”相結合的新型機架結構方案，出廠前完成艙內接線及調試工作，實現二次設備的即插即用。

1.1 一體式機架框架結構設計

1）一體式機架框架其安裝格局配置為一系列成對的垂直立柱結構件，每相鄰倆模塊單元可共用一件機架立柱，每對垂直立柱在深度方向采用前端面落差式設計，每組模塊單元右側自然形成一個縱向檢修空間，用于模塊化功能單元中屏端子布置及電纜、光纜等走線及后期檢修使用。整個機架范圍內的設備，均可通過每單元右側縱向檢修空間及下端橫向線纜通道實現內部行線系統，覆蓋內部所有設備；同時，機架立柱下端做切面設計，預留出足夠空間作為線纜通道及檢修通道，設備之間的連接通暢。

2）機架框架按照位置順序依次放置于艙內底座機架支撐處，并通過底座、后端橫向連接架及頂部橫向連接板實現與預制艙底座、墻壁、頂部天花板三向連接，結構牢固，安全性高。

3）利用機架下部附件安裝區的有限空間，設計輔助功能模塊結構，其上端面兩端設置縱向滑道，作為承載模塊化功能單元結構主要支撐面；其本體框架用于安裝存纖盒結構，解決多余尾纜的盤收問題，實現尾纜、接地銅排等附件的集中安裝，模塊化組裝效率高；且整體輔助功能模塊結構與機架左右框架連接，機架框架結構強度提高。預制艙機架結構如圖1所示。

圖1 預制艙機架示意圖

4）預制艙機架結構尺寸設計。高度方向：結合機架頂部一體化風道空間占用需求，機架選用2300 mm高度規格，可滿足艙體、設備安裝、運行維護等方面的要求。寬度方向：根據二次設備安裝及配線檢修實際需用空間，寬度選用700 mm規格，滿足二次設備及其他裝置19 in（482.6 mm）規格安裝，以及右側縱向檢修通道安裝空間需求。深度方向：考慮機箱在機柜內必須有空間散熱，由于左右側空間不大，需利用前后方的空間，因此二次設備機架采用550 mm深度。綜上所述，二次設備機架規格采用2300 mm×700 mm×550 mm（高×寬×深）。

1.2 模塊化功能單元結構設計

機架與艙體一體成型后，若在艙內進行設備、附件的安裝及配線工作，會導致二次組合設備的串行生產，并且在艙內狹小環境內進行設備安裝及配線工作，會因為操作空間小、工作強度大而延長生產周期，同時難保證施工質量、統一施工工藝。為實現預制艙內二次設備安裝、接線、調試工作與預制艙生產同步進行、并行作業，對機架設備安裝構件進行結構優化設計——獨立模塊化功能單元結構設計（獨立的模塊化、高集成度前接線裝置功能設備安裝單元結構），可獨立運輸，獨立進行設備的配線、安裝及調試工作，解決上述串行及艙內生產問題，同時提高在后期改擴建或運維工作效率，方便施工、服務運維。

充分利用機架內設備安裝空間，對多間隔設備進行集成安裝，模塊化功能單元結構上端設為空開安裝區，左側為設備安裝區，右側為電氣配線安裝區，整體結構承載裝置設備及配線功能；裝置安裝、接線、端子配線工作一氣呵成，各功能模塊分工明確，安裝、使用過程各工序工作流暢。所有模塊安裝結構內的線纜歸攏到線纜通道內，基本完成了單個機架單元的電氣設備安裝、配線工作。

1）空開安裝區。空開采用3U面板，設備單元區對應空開安裝于該區域，采取嵌入式安裝在設備單元內部，防止空開誤碰操作。

2）設備安裝區。設備區為開放式結構，便于巡視空開及各設備運行狀態，采用標準19 in尺寸前接線設備；設備上下相鄰面板模塊設計為19 in前接線形式，保持與設備前端面平齊及理線方式統一。

3）附件安裝檢修區。位于機架右側，采用單獨開門模式，該區域用于布置屏端子、線纜、光纜的安裝、布設、轉接區域，該區間高度與設備安置區一致。

模塊化功能單元結構組裝完成后（包括前面板布置），需使用模塊工裝組件進行臨時支撐，解決整體重心前傾隱患及轉運問題，保證模塊化功能單元轉運作業安全進行，模塊工裝組件可循環使用。

1.3 模塊化裝配設計

模塊化功能單元結構完成裝置安裝及配線工作后，利用底座平面結構直接擱置在機架的附件安裝架上端，向內推到位后，利用緊固件將前端面兩側縱向安裝孔與機架框架立柱相對應安裝孔緊固安裝，再將其余結構組件逐一進行裝配，即可完成整套預制艙機架的結構搭建。機架內各設備安裝模塊都是遵循方便安裝、易于運維、標準規格設計、模塊插接固定的宗旨，因此在進行機架內設備安裝及后期設備改擴建工作時，操作靈活方便、安裝施工快捷準確。模塊化功能單元結構示意圖和示例圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 模塊化功能單元結構示意圖

圖3 模塊化功能單元結構實例圖

1.4 機架結構空間利用率對比分析

1）空間利用分析（如表1）。

表1 屏柜（機架）數量對比

屏柜模式時，220 kV二次設備預制艙預制艙共需屏柜17面，110 kV及主變二次設備預制艙共需屏柜24面；機架模式時，220 kV二次設備預制艙預制艙共需機架11面，110 kV及主變二次設備預制艙共需機架13面；節省屏柜約46%。

2）屏柜（機架）占用空間對比（如表2）。

表2 屏柜（機架）占用艙內總長度mm

屏柜模式時，220 kV二次設備預制艙預制艙選用6.2 m規格預制艙，110 kV及主變二次設備預制艙選用9.2 m規格預制艙。

機架模式時，220 kV二次設備預制艙預制艙選用6.2 m規格預制艙，但可節省艙內屏柜（機架）布置空間約12%；110 kV及主變二次設備預制艙選用6.2 m規格預制艙，可節省艙體投資成本約28%和占地面積33%。因機架式結構裝置模塊安裝形式改變、結構更為緊湊，空間利用率更高。

2 預制艙機架分析

2.1 機架承重工況的有限元分析

基于ANSYS Workbench有限元分析軟件，建立機架的有限元分析模型，并對模型進行簡化處理和網格劃分。機架所采用的材料為Q235鋼，其密度為7850 kg/m3，彈性模量E=200 GPa，泊松比為0.3。機架的底部固定于預制艙底座上，背部的橫向后連接板固定于預制艙墻體上，頂部通過頂部連接件與預制艙頂部連接，因此以上3種部位均為固定約束（Fixed Support）。本次分析以5組機架為例，每組上面簡化掉的模型質量和設備質量（模塊化功能單元結構）共200 kg，通過等效應力施加于機架相應位置。通過仿真分析得到圖4所示的機架變形云圖。

圖4 機架結構變形云圖

從圖2可以看出，機架在承重工況下的最大變形量為0.07 mm，變形量很小。根據GB 50017-2003《鋼結構設計規范》，機架高度h=2569 mm，其允許變形h/400=6.42 mm，機架的實際最大變形0.07 mm遠小于6.42 mm的最大允許變形量要求，說明機架結構變形情況滿足規范要求。

2.2 機架的模態分析

模態分析用于確定機械結構的固有頻率及在各階振型固有頻率下的固有振型和變形量等振動特性。模態分析是動力學分析的基礎，為其他動力學分析提供了振動數據基礎。

機架的底部、背部的橫向后連接板及機架頂部連接件固定約束（Fixed Support），對機架進行模態分析。對模態分析結果提取前6階振型的數據和云圖，其固有頻率如表3所示。

表3 機架前6階振型固有頻率 Hz

3 預制艙機架結構優化設計與分析

3.1 機架結構優化設計

根據預制艙機架的模態分析結果，并結合模塊化功能單元與機架框架安裝方式，本文提出機架結構的優化方案：取消機架框架單元中右側豎立柱；優化附件單元右側安裝架，安裝架設計支腳直接安裝底座上，右側與相鄰機架框架單元相連接。經過結構優化設計，機架單元僅需1件立柱，機架立柱數量減少一半，材料成本降低。

3.2 機架結構優化后的有限元分析

運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對優化后的機架結構進行承重分析，新型機架結構的變形云圖如圖3所示，最大變形量為0.12 mm，發生在立柱中間部位。0.12mm的最大變形量仍然遠小于6.42 mm的最大允許變形量要求，滿足規范規定的變形量要求。

對優化后的機架結構進行模態分析，提取前6階振型的固有頻率如表4所示，并提取前6階振型的振型圖如圖7所示。

圖5 預制艙機架結構優化

圖6 機架優化后的變形云圖

圖7 機架振型圖

固有頻率是結構剛度的一個表現指標，結構剛度越大，其固有頻率就越高。從表3和表4可以看出，優化后機架的1階固有頻率降低了2.6%；2階的固有頻率增加了22.7%，3階、4階的固有頻率增加了35.3%，5階、6階的固有頻率增大了37.5%。除了1階振型外，其他各階振型的固有頻率均有所增加，說明優化后機架的整體剛度略優于優化前。

表4 優化后前6階振型固有頻率Hz

3.3 機架承壓試驗

針對預制艙新型機架結構，電氣模塊裝配完成后，測量每機架單元立柱上、中、下端橫向尺寸，最大變形為0.15 mm，發生在立柱中間位置，機架單元每相鄰立柱為共用立柱，實際變形并不明顯，與仿真分析結果相近，且借用模塊化功能單元與立柱一體式安裝特點，機架整體強度進一步提升。

4 結語

針對二次設備預制艙內800 mm寬前接線機柜電氣設備接線及運維檢修作業不滿足操作空間需要的情況下，設計了一種“一體式機架框架”及“模塊化功能單元”相結合的新型機架結構形式。通過機架承重工況有限元分析，機架變形和應力滿足安全要求，并與實際承壓試驗數據對比，驗證了預制艙機架結構的安全性與可靠性；改變傳統機柜先配線后艙內安裝的串行作業為并行作業形式，二次設備接線和艙內調試工作效率得到了極大提高，機架結構模式的應用進一步提高了艙內空間利用率。

圖8 預制艙機架應用實例