大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司 李吉生 韓 帥 河海大學(xué)結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)室 阮善發(fā) 初文婷

電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備故障將嚴(yán)重影響城市居民正常生活及運(yùn)轉(zhuǎn)[1]，而核電站設(shè)備的故障造成的安全隱患更為嚴(yán)重。承載電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的電氣柜是完成電氣功能的重要載體，電氣柜抗震能力的好壞直接關(guān)系到設(shè)備履行其規(guī)定功能的能力。

電氣柜的抗震能力主要通過(guò)兩種方式驗(yàn)證：有限元計(jì)算分析和抗震試驗(yàn)，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，有時(shí)兩種方法同時(shí)進(jìn)行[2]，有限元計(jì)算可以分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)方法無(wú)法達(dá)到的對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的全面了解，但電氣性能則無(wú)法確定，優(yōu)點(diǎn)是可以降低成本。而抗震試驗(yàn)不但能監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備關(guān)鍵部位的應(yīng)力與加速度響應(yīng)值，同時(shí)也能監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的功能，較好地判斷電氣設(shè)備在地震作用下履行其功能的能力，缺點(diǎn)是試驗(yàn)費(fèi)用高，測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，設(shè)備試驗(yàn)后無(wú)法繼續(xù)使用等。在一些地震設(shè)防地區(qū)或重要的運(yùn)行場(chǎng)所如核電站等，電氣設(shè)備必須進(jìn)行抗震考核，以驗(yàn)證其抗震能力[3]。

1 研究對(duì)象及其抗震試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

1.1 研究對(duì)象及其改進(jìn)措施

本次研究對(duì)象為智能分布式現(xiàn)地監(jiān)控設(shè)備，柜內(nèi)裝有風(fēng)機(jī)、供電監(jiān)控機(jī)箱、智能I/O機(jī)箱、各種參數(shù)的微機(jī)測(cè)量裝置、雙微機(jī)同期裝置、繼電器控制裝置等。電氣柜尺寸為800mm× 600mm×2200mm，主體結(jié)構(gòu)為2mm厚鋼板經(jīng)折彎制成C型橫梁與立柱，頂框及底框與立柱之間連接方式為焊接，橫梁與立柱之間為螺栓連接，框架與底板用螺栓連接或焊接。該裝置主要用于水電站和核電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控。為了解該類(lèi)設(shè)備在地震環(huán)境下的適應(yīng)性，對(duì)電氣柜及電氣柜框架依據(jù)文獻(xiàn)[4]的有關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行抗震試驗(yàn)研究。

考慮在不同使用環(huán)境下的不同要求，試驗(yàn)分兩部分完成：原型樣機(jī)抗震考核及原型樣機(jī)框架在模擬荷載下的抗震考核。原型樣機(jī)框架就是將原電氣柜內(nèi)所有插箱、裝置及部件抽出，按文獻(xiàn)[4]的要求，對(duì)電氣柜框架施加仿真荷載，即在上部各層插箱內(nèi)每層加上25kg的荷載，從上到下共五層，荷載箱符合文獻(xiàn)[4]的要求，機(jī)柜框架最下層荷載箱內(nèi)放置90kg荷載。

荷載插箱在電氣柜內(nèi)的安裝方式與原內(nèi)部電氣裝置的安裝方式一樣，每個(gè)插箱用4個(gè)M6螺栓緊固在內(nèi)立柱上，前后立柱之間仍用滑軌聯(lián)接。樣機(jī)與轉(zhuǎn)接底板用4只M10螺栓固定，模擬設(shè)備與基礎(chǔ)間的螺栓連接方式。電氣柜在完成Ⅰ、Ⅱ級(jí)地震考核試驗(yàn)后，通過(guò)對(duì)共振特性分析發(fā)現(xiàn)電氣柜的共振頻率下降較多，為使后續(xù)高量級(jí)的抗震試驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行下去，對(duì)電氣柜與基礎(chǔ)的連接方式及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，即將所有連接螺栓進(jìn)行緊固，底框除螺栓連接外，還進(jìn)行點(diǎn)焊處理。

由于抗震試驗(yàn)用樣機(jī)為一般性通用性樣機(jī)，結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)抗震設(shè)計(jì)后可以滿(mǎn)足八度地震的抗震要求，但對(duì)于高強(qiáng)度的Ⅲ級(jí)地震來(lái)說(shuō)很難通過(guò)抗震考核，為此須對(duì)電氣柜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與特殊加固，具體做法是在框架內(nèi)側(cè)兩個(gè)側(cè)面與背面用X型斜拉桿進(jìn)行固定，X型斜拉桿的截面是一個(gè)用2mm厚鋼板折彎成的C型結(jié)構(gòu)；底板橫梁與豎梁及頂部橫梁與豎梁連接處用專(zhuān)用角鐵構(gòu)件通過(guò)螺栓緊固，該角鐵構(gòu)件由5mm厚鋼板制成，三個(gè)面互成90°，每個(gè)面均為等腰三角形，這樣的加固方式不僅減少了豎直梁與橫梁連接處的應(yīng)力集中，也降低了機(jī)柜幾何變形的幅度，提高了機(jī)柜整體剛度。

另外，眾多的抗震試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果證實(shí)，機(jī)柜與基礎(chǔ)之間的連接螺栓附近是應(yīng)力最為集中的地方之一，所以除了上面的加固措施外，在底板與轉(zhuǎn)接板之間的連接螺栓附近焊接加強(qiáng)筋，使得連接螺栓附近的應(yīng)力得以擴(kuò)散，減少應(yīng)力集中對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷。加固后的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其中A圖為機(jī)柜側(cè)面加固結(jié)構(gòu)示意圖，B圖為機(jī)柜背面加固結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。加固完成后重新進(jìn)行共振特性探查試驗(yàn)與第Ⅲ級(jí)地震考核試驗(yàn)，最后對(duì)裝有偽荷載的電氣柜框架進(jìn)行Ⅲ級(jí)地震的抗震考核。

圖1 電氣柜加固后的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

抗震考核目的是考慮樣機(jī)內(nèi)部主要部件的抗震性能，由于外殼僅僅起到防護(hù)作用，所以外殼的振動(dòng)特性不作為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，考慮被檢樣機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與實(shí)際安裝情況，為減少研究?jī)?nèi)容的篇幅，只討論樣機(jī)轉(zhuǎn)接板、中間點(diǎn)及頂部的地震響應(yīng)與共振特性。電氣柜框架配載及傳感器布置如圖2所示，A1、A2及A3為布置在原型機(jī)柜上的三向加速度傳感器測(cè)點(diǎn)，E1和E2為原型機(jī)柜立柱根部側(cè)面和正面相互垂直的兩個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；A4、A5及A6為布置在機(jī)柜框架上的三向加速度傳感器測(cè)點(diǎn)，激勵(lì)方向定義為：柜門(mén)法向定義為x向，沿柜門(mén)方向定義為y向，豎直向定義為z向。同樣E3和E4為機(jī)柜框架立柱根部側(cè)面和正面相互垂直的兩個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 樣機(jī)及框架測(cè)點(diǎn)布置圖

2 不同安裝方式下電氣柜與框架的共振特性分析

用臺(tái)面轉(zhuǎn)接板上的加速度計(jì)檢測(cè)信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，其余測(cè)點(diǎn)加速度信號(hào)作為響應(yīng)信號(hào)，兩者之間做傳遞函數(shù)分析，得到結(jié)構(gòu)的共振頻率，分析結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果不難看出，無(wú)論是哪種安裝方式，z向的共振頻率均高于x向與y向。改進(jìn)后電氣柜各向共振頻率高于改進(jìn)前的電氣柜，這說(shuō)明其剛度有了明顯的提高。同時(shí)，改進(jìn)后的電氣柜地震考核試驗(yàn)前后共振頻率下降幅度小于改進(jìn)前的電氣柜，表明改進(jìn)后的電氣柜抗震能力更好。無(wú)論是改進(jìn)前還是改進(jìn)后的電氣柜與框架，其中心位置的共振頻率與其頂部的共振頻率都保持一致，結(jié)構(gòu)整體性較好。電氣柜框架各測(cè)點(diǎn)共振特性見(jiàn)表2。

表1 電氣柜各測(cè)點(diǎn)共振頻率（Hz）

表2 電氣柜框架各測(cè)點(diǎn)共振頻率（Hz）

3 不同安裝條件下地震響應(yīng)分析

樣機(jī)考核采用文獻(xiàn)[4]中闡述的有關(guān)技術(shù)要求，考核量級(jí)分3個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表3。所使用的反應(yīng)譜如圖3所示，圖中藍(lán)色曲線(xiàn)為文獻(xiàn)[4]中提供的折線(xiàn)譜，紅色曲線(xiàn)為使用專(zhuān)用軟件將折線(xiàn)譜經(jīng)轉(zhuǎn)換后生成地震波所對(duì)應(yīng)的臺(tái)面驅(qū)動(dòng)信號(hào)反應(yīng)譜。為了滿(mǎn)足試驗(yàn)考核量級(jí)要求，臺(tái)面響應(yīng)信號(hào)反應(yīng)譜要求包絡(luò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)反應(yīng)譜。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)迭代后的驅(qū)動(dòng)波激勵(lì)臺(tái)面，測(cè)得電氣柜各測(cè)點(diǎn)的加速度及應(yīng)變響應(yīng)峰值見(jiàn)表4，從表4不難發(fā)現(xiàn)，Ⅰ、Ⅱ級(jí)地震試驗(yàn)，電氣柜在水平向加速度與應(yīng)變響應(yīng)峰值隨著量級(jí)的變化近似按比例增加，而豎直向加速度響應(yīng)增加較多。

表3 地震考核等級(jí)表（m/s2）

表4 電氣柜各測(cè)點(diǎn)加速度及應(yīng)變響應(yīng)峰值（加速度單位為：m/s2，應(yīng)變單位為：με）

圖3 抗震考核采用的反應(yīng)譜

加固后的電氣柜，同量級(jí)的抗震考核某些測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)會(huì)減小，較為明顯的是，由于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度得到較大的改善，機(jī)柜的變形減少，所測(cè)得立柱根部的應(yīng)變值有較大幅度的降低。相比于電氣柜的地震響應(yīng)，電氣柜框架加速度響應(yīng)規(guī)律性較好，由下而上基本成線(xiàn)性放大，由于偽重力荷載的重量大于實(shí)際內(nèi)裝電氣單元重量，除電氣柜各測(cè)點(diǎn)的共振頻率略有下降外，立柱根部的應(yīng)變值也有所增大，電氣柜框架各測(cè)點(diǎn)的加速度及應(yīng)變響應(yīng)峰值見(jiàn)表5。

表5 電氣柜框架各測(cè)點(diǎn)加速度及應(yīng)變響應(yīng)峰值（加速度單位為：m/s2，應(yīng)變單位為：με）

4 電氣柜框架的有限元抗震模擬分析與電氣性能鑒定

用于核電站或其他地震設(shè)防地區(qū)的電氣設(shè)備均需通過(guò)兩方面抗震考核，一方面考核其在設(shè)定的地震荷載作用下的機(jī)械性能，如樣機(jī)外殼是否變形、焊縫是否開(kāi)裂、柜門(mén)緊固性、立柱受力情況及柜內(nèi)設(shè)備支架的可靠性等；另一方面監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備在地震發(fā)生期間能否履行其功能[4-5]。然而有時(shí)受客觀條件限制，如特別大的樓層反應(yīng)譜，無(wú)法通過(guò)模擬地震振動(dòng)臺(tái)的抗震試驗(yàn)進(jìn)行考核，或者以前類(lèi)似設(shè)備已經(jīng)做過(guò)抗震試驗(yàn)，而現(xiàn)在因?yàn)榭拐鹆考?jí)的改變需要重新認(rèn)證時(shí)，有限元抗震分析不失為一種比較好的鑒定手段，而現(xiàn)代完善的數(shù)值模擬分析技術(shù)手段使得抗震分析成為可能。

有限元數(shù)值模擬分析可以計(jì)算出電氣設(shè)備各構(gòu)件的振型、某點(diǎn)的加速度、位移及應(yīng)力等，計(jì)算結(jié)果能清楚展現(xiàn)各參數(shù)最大值所發(fā)生的位置，但一般的有限元計(jì)算無(wú)法確定樣機(jī)的電氣性能，除非以往有類(lèi)似的抗震鑒定資料可供參考。對(duì)于結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、形態(tài)規(guī)則的樣機(jī)做不同類(lèi)型或不同量級(jí)的反應(yīng)譜計(jì)算分析具有較大優(yōu)勢(shì)，鑒定成本較低，計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。表5展示了電氣柜框架在加固后的試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比，有限元對(duì)各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的加速度值使用Block Lanczos方法進(jìn)行特征提取，通過(guò)分解獲得x、y、z三向加速度值，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者之間的相對(duì)誤差較小，滿(mǎn)足抗震鑒定要求。

為了解決計(jì)算無(wú)法鑒定樣機(jī)電氣性能抗震問(wèn)題，可采用低成本的試驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的方法：即選取電氣設(shè)備中一些關(guān)鍵部件如控制單元、開(kāi)關(guān)類(lèi)電氣單元、蓄電池單元等作為考核對(duì)象，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際使用情況，依據(jù)文獻(xiàn)[5]的有關(guān)規(guī)定，在電磁振動(dòng)臺(tái)上對(duì)電氣單元進(jìn)行正弦掃頻抗震試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)除觀察電氣單元機(jī)械性能外，還監(jiān)測(cè)其電氣性能。

考慮到后續(xù)抗震反應(yīng)譜ZPA的值可能涉及的比較大的值，所以試驗(yàn)時(shí)盡可能將電氣柜內(nèi)各部件的考核量級(jí)做到部件失效或抗震設(shè)備使用能力的上限為止（如有需要），記錄各單元部件的電氣性能特征或工作狀態(tài)，并對(duì)抗震后樣機(jī)的機(jī)械性能和電氣性能進(jìn)行檢查。當(dāng)用有限元對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，逐一抽取電氣設(shè)備內(nèi)已經(jīng)做過(guò)抗震試驗(yàn)的各電氣單元所在位置的三向加速度值，將其與試驗(yàn)記錄的加速度響應(yīng)值進(jìn)行比較確定該電氣單元電氣性能能否滿(mǎn)足抗震要求，利用這種方法解決了電氣柜有限元數(shù)值模擬分析中無(wú)法解決的電氣性能抗震考核的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

電氣柜的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定設(shè)備抗震考核的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與抗震能力。標(biāo)準(zhǔn)電氣柜及其框架的共振頻率較低，在Ⅰ、Ⅱ級(jí)地震情況下，加速度響應(yīng)較小，而立柱根部的應(yīng)力則較大。強(qiáng)震下電氣柜較大的位移可能導(dǎo)致柜門(mén)打開(kāi)、內(nèi)部安裝電氣單元損壞及結(jié)構(gòu)剛度下降等。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的電氣柜的剛度受地震影響明顯小于改進(jìn)前電氣柜，因動(dòng)態(tài)變形導(dǎo)致的立柱根部應(yīng)力明顯減小，電氣柜與框架的整體性較好，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。利用有限元計(jì)算抽取電氣柜內(nèi)電氣單元所在位置的加速度響應(yīng)，并與電氣單元抗震試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定在某考核量級(jí)下電氣設(shè)備的電氣性能能否滿(mǎn)足抗震要求。