基于反应谱法的1E 级配电盘抗震性能试验

刘大虎，张强升,*，江国梁

（1. 生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2. 山东泰开成套电器有限公司，泰安 271000）

随着化石能源的消耗，核电作为一项技术成熟的清洁能源受到了广泛的关注。正常运行工况下，核电产生的污染物远低于火电，运行成本也低于光伏、风电等其他新能源[1]。早期，我国核电设备严重依赖进口，随着国家的引进、消化、吸收、创新等途径，国产核电设备迅速发展起来，但相应试验检测技术和规定相对落后[2，3]。核电厂1E级380 V低压配电盘可为供电采用动力中心（PC）和电动机控制中心（MCC）等厂用电设备供电，是核电厂的重要设备，要求核电厂在地震情况下能够正常运行或安全停堆、防止放射性物质向环境过量排放，并保证设备性能完备，完成对仪表、电气设备的供电。

设备质量鉴定是通过论证分析、试验方法或运行经验证明设备在运行条件下能否按规定完成动作[4，5]。论证分析法以运行经验和物理定律为基础，运用数学模型对设备按规定完成动作的可行性进行逻辑推导；型式试验法是通过模拟恶劣环境验证设备在规定时间内的功能；运行经验法是通过收集类似设备在相近环境下的运行数据验证设备的安全功能。由于我国对1E 级设备应用经验和数据积累不足，且受限于设备数学模型的准确性，因此，需要采用不同方法的组合验证设备质量。我国lE级380 V低压配电盘的质量鉴定依据主要为核安全导则、IEEE、IEC、GB、RCC-E及相关行业标准[6]。

王思润等学者采用Workbench模拟仿真开关柜在地震作用下的变形，并用振型分解反应谱法对核电1E 级F-C 交流金属封闭开关设备进行了抗震分析[7]。李明成等学者结合国内外设备鉴定的实践经验制定了1E 级充电器、逆变器的鉴定方案，对元器件评估、性能及应力试验、EMC 试验、抗震试验、软件鉴定等环节进行了重点剖析[8]。

本文分析了某核电站1E 级380 V 低压配电盘的抗震性能结构设计需求，结合《核电厂安全系统电气设备抗震检定》（GB 13625—1992）等标准，提出低压配电盘的抗震性能试验方法，重点介绍了核电设备抗震要求、采用人工标准反应谱设计、试验方法过程，最后，通过试验实例证明此方法切实可行。

1 1E级低压配电盘设计

百万千瓦级核电站的380 V低压配电盘安全等级为1E级，鉴定等级为K3，为核岛厂房内的应急厂用设备供电。除了应具有常规产品的性能，在抗震及抗老化方面均有更高的要求：柜体使用寿命40 年，安全级元器件使用寿命20年，在地震工况及规定的事故条件下能够安全运行。

为提高设备的抗震性能，配电盘结构设计沿用柜体与可抽出单元的抽屉式设计，主母线室、电缆室、抽屉室等功能小室严密隔离，防止故障扩散[9]。底盘与底部隔板整体设计，保证固定横梁刚度和地板牢固；采用双立柱结构柜体，骨架部位加厚滑块和三角支架处的连接。三相主母排装于配电盘顶部，从柜体侧面延伸至变压器顶部；母线安装在配电盘下方，紧密布置在柜体边，保证接地连续性。为使一次和二次电缆从柜顶和柜底进入电缆室，将电缆室设计为后开门方式。为了方便现场布线并安装走线槽，端子排前方预留出二次电缆的走线空间。抽屉单元分为8E/4、8E/2、8E、16E、24E 共5 种类型，通过操作手柄控制，并加3 把挂锁巩固定位。8E/4、8E/2 抽屉采用“燕尾槽”式结构与底轨配合，保证抽屉的整体抗震性能；8E、16E、24E 抽屉设计为上下、左右限位的结构，实现前后锁定功能，使抽屉紧密连接在柜体上，提高配电盘的抗震性能。低压配电盘框架设计如图1所示。

配电盘柜体骨架及侧板都使用优质敷铝锌板，抗腐蚀强，且具有良好的接地性能；内部功能板绝缘件选用进口PA66+30%玻璃纤维材料，不含卤素，具备阻燃特性；电缆及导线符合1E 级K3类设计要求，低烟、无卤、阻燃；继电器体积小、动作稳定可靠。1E 级低压配电盘基本技术参数详见表1。

图1 低压配电盘框架设计图Fig.1 Low-voltage switchboard frame design

表1 1E级低压配电盘基本技术参数Table 1 Basic technical parameters of 1E grade low voltage switchboard

2 设计反应谱分析

我国对核电厂抗震计算方法中的计算模型建立、设备阻尼设定、反应谱分析中响应谱频谱值、时程分析中计算时长以及载荷组合方式等已有明确规定。

2.1 抗震性能要求

基于Housner和Hodson提出的二级地震设计方法，核电厂两级地震分别指代的是安全停堆地震（SSE）和运行基准地震（OBE）。美国原子能委员会（USAEC）给出了安全停堆地震和运行基准地震的定义[10]：

OBE：在设计基准期内，年超越概率为0.2%的地震，其峰值加速度不小于0.075g。通常为核电厂能正常运行的地震震动[11]。

SSE：在设计基准期内，年超越概率为0.01%的地震，其峰值加速度不小于0.15g。通常为核电厂可能遭受的最大地震震动。发生SSE 地震时，安全重要物项仍需保持下列功能：（1）反应堆冷却剂压力边界的完整性；（2）具有关停反应堆并将其保持在安全停堆状态下的能力；（3）事故引起的厂外照射水平达到允许限制时，具有防止或减轻这类事故后果的能力[11]。

学者普遍认为：极限安全地震应作为优先控制的地震载荷，在此基础上推导出的OBE 地震动能够达到较高的置信度，二者的量级关系为：

2.2 迭代拟合设计反应谱

具体工况中，支撑不同电气设备的楼层经受由建筑物结构传送的振动波，建筑物结构在某种程度上将由地面传送的地震波加以过滤或者将这种地震波的作用放大。

地震波输入分析形式有设计反应谱、功率谱密度、设计运行时程等。1941年，Biot等人提出用反应谱理论描述结构动力特性与地震动特性之间的动力关系[12]。反应谱分析方法基于线性迭加原理又称为振型叠加法。首先，用动力学方法计算质点体系地震反应，建立反应谱。然后，用加速度反应谱计算结构最大惯性力，以此作为结构的等效地震荷载。最后，按照静力方法进行结构计算，设计地震作用。

i 振型j 质点的水平方向地震作用可用式（2）求解：

式中，Fij——i振型j质点的水平地震作用；

ξ——结构的实际阻尼比；

αij——相应i振型自振周期的水平地震影响系数；

γi——i振型的参与系数；

Xij——i振型j质点在X方向的水平相对位移；

Gj——j质点的重力荷载。

水平地震影响系数α 为质点在地震时以重力加速度g为单位的最大反应加速度，取值方式为：

当0≤Te≤0.1时：

当0.1 ≤Te≤Ts时：

当Te≥Ts

式中，αmax——水平地震影响系数最大值；

Te——结构自振周期；

Ts——楼面特征周期；

T——地震波持续时间。

当把结构模型简化成平面结构进行分析时，采用平方和的平方根法（SRSS方法），如式（6）所示；当采用空间协同分析或空间分析方法时，考虑空间各振型的相互影响，采用完全二次方程法（CQC方法）[13]，如式（7）所示。

式中，S——振型组合后的弯矩、剪力、轴力或位移[13]；

m——需参加组合的振型数；

Si——由i 振型等效地震荷载求出的弯矩、剪力、轴力或位移；

Sr——由r 振型等效地震荷载求出的弯矩、剪力、轴力或位移；

pir——i振型与r振型的相关系数。

j 质点的加速度即楼层上设备的输入加速度由公式（8）计算可得[14]；

j质点的楼层反应谱可以由式（9）求得；

地震运动时程曲线Z（t）（0≤t≤T）和反应谱Sj（Te，ξ）关系如式（10）所示。

式中，h（τ，ξ）——振子的单位脉冲响应函数。

在设计反应谱方法中，阻尼对求解的结果影响很大。试验中，将控制盘、柜的阻尼比设置为临界阻尼比的5%～7%（在焊接的情况下为4%）；电缆托架的阻尼比设置为临界阻尼比的10%（在焊接的情况下为4%）。

3 现场抗震试验方法研究

抗震试验基本原则是以一定安全裕度系数模拟在设备固定点处由地震产生的假定运动，在该设备上对在规定的运行条件下的OBE和SSE地震期间及以后执行安全功能的能力进行检查。

抗震试验中，配电盘应以模拟现场实际安装的方式固定在抗震试验台上。采用8个M20的螺栓安装在刚性底座上，刚性底座采用M30 螺栓和振动台台面刚性连接。试验期间，配电盘主回路不受电，仅控制回路受电，需要考虑电气接线和传感信号管线的影响。试验中，将与低压配电盘面板水平平行方向定义为X轴向，将与之垂直的水平方向定义为Y轴向，将配电盘竖直向上的方向定义为Z轴向。设备抗震性能试验分析方法如图2所示。

图2 1E 级设备抗震性能分析方法Fig.2 Seismic performance analysis method for 1E equipment

试验期间，需要对振动台的运动进行监测，以检查参考运动的正确性，并通过适当的振动测量来确定所施加的振动加速度。试验中选取足够5个测点作为最有代表性的测量点，每个测点均包含X、Y、Z 3个方向，可以在振动台台面和配电盘上安装足够数量的振动传感器及其信号处理设备，具有代表性的测点包括距振动台的最远点MA1、试验频率范围内有可能产生共振的大物件上的点MA4、固定点的受力MA5，都应该有测量点以便测量和分析台面和配电盘的振动特性。试验测点布置如图3所示。

图3 设备试验中的测点布置图Fig.3 Test point layout on the switchboard

3.1 动态探查试验

利用反应谱求最大地震响应时，需要先进行固有频率和振型的计算。动态探查试验在抗震试验前进行，用来测定设备的自振频率。地震时，楼层的运动是在所有方向上同时发生的，楼层反应谱可分解到3个主轴方向，探查试验也需分别在3轴方向做自振分析。

同时在X、Y、Z 3个正交轴向输入0～50 Hz频率范围的白噪声随机波进行激振，加速度幅值为0.2g，持续时间为20 s，试验测得配电盘的自振频率。对设备进行动态探查试验期间，当某一频率下产生机械共振，使实测的强度与激振强度之比（放大系数）大于2时，即可确定为自振频率。如图4所示，试验时加速度测点MA1处X 方向的传递函数，从图中可知MA1 处X 方向的自振频率约为12.0 Hz。

其他试验测点测得的3个正交轴向自振频率与MA1 处X 方向的传递函数同理，测得的配电盘各加速度测点的自振频率详见表2。通过对1E级低压配电盘进行白噪声法动态探查试验，测得配电盘在X轴向的自振频率为12.0 Hz，Y轴向的自振频率为19.5 Hz，Z轴向的自振频率为25.9 Hz。

图4 加速度测点MA1处X方向的传递函数Fig.4 Transfer function in the X direction at the acceleration measurement point MA1

表2 配电盘各加速度测点测得的自振频率Table 2 Resonance frequency measured by each acceleration test point of the switchboard

3.2 OBE地震试验

抗震试验包括OBE 和SSE 地震试验，均采用多频波法在配电盘的3 个正交轴向同时进行激振，即采用独立加速度时程的三轴试验。在SSE 地震试验前，需要完成5 次OBE 地震试验。试验目的是验证发生概率最大的地震时不会损害试验件的性能，也不会产生疲劳和老化，即使地震实际存在而未被探测出时也不会在随后发生的SSE 地震中导致设备性能出现故障。采用地震液压台台面加速度信号作为完成OBE 和SSE 地震试验的控制信号。试验中，取OBE=1/2SSE，OBE 和SSE 地震试验阻尼比均取5%。

OBE 地震试验中配电盘在振动台上的固定方式与动态探查试验相同，在水平和垂直方向同时施加人工模拟加速度时程，此波形由OBE地震反应谱求出，试验次数为5次，每次试验持续时间30 s。

本文采用的楼板反应谱RRS 为某核电工程电气和连接厂房11.3 m 标高处楼层反应谱。试验前，通过计算机软件将X、Y、Z 3个方向的反应谱转换成人工模拟加速度时程。用于OBE 试验的X 轴向人工地震波反应谱如图5 所示。在OBE试验时，对X、Y、Z 3个正交轴向输入的人工地震波放大10%，确保试验中人工地震波的反应谱包络要求的反应谱。试验时，配电盘所处最高楼层及最大加速度作为产品进行抗震试验时的依据。OBE试验X轴向台面加速度反应谱如图6所示。

在5次OBE地震试验期间和试验后，配电盘结构无裂痕，螺钉、螺母没有松动和脱落，无损伤及变形。X、Y、Z 3 个轴向的试验反应谱（TRS）均包络了要求反应谱（RRS）。5 次OBE地震试验期间，对配电盘进行不间断功能检测，数据表明监测通道数据均无不正常跳动，数据正常。

图5 OBE地震试验X轴向人工地震波反应谱Fig.5 OBE artificial seismic wave response spectrum along X direction

图6 OBE 试验X轴向台面加速度反应谱Fig.6 OBE acceleration response spectrum along X direction

3.3 SSE地震试验

5次OBE地震试验完成后，采用SSE人工模拟加速度时程作为输入完成1 次SSE 地震试验，试验时间为30 s。

SSE 地震试验前和试验后，对配电盘负荷、电气及机械条件进行了检查，配电盘柜体无裂缝，螺钉螺母无松动脱落现象，机械操作部件功能保持完好；配电盘各个功能单元在运行、试验、隔离等位置操作灵活；配电盘参数无不正常变化，各项性能符合标准要求。SSE地震试验期间，X、Y、Z 3 个轴向的TRS 均包络了RRS，对配电盘进行不间断功能检测，数据表明监测通道数据均无不正常跳动，配电盘各个功能单元能够正常运行、关合、开断及实现保护设计功能，各项性能符合要求。

4 结论

基于核电配电设备对于应对地震特殊工况下的性能要求，本文分析了1E 级380 V 低压配电盘设计需求。结合IEEE、IEC、GB、RCC-E文件，提出基于设计反应谱的低压配电盘抗震性能分析方法，实例分析表明，此方法能够准确验证配电盘抗震性能。此方法能为我国1E 级低压配电盘的抗震性能分析提供思路，为我国核电厂建设设备提供安全评估方法。