标准电气柜抗震性能评定与改进

大亚湾核电运营管理有限责任公司 李吉生 韩 帅 河海大学结构抗震实验室 阮善发 初文婷

电力系统中的电气设备故障将严重影响城市居民正常生活及运转[1]，而核电站设备的故障造成的安全隐患更为严重。承载电力系统运营的电气柜是完成电气功能的重要载体，电气柜抗震能力的好坏直接关系到设备履行其规定功能的能力。

电气柜的抗震能力主要通过两种方式验证：有限元计算分析和抗震试验，两种方法各有优缺点，有时两种方法同时进行[2]，有限元计算可以分析结构的应力分布情况，实现试验方法无法达到的对结构应力的全面了解，但电气性能则无法确定，优点是可以降低成本。而抗震试验不但能监测电气设备关键部位的应力与加速度响应值，同时也能监测电气设备的功能，较好地判断电气设备在地震作用下履行其功能的能力，缺点是试验费用高，测点数量有限，设备试验后无法继续使用等。在一些地震设防地区或重要的运行场所如核电站等，电气设备必须进行抗震考核，以验证其抗震能力[3]。

1 研究对象及其抗震试验测点布置

1.1 研究对象及其改进措施

本次研究对象为智能分布式现地监控设备，柜内装有风机、供电监控机箱、智能I/O机箱、各种参数的微机测量装置、双微机同期装置、继电器控制装置等。电气柜尺寸为800mm× 600mm×2200mm，主体结构为2mm厚钢板经折弯制成C型横梁与立柱，顶框及底框与立柱之间连接方式为焊接，横梁与立柱之间为螺栓连接，框架与底板用螺栓连接或焊接。该装置主要用于水电站和核电站的计算机监控。为了解该类设备在地震环境下的适应性，对电气柜及电气柜框架依据文献[4]的有关技术要求进行抗震试验研究。

考虑在不同使用环境下的不同要求，试验分两部分完成：原型样机抗震考核及原型样机框架在模拟荷载下的抗震考核。原型样机框架就是将原电气柜内所有插箱、装置及部件抽出，按文献[4]的要求，对电气柜框架施加仿真荷载，即在上部各层插箱内每层加上25kg的荷载，从上到下共五层，荷载箱符合文献[4]的要求，机柜框架最下层荷载箱内放置90kg荷载。

荷载插箱在电气柜内的安装方式与原内部电气装置的安装方式一样，每个插箱用4个M6螺栓紧固在内立柱上，前后立柱之间仍用滑轨联接。样机与转接底板用4只M10螺栓固定，模拟设备与基础间的螺栓连接方式。电气柜在完成Ⅰ、Ⅱ级地震考核试验后，通过对共振特性分析发现电气柜的共振频率下降较多，为使后续高量级的抗震试验能顺利进行下去，对电气柜与基础的连接方式及整体结构进行加固，即将所有连接螺栓进行紧固，底框除螺栓连接外，还进行点焊处理。

由于抗震试验用样机为一般性通用性样机，结构经过抗震设计后可以满足八度地震的抗震要求，但对于高强度的Ⅲ级地震来说很难通过抗震考核，为此须对电气柜的结构进行改进与特殊加固，具体做法是在框架内侧两个侧面与背面用X型斜拉杆进行固定，X型斜拉杆的截面是一个用2mm厚钢板折弯成的C型结构；底板横梁与竖梁及顶部横梁与竖梁连接处用专用角铁构件通过螺栓紧固，该角铁构件由5mm厚钢板制成，三个面互成90°，每个面均为等腰三角形，这样的加固方式不仅减少了竖直梁与横梁连接处的应力集中，也降低了机柜几何变形的幅度，提高了机柜整体刚度。

另外，众多的抗震试验结果与有限元分析结果证实，机柜与基础之间的连接螺栓附近是应力最为集中的地方之一，所以除了上面的加固措施外，在底板与转接板之间的连接螺栓附近焊接加强筋，使得连接螺栓附近的应力得以扩散，减少应力集中对结构的损伤。加固后的结构简图如图1所示，其中A图为机柜侧面加固结构示意图，B图为机柜背面加固结构简图。加固完成后重新进行共振特性探查试验与第Ⅲ级地震考核试验，最后对装有伪荷载的电气柜框架进行Ⅲ级地震的抗震考核。

图1 电气柜加固后的结构简图

1.2 测点布置

抗震考核目的是考虑样机内部主要部件的抗震性能，由于外壳仅仅起到防护作用，所以外壳的振动特性不作为监测目标，考虑被检样机结构特点与实际安装情况，为减少研究内容的篇幅，只讨论样机转接板、中间点及顶部的地震响应与共振特性。电气柜框架配载及传感器布置如图2所示，A1、A2及A3为布置在原型机柜上的三向加速度传感器测点，E1和E2为原型机柜立柱根部侧面和正面相互垂直的两个应变测点；A4、A5及A6为布置在机柜框架上的三向加速度传感器测点，激励方向定义为：柜门法向定义为x向，沿柜门方向定义为y向，竖直向定义为z向。同样E3和E4为机柜框架立柱根部侧面和正面相互垂直的两个应变测点，各测点位置如图2所示。

图2 样机及框架测点布置图

2 不同安装方式下电气柜与框架的共振特性分析

用台面转接板上的加速度计检测信号作为激励信号，其余测点加速度信号作为响应信号，两者之间做传递函数分析，得到结构的共振频率，分析结果见表1。试验结果不难看出，无论是哪种安装方式，z向的共振频率均高于x向与y向。改进后电气柜各向共振频率高于改进前的电气柜，这说明其刚度有了明显的提高。同时，改进后的电气柜地震考核试验前后共振频率下降幅度小于改进前的电气柜，表明改进后的电气柜抗震能力更好。无论是改进前还是改进后的电气柜与框架，其中心位置的共振频率与其顶部的共振频率都保持一致，结构整体性较好。电气柜框架各测点共振特性见表2。

表1 电气柜各测点共振频率（Hz）

表2 电气柜框架各测点共振频率（Hz）

3 不同安装条件下地震响应分析

样机考核采用文献[4]中阐述的有关技术要求，考核量级分3个等级，见表3。所使用的反应谱如图3所示，图中蓝色曲线为文献[4]中提供的折线谱，红色曲线为使用专用软件将折线谱经转换后生成地震波所对应的台面驱动信号反应谱。为了满足试验考核量级要求，台面响应信号反应谱要求包络驱动信号反应谱。经过系统迭代后的驱动波激励台面，测得电气柜各测点的加速度及应变响应峰值见表4，从表4不难发现，Ⅰ、Ⅱ级地震试验，电气柜在水平向加速度与应变响应峰值随着量级的变化近似按比例增加，而竖直向加速度响应增加较多。

表3 地震考核等级表（m/s2）

表4 电气柜各测点加速度及应变响应峰值（加速度单位为：m/s2，应变单位为：με）

图3 抗震考核采用的反应谱

加固后的电气柜，同量级的抗震考核某些测点的加速度响应会减小，较为明显的是，由于结构的强度得到较大的改善，机柜的变形减少，所测得立柱根部的应变值有较大幅度的降低。相比于电气柜的地震响应，电气柜框架加速度响应规律性较好，由下而上基本成线性放大，由于伪重力荷载的重量大于实际内装电气单元重量，除电气柜各测点的共振频率略有下降外，立柱根部的应变值也有所增大，电气柜框架各测点的加速度及应变响应峰值见表5。

表5 电气柜框架各测点加速度及应变响应峰值（加速度单位为：m/s2，应变单位为：με）

4 电气柜框架的有限元抗震模拟分析与电气性能鉴定

用于核电站或其他地震设防地区的电气设备均需通过两方面抗震考核，一方面考核其在设定的地震荷载作用下的机械性能，如样机外壳是否变形、焊缝是否开裂、柜门紧固性、立柱受力情况及柜内设备支架的可靠性等；另一方面监测电气设备在地震发生期间能否履行其功能[4-5]。然而有时受客观条件限制，如特别大的楼层反应谱，无法通过模拟地震振动台的抗震试验进行考核，或者以前类似设备已经做过抗震试验，而现在因为抗震量级的改变需要重新认证时，有限元抗震分析不失为一种比较好的鉴定手段，而现代完善的数值模拟分析技术手段使得抗震分析成为可能。

有限元数值模拟分析可以计算出电气设备各构件的振型、某点的加速度、位移及应力等，计算结果能清楚展现各参数最大值所发生的位置，但一般的有限元计算无法确定样机的电气性能，除非以往有类似的抗震鉴定资料可供参考。对于结构较简单、形态规则的样机做不同类型或不同量级的反应谱计算分析具有较大优势，鉴定成本较低，计算结果相对准确。表5展示了电气柜框架在加固后的试验结果与有限元计算结果对比，有限元对各测点对应位置的加速度值使用Block Lanczos方法进行特征提取，通过分解获得x、y、z三向加速度值，与试验结果对比发现两者之间的相对误差较小，满足抗震鉴定要求。

为了解决计算无法鉴定样机电气性能抗震问题，可采用低成本的试验与计算相结合的方法：即选取电气设备中一些关键部件如控制单元、开关类电气单元、蓄电池单元等作为考核对象，结合结构特点及实际使用情况，依据文献[5]的有关规定，在电磁振动台上对电气单元进行正弦扫频抗震试验，试验时除观察电气单元机械性能外，还监测其电气性能。

考虑到后续抗震反应谱ZPA的值可能涉及的比较大的值，所以试验时尽可能将电气柜内各部件的考核量级做到部件失效或抗震设备使用能力的上限为止（如有需要），记录各单元部件的电气性能特征或工作状态，并对抗震后样机的机械性能和电气性能进行检查。当用有限元对电气设备进行抗震计算时，逐一抽取电气设备内已经做过抗震试验的各电气单元所在位置的三向加速度值，将其与试验记录的加速度响应值进行比较确定该电气单元电气性能能否满足抗震要求，利用这种方法解决了电气柜有限元数值模拟分析中无法解决的电气性能抗震考核的问题。

5 结语

电气柜的结构形式决定设备抗震考核的动态响应与抗震能力。标准电气柜及其框架的共振频率较低，在Ⅰ、Ⅱ级地震情况下，加速度响应较小，而立柱根部的应力则较大。强震下电气柜较大的位移可能导致柜门打开、内部安装电气单元损坏及结构刚度下降等。经过改进后的电气柜的刚度受地震影响明显小于改进前电气柜，因动态变形导致的立柱根部应力明显减小，电气柜与框架的整体性较好，有限元计算结果与试验结果较为吻合。利用有限元计算抽取电气柜内电气单元所在位置的加速度响应，并与电气单元抗震试验数据进行比较，确定在某考核量级下电气设备的电气性能能否满足抗震要求。