（江苏华冠电器集团有限公司，常州 213000）

0 引言

核电是国际用电的主要来源之一，已经成为世界经济发展不可或缺的能源，同时，核电的安全也成为全世界最关心的问题。切尔诺贝利事件、三里岛事件、福岛事件触目惊心。作为容易发生且危害较大的地震灾害，是核电行业最为关注的事件，为了避免地震发生时核电厂的设备出现失效，就必须要保证核电厂抗震I类设备的抗震能力达到在地震发生时和发生后仍能正常运行。核电厂有大量的低压成套开关设备需要满足抗震I类的要求，能可靠执行其安全功能。文章以仿真软件ANSYS Workbench进行地震模拟，对低压成套设备进行抗震性能评估。

1 低压成套开关设备的结构

1.1 从总体形式上分

（1）固定式，开关设备内部的主要电气元件均为固定安装，导电回路均采用螺栓连接。这种形式的开关设备内部连接稳定性及可靠性较高，但检修比较麻烦，主要电气元件及其连接回路一旦出现故障，就必须停电，检修周期较长。

（2）抽出式，开关设备内部的主要电气元件安装在可抽出的抽屉单元中，抽屉单元与柜内母线及其控制回路采用可插拔的滑动连接。这种形式的开关设备的滑动连接部位是薄弱环节，较易因电流陡变、操作振动、地震等因素，出现接触不良而导致故障。但滑动连接或电气元件及其连接回路出现故障时，只需要抽出故障抽屉，插入同规格的完好抽屉，问题就解决了，不会影响正常供电，大大提高了开关设备的可用率，而故障抽屉可以返厂修理。抽出式开关设备应从设计、工艺、装配精度等方面保证同规格抽屉的一致性、柜体的一致性，以确保抽屉的互换性[1]。

1.2 从柜体结构工艺上分

（1）焊接式，焊接式柜体的结构强度高，只要焊接工艺控制好，其结构稳定、抗震性能很强。但它也有很明显的缺点，即在焊接时容易出现尺寸误差、变形等问题，一旦误差大于设计要求就很难进行修正，柜体焊好后还需要进行整体表面喷涂防腐。

为了保证焊接的误差降到最低，要确保零部件材料的韧性达到足够的要求，焊接过程的工艺控制包括焊材选用也很关键，还需要进行防焊蚀垫的铺设，防止焊接时对设备侵蚀。

（2）拼装式，柜体零部件采用紧固件连接装配。其优势有易调节、可直接采用表面处理过的防腐蚀板材加工、美观、标准化、可预生产库存、柜体尺寸精度高等。但连接点不如焊接牢固、柜体强度低、装配繁琐等。

拼装式柜体对结构设计要求更高，需保证零部件的加工精度达标、装配顺序合理、紧固件选用恰当。因为开关设备的总体骨架大都为立柱加横梁的框架结构，拼装不好易出现扭曲现象，要保证整体结构强度、对角线在误差范围内、防止柜体在运输和震动时的扭曲变形，当然，柜体内部的安装板、顶板、底板、侧封板等拼接合理也会增加开关设备的结构强度[2]。

2 柜体结构抗震分析

室内安装的低压成套开关设备，以GB13625和GB50260为标准，使用动态分析法和反应谱分析法。以HAFJ0053和GB13625为标准，设置边界条件。基于核电厂地质情况和建筑结构，假设结构是线弹性多自由度体系，我们决定采用振型分解反应谱法为计算方法[3]。

（1）前处理。由于开关设备内安装有复杂的框架断路器、载流母线、绝缘支撑件等结构，故而决定使用等重和等体积的立方体质量块作为替代品。在进行开关设备骨架计算时以板壳结构作为标准进行操作，建立CAE模型需要采用抽取中界面的方式。

经分析，开关设备所使用的材料主要是覆铝锌钢板（骨架部分）和铜排（母线部分）。所以为了确保计算精度，在进行操作时将网格均匀分成四边形单元（在排除载荷的情况下边长是5 mm），针对于应力梯度比较高的区域需要使用高阶单元的方法进行划分。

（2）静力分析。在进行分析时，笔者采用将开关设备的地震反应谱的分析结果叠加结构本身的静力载荷。这是由于进行分析时，开关设备会因为重力作用而发生刚度的变化，从而影响其原本的自振频率，所以为了防止频率的改变，笔者决定以静力分析为开头步骤，继而进行反应谱分析。针对于底部与地面的连接处添加垂直方向的重力加速度。

（3）模态分析。模态指机械结构本身所具有的振动特性，以其为基，可以展开对整体结构的频率和振型以及各方向的质量参与系数的分析。笔者在进行模态分析时实现了对模型的约束。开展了对前50阶固有频率的求解。

模态结果出来后，对其进行分析，在水平方向上的X轴向和Y轴向的质量参与系数为92.15%和89.63%，该结果符合GB50260标准。而在进行前50阶模态分析中，垂直方向的Z轴向没有出现明显的共振频率（垂直方向的自振频率大于50 Hz），所以在接下来的反应谱合成中可以不再对其Z轴进行分析。该结构的第一平动周期和扭转周期分别是13 Hz和34 Hz。相邻振型周期比是0.383，这个结果是远远低于标准中的0.9，所以在接下来响应谱分析中采用SRSS合成法。

（4）响应普分析。针对于前面各阶振型的模态分析结果，采用要求反应谱（主要是加速度和频率），进行对结构最大响应值的求解分析。设备所在建筑的楼层反应谱如图1所示，安全停堆SSE地震（它的幅值为标准的OBE地震的两倍），阻尼比为5%，以SSE地震（选择条件更加苛刻）作为激励值进行计算。

图1 楼层反应谱

（5）载荷合成及结果。在地震发生时，开关设备需要承受来自楼面加速度造成的动力响应和本体静力载荷的作用力。故而需要组合反应谱分析与静力分析的结果，分析显示承重梁和结构的最大等效应力分别是207 Pa和242 Pa，在分析过程中，开关设备的最大位移出现在柜顶区域，为2.9 mm。为避免出现承重梁受力过载或应力集中的情况，在设计时要对承重梁改变形状或加固结构，开关设备的八个顶点，即柜体拼接的角落部位，增设角部件加以支撑，以分散应力，防止扭曲或断裂，角部件设计成三角形撑板为最佳。为降低地震载荷作用下结构出现惯性力，避免引起共振，需要提高开关设备的本体结构刚度，如改变立柱和横梁的结构形状，或增加其板材厚度。

3 结束语

在SSE地震发生时，要求开关设备主体结构中各构件在弹性变形范围内，紧固件没有明显松动，元器件和零部件没有明显位移或掉落，没有出现柜体垮塌或者变形较大等问题，证明柜体结构刚度好，元器件安装稳定牢固并能正常操作运行，才能满足它在核电厂的使用要求。