基于反應(yīng)譜法的1E 級配電盤抗震性能試驗

劉大虎，張強升,*，江國梁

（1. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 山東泰開成套電器有限公司，泰安 271000）

隨著化石能源的消耗，核電作為一項技術(shù)成熟的清潔能源受到了廣泛的關(guān)注。正常運行工況下，核電產(chǎn)生的污染物遠低于火電，運行成本也低于光伏、風電等其他新能源[1]。早期，我國核電設(shè)備嚴重依賴進口，隨著國家的引進、消化、吸收、創(chuàng)新等途徑，國產(chǎn)核電設(shè)備迅速發(fā)展起來，但相應(yīng)試驗檢測技術(shù)和規(guī)定相對落后[2，3]。核電廠1E級380 V低壓配電盤可為供電采用動力中心（PC）和電動機控制中心（MCC）等廠用電設(shè)備供電，是核電廠的重要設(shè)備，要求核電廠在地震情況下能夠正常運行或安全停堆、防止放射性物質(zhì)向環(huán)境過量排放，并保證設(shè)備性能完備，完成對儀表、電氣設(shè)備的供電。

設(shè)備質(zhì)量鑒定是通過論證分析、試驗方法或運行經(jīng)驗證明設(shè)備在運行條件下能否按規(guī)定完成動作[4，5]。論證分析法以運行經(jīng)驗和物理定律為基礎(chǔ)，運用數(shù)學模型對設(shè)備按規(guī)定完成動作的可行性進行邏輯推導；型式試驗法是通過模擬惡劣環(huán)境驗證設(shè)備在規(guī)定時間內(nèi)的功能；運行經(jīng)驗法是通過收集類似設(shè)備在相近環(huán)境下的運行數(shù)據(jù)驗證設(shè)備的安全功能。由于我國對1E 級設(shè)備應(yīng)用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累不足，且受限于設(shè)備數(shù)學模型的準確性，因此，需要采用不同方法的組合驗證設(shè)備質(zhì)量。我國lE級380 V低壓配電盤的質(zhì)量鑒定依據(jù)主要為核安全導則、IEEE、IEC、GB、RCC-E及相關(guān)行業(yè)標準[6]。

王思潤等學者采用Workbench模擬仿真開關(guān)柜在地震作用下的變形，并用振型分解反應(yīng)譜法對核電1E 級F-C 交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備進行了抗震分析[7]。李明成等學者結(jié)合國內(nèi)外設(shè)備鑒定的實踐經(jīng)驗制定了1E 級充電器、逆變器的鑒定方案，對元器件評估、性能及應(yīng)力試驗、EMC 試驗、抗震試驗、軟件鑒定等環(huán)節(jié)進行了重點剖析[8]。

本文分析了某核電站1E 級380 V 低壓配電盤的抗震性能結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，結(jié)合《核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備抗震檢定》（GB 13625—1992）等標準，提出低壓配電盤的抗震性能試驗方法，重點介紹了核電設(shè)備抗震要求、采用人工標準反應(yīng)譜設(shè)計、試驗方法過程，最后，通過試驗實例證明此方法切實可行。

1 1E級低壓配電盤設(shè)計

百萬千瓦級核電站的380 V低壓配電盤安全等級為1E級，鑒定等級為K3，為核島廠房內(nèi)的應(yīng)急廠用設(shè)備供電。除了應(yīng)具有常規(guī)產(chǎn)品的性能，在抗震及抗老化方面均有更高的要求：柜體使用壽命40 年，安全級元器件使用壽命20年，在地震工況及規(guī)定的事故條件下能夠安全運行。

為提高設(shè)備的抗震性能，配電盤結(jié)構(gòu)設(shè)計沿用柜體與可抽出單元的抽屜式設(shè)計，主母線室、電纜室、抽屜室等功能小室嚴密隔離，防止故障擴散[9]。底盤與底部隔板整體設(shè)計，保證固定橫梁剛度和地板牢固；采用雙立柱結(jié)構(gòu)柜體，骨架部位加厚滑塊和三角支架處的連接。三相主母排裝于配電盤頂部，從柜體側(cè)面延伸至變壓器頂部；母線安裝在配電盤下方，緊密布置在柜體邊，保證接地連續(xù)性。為使一次和二次電纜從柜頂和柜底進入電纜室，將電纜室設(shè)計為后開門方式。為了方便現(xiàn)場布線并安裝走線槽，端子排前方預(yù)留出二次電纜的走線空間。抽屜單元分為8E/4、8E/2、8E、16E、24E 共5 種類型，通過操作手柄控制，并加3 把掛鎖鞏固定位。8E/4、8E/2 抽屜采用“燕尾槽”式結(jié)構(gòu)與底軌配合，保證抽屜的整體抗震性能；8E、16E、24E 抽屜設(shè)計為上下、左右限位的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)前后鎖定功能，使抽屜緊密連接在柜體上，提高配電盤的抗震性能。低壓配電盤框架設(shè)計如圖1所示。

配電盤柜體骨架及側(cè)板都使用優(yōu)質(zhì)敷鋁鋅板，抗腐蝕強，且具有良好的接地性能；內(nèi)部功能板絕緣件選用進口PA66+30%玻璃纖維材料，不含鹵素，具備阻燃特性；電纜及導線符合1E 級K3類設(shè)計要求，低煙、無鹵、阻燃；繼電器體積小、動作穩(wěn)定可靠。1E 級低壓配電盤基本技術(shù)參數(shù)詳見表1。

圖1 低壓配電盤框架設(shè)計圖Fig.1 Low-voltage switchboard frame design

表1 1E級低壓配電盤基本技術(shù)參數(shù)Table 1 Basic technical parameters of 1E grade low voltage switchboard

2 設(shè)計反應(yīng)譜分析

我國對核電廠抗震計算方法中的計算模型建立、設(shè)備阻尼設(shè)定、反應(yīng)譜分析中響應(yīng)譜頻譜值、時程分析中計算時長以及載荷組合方式等已有明確規(guī)定。

2.1 抗震性能要求

基于Housner和Hodson提出的二級地震設(shè)計方法，核電廠兩級地震分別指代的是安全停堆地震（SSE）和運行基準地震（OBE）。美國原子能委員會（USAEC）給出了安全停堆地震和運行基準地震的定義[10]：

OBE：在設(shè)計基準期內(nèi)，年超越概率為0.2%的地震，其峰值加速度不小于0.075g。通常為核電廠能正常運行的地震震動[11]。

SSE：在設(shè)計基準期內(nèi)，年超越概率為0.01%的地震，其峰值加速度不小于0.15g。通常為核電廠可能遭受的最大地震震動。發(fā)生SSE 地震時，安全重要物項仍需保持下列功能：（1）反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的完整性；（2）具有關(guān)停反應(yīng)堆并將其保持在安全停堆狀態(tài)下的能力；（3）事故引起的廠外照射水平達到允許限制時，具有防止或減輕這類事故后果的能力[11]。

學者普遍認為：極限安全地震應(yīng)作為優(yōu)先控制的地震載荷，在此基礎(chǔ)上推導出的OBE 地震動能夠達到較高的置信度，二者的量級關(guān)系為：

2.2 迭代擬合設(shè)計反應(yīng)譜

具體工況中，支撐不同電氣設(shè)備的樓層經(jīng)受由建筑物結(jié)構(gòu)傳送的振動波，建筑物結(jié)構(gòu)在某種程度上將由地面?zhèn)魉偷牡卣鸩右赃^濾或者將這種地震波的作用放大。

地震波輸入分析形式有設(shè)計反應(yīng)譜、功率譜密度、設(shè)計運行時程等。1941年，Biot等人提出用反應(yīng)譜理論描述結(jié)構(gòu)動力特性與地震動特性之間的動力關(guān)系[12]。反應(yīng)譜分析方法基于線性迭加原理又稱為振型疊加法。首先，用動力學方法計算質(zhì)點體系地震反應(yīng)，建立反應(yīng)譜。然后，用加速度反應(yīng)譜計算結(jié)構(gòu)最大慣性力，以此作為結(jié)構(gòu)的等效地震荷載。最后，按照靜力方法進行結(jié)構(gòu)計算，設(shè)計地震作用。

i 振型j 質(zhì)點的水平方向地震作用可用式（2）求解：

式中，F(xiàn)ij——i振型j質(zhì)點的水平地震作用；

ξ——結(jié)構(gòu)的實際阻尼比；

αij——相應(yīng)i振型自振周期的水平地震影響系數(shù)；

γi——i振型的參與系數(shù)；

Xij——i振型j質(zhì)點在X方向的水平相對位移；

Gj——j質(zhì)點的重力荷載。

水平地震影響系數(shù)α 為質(zhì)點在地震時以重力加速度g為單位的最大反應(yīng)加速度，取值方式為：

當0≤Te≤0.1時：

當0.1 ≤Te≤Ts時：

當Te≥Ts

式中，αmax——水平地震影響系數(shù)最大值；

Te——結(jié)構(gòu)自振周期；

Ts——樓面特征周期；

T——地震波持續(xù)時間。

當把結(jié)構(gòu)模型簡化成平面結(jié)構(gòu)進行分析時，采用平方和的平方根法（SRSS方法），如式（6）所示；當采用空間協(xié)同分析或空間分析方法時，考慮空間各振型的相互影響，采用完全二次方程法（CQC方法）[13]，如式（7）所示。

式中，S——振型組合后的彎矩、剪力、軸力或位移[13]；

m——需參加組合的振型數(shù)；

Si——由i 振型等效地震荷載求出的彎矩、剪力、軸力或位移；

Sr——由r 振型等效地震荷載求出的彎矩、剪力、軸力或位移；

pir——i振型與r振型的相關(guān)系數(shù)。

j 質(zhì)點的加速度即樓層上設(shè)備的輸入加速度由公式（8）計算可得[14]；

j質(zhì)點的樓層反應(yīng)譜可以由式（9）求得；

地震運動時程曲線Z（t）（0≤t≤T）和反應(yīng)譜Sj（Te，ξ）關(guān)系如式（10）所示。

式中，h（τ，ξ）——振子的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)。

在設(shè)計反應(yīng)譜方法中，阻尼對求解的結(jié)果影響很大。試驗中，將控制盤、柜的阻尼比設(shè)置為臨界阻尼比的5%～7%（在焊接的情況下為4%）；電纜托架的阻尼比設(shè)置為臨界阻尼比的10%（在焊接的情況下為4%）。

3 現(xiàn)場抗震試驗方法研究

抗震試驗基本原則是以一定安全裕度系數(shù)模擬在設(shè)備固定點處由地震產(chǎn)生的假定運動，在該設(shè)備上對在規(guī)定的運行條件下的OBE和SSE地震期間及以后執(zhí)行安全功能的能力進行檢查。

抗震試驗中，配電盤應(yīng)以模擬現(xiàn)場實際安裝的方式固定在抗震試驗臺上。采用8個M20的螺栓安裝在剛性底座上，剛性底座采用M30 螺栓和振動臺臺面剛性連接。試驗期間，配電盤主回路不受電，僅控制回路受電，需要考慮電氣接線和傳感信號管線的影響。試驗中，將與低壓配電盤面板水平平行方向定義為X軸向，將與之垂直的水平方向定義為Y軸向，將配電盤豎直向上的方向定義為Z軸向。設(shè)備抗震性能試驗分析方法如圖2所示。

圖2 1E 級設(shè)備抗震性能分析方法Fig.2 Seismic performance analysis method for 1E equipment

試驗期間，需要對振動臺的運動進行監(jiān)測，以檢查參考運動的正確性，并通過適當?shù)恼駝訙y量來確定所施加的振動加速度。試驗中選取足夠5個測點作為最有代表性的測量點，每個測點均包含X、Y、Z 3個方向，可以在振動臺臺面和配電盤上安裝足夠數(shù)量的振動傳感器及其信號處理設(shè)備，具有代表性的測點包括距振動臺的最遠點MA1、試驗頻率范圍內(nèi)有可能產(chǎn)生共振的大物件上的點MA4、固定點的受力MA5，都應(yīng)該有測量點以便測量和分析臺面和配電盤的振動特性。試驗測點布置如圖3所示。

圖3 設(shè)備試驗中的測點布置圖Fig.3 Test point layout on the switchboard

3.1 動態(tài)探查試驗

利用反應(yīng)譜求最大地震響應(yīng)時，需要先進行固有頻率和振型的計算。動態(tài)探查試驗在抗震試驗前進行，用來測定設(shè)備的自振頻率。地震時，樓層的運動是在所有方向上同時發(fā)生的，樓層反應(yīng)譜可分解到3個主軸方向，探查試驗也需分別在3軸方向做自振分析。

同時在X、Y、Z 3個正交軸向輸入0～50 Hz頻率范圍的白噪聲隨機波進行激振，加速度幅值為0.2g，持續(xù)時間為20 s，試驗測得配電盤的自振頻率。對設(shè)備進行動態(tài)探查試驗期間，當某一頻率下產(chǎn)生機械共振，使實測的強度與激振強度之比（放大系數(shù)）大于2時，即可確定為自振頻率。如圖4所示，試驗時加速度測點MA1處X 方向的傳遞函數(shù)，從圖中可知MA1 處X 方向的自振頻率約為12.0 Hz。

其他試驗測點測得的3個正交軸向自振頻率與MA1 處X 方向的傳遞函數(shù)同理，測得的配電盤各加速度測點的自振頻率詳見表2。通過對1E級低壓配電盤進行白噪聲法動態(tài)探查試驗，測得配電盤在X軸向的自振頻率為12.0 Hz，Y軸向的自振頻率為19.5 Hz，Z軸向的自振頻率為25.9 Hz。

圖4 加速度測點MA1處X方向的傳遞函數(shù)Fig.4 Transfer function in the X direction at the acceleration measurement point MA1

表2 配電盤各加速度測點測得的自振頻率Table 2 Resonance frequency measured by each acceleration test point of the switchboard

3.2 OBE地震試驗

抗震試驗包括OBE 和SSE 地震試驗，均采用多頻波法在配電盤的3 個正交軸向同時進行激振，即采用獨立加速度時程的三軸試驗。在SSE 地震試驗前，需要完成5 次OBE 地震試驗。試驗?zāi)康氖球炞C發(fā)生概率最大的地震時不會損害試驗件的性能，也不會產(chǎn)生疲勞和老化，即使地震實際存在而未被探測出時也不會在隨后發(fā)生的SSE 地震中導致設(shè)備性能出現(xiàn)故障。采用地震液壓臺臺面加速度信號作為完成OBE 和SSE 地震試驗的控制信號。試驗中，取OBE=1/2SSE，OBE 和SSE 地震試驗阻尼比均取5%。

OBE 地震試驗中配電盤在振動臺上的固定方式與動態(tài)探查試驗相同，在水平和垂直方向同時施加人工模擬加速度時程，此波形由OBE地震反應(yīng)譜求出，試驗次數(shù)為5次，每次試驗持續(xù)時間30 s。

本文采用的樓板反應(yīng)譜RRS 為某核電工程電氣和連接廠房11.3 m 標高處樓層反應(yīng)譜。試驗前，通過計算機軟件將X、Y、Z 3個方向的反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換成人工模擬加速度時程。用于OBE 試驗的X 軸向人工地震波反應(yīng)譜如圖5 所示。在OBE試驗時，對X、Y、Z 3個正交軸向輸入的人工地震波放大10%，確保試驗中人工地震波的反應(yīng)譜包絡(luò)要求的反應(yīng)譜。試驗時，配電盤所處最高樓層及最大加速度作為產(chǎn)品進行抗震試驗時的依據(jù)。OBE試驗X軸向臺面加速度反應(yīng)譜如圖6所示。

在5次OBE地震試驗期間和試驗后，配電盤結(jié)構(gòu)無裂痕，螺釘、螺母沒有松動和脫落，無損傷及變形。X、Y、Z 3 個軸向的試驗反應(yīng)譜（TRS）均包絡(luò)了要求反應(yīng)譜（RRS）。5 次OBE地震試驗期間，對配電盤進行不間斷功能檢測，數(shù)據(jù)表明監(jiān)測通道數(shù)據(jù)均無不正常跳動，數(shù)據(jù)正常。

圖5 OBE地震試驗X軸向人工地震波反應(yīng)譜Fig.5 OBE artificial seismic wave response spectrum along X direction

圖6 OBE 試驗X軸向臺面加速度反應(yīng)譜Fig.6 OBE acceleration response spectrum along X direction

3.3 SSE地震試驗

5次OBE地震試驗完成后，采用SSE人工模擬加速度時程作為輸入完成1 次SSE 地震試驗，試驗時間為30 s。

SSE 地震試驗前和試驗后，對配電盤負荷、電氣及機械條件進行了檢查，配電盤柜體無裂縫，螺釘螺母無松動脫落現(xiàn)象，機械操作部件功能保持完好；配電盤各個功能單元在運行、試驗、隔離等位置操作靈活；配電盤參數(shù)無不正常變化，各項性能符合標準要求。SSE地震試驗期間，X、Y、Z 3 個軸向的TRS 均包絡(luò)了RRS，對配電盤進行不間斷功能檢測，數(shù)據(jù)表明監(jiān)測通道數(shù)據(jù)均無不正常跳動，配電盤各個功能單元能夠正常運行、關(guān)合、開斷及實現(xiàn)保護設(shè)計功能，各項性能符合要求。

4 結(jié)論

基于核電配電設(shè)備對于應(yīng)對地震特殊工況下的性能要求，本文分析了1E 級380 V 低壓配電盤設(shè)計需求。結(jié)合IEEE、IEC、GB、RCC-E文件，提出基于設(shè)計反應(yīng)譜的低壓配電盤抗震性能分析方法，實例分析表明，此方法能夠準確驗證配電盤抗震性能。此方法能為我國1E 級低壓配電盤的抗震性能分析提供思路，為我國核電廠建設(shè)設(shè)備提供安全評估方法。