預(yù)制艙機(jī)架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂志娟， 殷帥兵

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

智能變電站預(yù)制艙采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)理念，經(jīng)過多個試點(diǎn)工程驗(yàn)證，取得了較大的建設(shè)效益。2014年二次設(shè)備預(yù)制艙外形尺寸寬度方向擴(kuò)展為2800 mm，以便于設(shè)備運(yùn)行維護(hù)，“前接線、前顯示”裝置結(jié)構(gòu)屏柜雙列靠墻布置方式已得到廣泛應(yīng)用。預(yù)制艙整體面積更為緊湊，變電站建設(shè)成本更低、綠色環(huán)保，但機(jī)柜通常為標(biāo)準(zhǔn)的800 mm尺寸，框架占用空間大，在狹小的預(yù)制艙內(nèi)，空間利用率低。機(jī)架式結(jié)構(gòu)是一種簡化的標(biāo)準(zhǔn)19 in設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)，艙內(nèi)設(shè)備容納率更高；機(jī)架與艙體一體化設(shè)計(jì)的應(yīng)用增強(qiáng)了機(jī)架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，艙內(nèi)空間利用率更高。

本文以二次設(shè)備預(yù)制艙機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對象，針對國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（I、II、III）型預(yù)制艙機(jī)架的新結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行模態(tài)分析，并對機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高預(yù)制艙機(jī)架結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性；改變傳統(tǒng)機(jī)柜配線到艙內(nèi)安裝的串行作業(yè)為并行作業(yè)形式，二次設(shè)備接線和艙內(nèi)調(diào)試工作效率得以極大提高，預(yù)制艙交付周期縮短，變電站建設(shè)周期加快，建設(shè)成本降低。

1 預(yù)制艙機(jī)架結(jié)構(gòu)

變電站二次設(shè)備預(yù)制艙采用的是國網(wǎng)企標(biāo)Q/GDW11157-2014 中 標(biāo) 準(zhǔn)（I、II、III）型 艙，預(yù) 制艙內(nèi)機(jī)架采用雙列靠墻布置方案，機(jī)架內(nèi)裝置為前接線方式，艙內(nèi)空間利用率極大提升。預(yù)制艙采用預(yù)制線纜實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的電纜、光纜標(biāo)準(zhǔn)化連接，采用一體化機(jī)架框架、獨(dú)立功能單元的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了“一體式機(jī)架框架”及“模塊化功能單元”相結(jié)合的新型機(jī)架結(jié)構(gòu)方案，出廠前完成艙內(nèi)接線及調(diào)試工作，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備的即插即用。

1.1 一體式機(jī)架框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）一體式機(jī)架框架其安裝格局配置為一系列成對的垂直立柱結(jié)構(gòu)件，每相鄰倆模塊單元可共用一件機(jī)架立柱，每對垂直立柱在深度方向采用前端面落差式設(shè)計(jì)，每組模塊單元右側(cè)自然形成一個縱向檢修空間，用于模塊化功能單元中屏端子布置及電纜、光纜等走線及后期檢修使用。整個機(jī)架范圍內(nèi)的設(shè)備，均可通過每單元右側(cè)縱向檢修空間及下端橫向線纜通道實(shí)現(xiàn)內(nèi)部行線系統(tǒng)，覆蓋內(nèi)部所有設(shè)備；同時，機(jī)架立柱下端做切面設(shè)計(jì)，預(yù)留出足夠空間作為線纜通道及檢修通道，設(shè)備之間的連接通暢。

2）機(jī)架框架按照位置順序依次放置于艙內(nèi)底座機(jī)架支撐處，并通過底座、后端橫向連接架及頂部橫向連接板實(shí)現(xiàn)與預(yù)制艙底座、墻壁、頂部天花板三向連接，結(jié)構(gòu)牢固，安全性高。

3）利用機(jī)架下部附件安裝區(qū)的有限空間，設(shè)計(jì)輔助功能模塊結(jié)構(gòu)，其上端面兩端設(shè)置縱向滑道，作為承載模塊化功能單元結(jié)構(gòu)主要支撐面；其本體框架用于安裝存纖盒結(jié)構(gòu)，解決多余尾纜的盤收問題，實(shí)現(xiàn)尾纜、接地銅排等附件的集中安裝，模塊化組裝效率高；且整體輔助功能模塊結(jié)構(gòu)與機(jī)架左右框架連接，機(jī)架框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高。預(yù)制艙機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 預(yù)制艙機(jī)架示意圖

4）預(yù)制艙機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。高度方向：結(jié)合機(jī)架頂部一體化風(fēng)道空間占用需求，機(jī)架選用2300 mm高度規(guī)格，可滿足艙體、設(shè)備安裝、運(yùn)行維護(hù)等方面的要求。寬度方向：根據(jù)二次設(shè)備安裝及配線檢修實(shí)際需用空間，寬度選用700 mm規(guī)格，滿足二次設(shè)備及其他裝置19 in（482.6 mm）規(guī)格安裝，以及右側(cè)縱向檢修通道安裝空間需求。深度方向：考慮機(jī)箱在機(jī)柜內(nèi)必須有空間散熱，由于左右側(cè)空間不大，需利用前后方的空間，因此二次設(shè)備機(jī)架采用550 mm深度。綜上所述，二次設(shè)備機(jī)架規(guī)格采用2300 mm×700 mm×550 mm（高×寬×深）。

1.2 模塊化功能單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)架與艙體一體成型后，若在艙內(nèi)進(jìn)行設(shè)備、附件的安裝及配線工作，會導(dǎo)致二次組合設(shè)備的串行生產(chǎn)，并且在艙內(nèi)狹小環(huán)境內(nèi)進(jìn)行設(shè)備安裝及配線工作，會因?yàn)椴僮骺臻g小、工作強(qiáng)度大而延長生產(chǎn)周期，同時難保證施工質(zhì)量、統(tǒng)一施工工藝。為實(shí)現(xiàn)預(yù)制艙內(nèi)二次設(shè)備安裝、接線、調(diào)試工作與預(yù)制艙生產(chǎn)同步進(jìn)行、并行作業(yè)，對機(jī)架設(shè)備安裝構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)——獨(dú)立模塊化功能單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（獨(dú)立的模塊化、高集成度前接線裝置功能設(shè)備安裝單元結(jié)構(gòu)），可獨(dú)立運(yùn)輸，獨(dú)立進(jìn)行設(shè)備的配線、安裝及調(diào)試工作，解決上述串行及艙內(nèi)生產(chǎn)問題，同時提高在后期改擴(kuò)建或運(yùn)維工作效率，方便施工、服務(wù)運(yùn)維。

充分利用機(jī)架內(nèi)設(shè)備安裝空間，對多間隔設(shè)備進(jìn)行集成安裝，模塊化功能單元結(jié)構(gòu)上端設(shè)為空開安裝區(qū)，左側(cè)為設(shè)備安裝區(qū)，右側(cè)為電氣配線安裝區(qū)，整體結(jié)構(gòu)承載裝置設(shè)備及配線功能；裝置安裝、接線、端子配線工作一氣呵成，各功能模塊分工明確，安裝、使用過程各工序工作流暢。所有模塊安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的線纜歸攏到線纜通道內(nèi)，基本完成了單個機(jī)架單元的電氣設(shè)備安裝、配線工作。

1）空開安裝區(qū)?？臻_采用3U面板，設(shè)備單元區(qū)對應(yīng)空開安裝于該區(qū)域，采取嵌入式安裝在設(shè)備單元內(nèi)部，防止空開誤碰操作。

2）設(shè)備安裝區(qū)。設(shè)備區(qū)為開放式結(jié)構(gòu)，便于巡視空開及各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)19 in尺寸前接線設(shè)備；設(shè)備上下相鄰面板模塊設(shè)計(jì)為19 in前接線形式，保持與設(shè)備前端面平齊及理線方式統(tǒng)一。

3）附件安裝檢修區(qū)。位于機(jī)架右側(cè)，采用單獨(dú)開門模式，該區(qū)域用于布置屏端子、線纜、光纜的安裝、布設(shè)、轉(zhuǎn)接區(qū)域，該區(qū)間高度與設(shè)備安置區(qū)一致。

模塊化功能單元結(jié)構(gòu)組裝完成后（包括前面板布置），需使用模塊工裝組件進(jìn)行臨時支撐，解決整體重心前傾隱患及轉(zhuǎn)運(yùn)問題，保證模塊化功能單元轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)安全進(jìn)行，模塊工裝組件可循環(huán)使用。

1.3 模塊化裝配設(shè)計(jì)

模塊化功能單元結(jié)構(gòu)完成裝置安裝及配線工作后，利用底座平面結(jié)構(gòu)直接擱置在機(jī)架的附件安裝架上端，向內(nèi)推到位后，利用緊固件將前端面兩側(cè)縱向安裝孔與機(jī)架框架立柱相對應(yīng)安裝孔緊固安裝，再將其余結(jié)構(gòu)組件逐一進(jìn)行裝配，即可完成整套預(yù)制艙機(jī)架的結(jié)構(gòu)搭建。機(jī)架內(nèi)各設(shè)備安裝模塊都是遵循方便安裝、易于運(yùn)維、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格設(shè)計(jì)、模塊插接固定的宗旨，因此在進(jìn)行機(jī)架內(nèi)設(shè)備安裝及后期設(shè)備改擴(kuò)建工作時，操作靈活方便、安裝施工快捷準(zhǔn)確。模塊化功能單元結(jié)構(gòu)示意圖和示例圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 模塊化功能單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 模塊化功能單元結(jié)構(gòu)實(shí)例圖

1.4 機(jī)架結(jié)構(gòu)空間利用率對比分析

1）空間利用分析（如表1）。

表1 屏柜（機(jī)架）數(shù)量對比

屏柜模式時，220 kV二次設(shè)備預(yù)制艙預(yù)制艙共需屏柜17面，110 kV及主變二次設(shè)備預(yù)制艙共需屏柜24面；機(jī)架模式時，220 kV二次設(shè)備預(yù)制艙預(yù)制艙共需機(jī)架11面，110 kV及主變二次設(shè)備預(yù)制艙共需機(jī)架13面；節(jié)省屏柜約46%。

2）屏柜（機(jī)架）占用空間對比（如表2）。

表2 屏柜（機(jī)架）占用艙內(nèi)總長度mm

屏柜模式時，220 kV二次設(shè)備預(yù)制艙預(yù)制艙選用6.2 m規(guī)格預(yù)制艙，110 kV及主變二次設(shè)備預(yù)制艙選用9.2 m規(guī)格預(yù)制艙。

機(jī)架模式時，220 kV二次設(shè)備預(yù)制艙預(yù)制艙選用6.2 m規(guī)格預(yù)制艙，但可節(jié)省艙內(nèi)屏柜（機(jī)架）布置空間約12%；110 kV及主變二次設(shè)備預(yù)制艙選用6.2 m規(guī)格預(yù)制艙，可節(jié)省艙體投資成本約28%和占地面積33%。因機(jī)架式結(jié)構(gòu)裝置模塊安裝形式改變、結(jié)構(gòu)更為緊湊，空間利用率更高。

2 預(yù)制艙機(jī)架分析

2.1 機(jī)架承重工況的有限元分析

基于ANSYS Workbench有限元分析軟件，建立機(jī)架的有限元分析模型，并對模型進(jìn)行簡化處理和網(wǎng)格劃分。機(jī)架所采用的材料為Q235鋼，其密度為7850 kg/m3，彈性模量E=200 GPa，泊松比為0.3。機(jī)架的底部固定于預(yù)制艙底座上，背部的橫向后連接板固定于預(yù)制艙墻體上，頂部通過頂部連接件與預(yù)制艙頂部連接，因此以上3種部位均為固定約束（Fixed Support）。本次分析以5組機(jī)架為例，每組上面簡化掉的模型質(zhì)量和設(shè)備質(zhì)量（模塊化功能單元結(jié)構(gòu)）共200 kg，通過等效應(yīng)力施加于機(jī)架相應(yīng)位置。通過仿真分析得到圖4所示的機(jī)架變形云圖。

圖4 機(jī)架結(jié)構(gòu)變形云圖

從圖2可以看出，機(jī)架在承重工況下的最大變形量為0.07 mm，變形量很小。根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，機(jī)架高度h=2569 mm，其允許變形h/400=6.42 mm，機(jī)架的實(shí)際最大變形0.07 mm遠(yuǎn)小于6.42 mm的最大允許變形量要求，說明機(jī)架結(jié)構(gòu)變形情況滿足規(guī)范要求。

2.2 機(jī)架的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率及在各階振型固有頻率下的固有振型和變形量等振動特性。模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，為其他動力學(xué)分析提供了振動數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

機(jī)架的底部、背部的橫向后連接板及機(jī)架頂部連接件固定約束（Fixed Support），對機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析。對模態(tài)分析結(jié)果提取前6階振型的數(shù)據(jù)和云圖，其固有頻率如表3所示。

表3 機(jī)架前6階振型固有頻率 Hz

3 預(yù)制艙機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

3.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)制艙機(jī)架的模態(tài)分析結(jié)果，并結(jié)合模塊化功能單元與機(jī)架框架安裝方式，本文提出機(jī)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案：取消機(jī)架框架單元中右側(cè)豎立柱；優(yōu)化附件單元右側(cè)安裝架，安裝架設(shè)計(jì)支腳直接安裝底座上，右側(cè)與相鄰機(jī)架框架單元相連接。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)架單元僅需1件立柱，機(jī)架立柱數(shù)量減少一半，材料成本降低。

3.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的有限元分析

運(yùn)用ANSYS Workbench有限元分析軟件對優(yōu)化后的機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承重分析，新型機(jī)架結(jié)構(gòu)的變形云圖如圖3所示，最大變形量為0.12 mm，發(fā)生在立柱中間部位。0.12mm的最大變形量仍然遠(yuǎn)小于6.42 mm的最大允許變形量要求，滿足規(guī)范規(guī)定的變形量要求。

對優(yōu)化后的機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，提取前6階振型的固有頻率如表4所示，并提取前6階振型的振型圖如圖7所示。

圖5 預(yù)制艙機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 機(jī)架優(yōu)化后的變形云圖

圖7 機(jī)架振型圖

固有頻率是結(jié)構(gòu)剛度的一個表現(xiàn)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)剛度越大，其固有頻率就越高。從表3和表4可以看出，優(yōu)化后機(jī)架的1階固有頻率降低了2.6%；2階的固有頻率增加了22.7%，3階、4階的固有頻率增加了35.3%，5階、6階的固有頻率增大了37.5%。除了1階振型外，其他各階振型的固有頻率均有所增加，說明優(yōu)化后機(jī)架的整體剛度略優(yōu)于優(yōu)化前。

表4 優(yōu)化后前6階振型固有頻率Hz

3.3 機(jī)架承壓試驗(yàn)

針對預(yù)制艙新型機(jī)架結(jié)構(gòu)，電氣模塊裝配完成后，測量每機(jī)架單元立柱上、中、下端橫向尺寸，最大變形為0.15 mm，發(fā)生在立柱中間位置，機(jī)架單元每相鄰立柱為共用立柱，實(shí)際變形并不明顯，與仿真分析結(jié)果相近，且借用模塊化功能單元與立柱一體式安裝特點(diǎn)，機(jī)架整體強(qiáng)度進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語

針對二次設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)800 mm寬前接線機(jī)柜電氣設(shè)備接線及運(yùn)維檢修作業(yè)不滿足操作空間需要的情況下，設(shè)計(jì)了一種“一體式機(jī)架框架”及“模塊化功能單元”相結(jié)合的新型機(jī)架結(jié)構(gòu)形式。通過機(jī)架承重工況有限元分析，機(jī)架變形和應(yīng)力滿足安全要求，并與實(shí)際承壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了預(yù)制艙機(jī)架結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性；改變傳統(tǒng)機(jī)柜先配線后艙內(nèi)安裝的串行作業(yè)為并行作業(yè)形式，二次設(shè)備接線和艙內(nèi)調(diào)試工作效率得到了極大提高，機(jī)架結(jié)構(gòu)模式的應(yīng)用進(jìn)一步提高了艙內(nèi)空間利用率。

圖8 預(yù)制艙機(jī)架應(yīng)用實(shí)例