劉大虎，張強(qiáng)升,*，江國(guó)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(xiàng)技術(shù)成熟的清潔能源受到了廣泛的關(guān)注。正常運(yùn)行工況下，核電產(chǎn)生的污染物遠(yuǎn)低于火電，運(yùn)行成本也低于光伏、風(fēng)電等其他新能源[1]。早期，我國(guó)核電設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，隨著國(guó)家的引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新等途徑，國(guó)產(chǎn)核電設(shè)備迅速發(fā)展起來(lái)，但相應(yīng)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)和規(guī)定相對(duì)落后[2，3]。核電廠1E級(jí)380 V低壓配電盤可為供電采用動(dòng)力中心（PC）和電動(dòng)機(jī)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(yùn)行或安全停堆、防止放射性物質(zhì)向環(huán)境過(guò)量排放，并保證設(shè)備性能完備，完成對(duì)儀表、電氣設(shè)備的供電。

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

王思潤(rùn)等學(xué)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(duì)核電1E 級(jí)F-C 交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備進(jìn)行了抗震分析[7]。李明成等學(xué)者結(jié)合國(guó)內(nèi)外設(shè)備鑒定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制定了1E 級(jí)充電器、逆變器的鑒定方案，對(duì)元器件評(píng)估、性能及應(yīng)力試驗(yàn)、EMC 試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)、軟件鑒定等環(huán)節(jié)進(jìn)行了重點(diǎn)剖析[8]。

本文分析了某核電站1E 級(jí)380 V 低壓配電盤的抗震性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，提出低壓配電盤的抗震性能試驗(yàn)方法，重點(diǎn)介紹了核電設(shè)備抗震要求、采用人工標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜設(shè)計(jì)、試驗(yàn)方法過(guò)程，最后，通過(guò)試驗(yàn)實(shí)例證明此方法切實(shí)可行。

1 1E級(jí)低壓配電盤設(shè)計(jì)

百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站的380 V低壓配電盤安全等級(jí)為1E級(jí)，鑒定等級(jí)為K3，為核島廠房?jī)?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(jí)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(yùn)行。

為提高設(shè)備的抗震性能，配電盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沿用柜體與可抽出單元的抽屜式設(shè)計(jì)，主母線室、電纜室、抽屜室等功能小室嚴(yán)密隔離，防止故障擴(kuò)散[9]。底盤與底部隔板整體設(shè)計(jì)，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(jìn)入電纜室，將電纜室設(shè)計(jì)為后開門方式。為了方便現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(jì)為上下、左右限位的結(jié)構(gòu)，實(shí)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(jì)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(qiáng)，且具有良好的接地性能；內(nèi)部功能板絕緣件選用進(jìn)口PA66+30%玻璃纖維材料，不含鹵素，具備阻燃特性；電纜及導(dǎo)線符合1E 級(jí)K3類設(shè)計(jì)要求，低煙、無(wú)鹵、阻燃；繼電器體積小、動(dòng)作穩(wěn)定可靠。1E 級(jí)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(jì)圖Fig.1 Low-voltage switchboard frame design

表1 1E級(jí)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(jì)反應(yīng)譜分析

我國(guó)對(duì)核電廠抗震計(jì)算方法中的計(jì)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(shí)程分析中計(jì)算時(shí)長(zhǎng)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(jí)地震設(shè)計(jì)方法，核電廠兩級(jí)地震分別指代的是安全停堆地震（SSE）和運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）。美國(guó)原子能委員會(huì)（USAEC）給出了安全停堆地震和運(yùn)行基準(zhǔn)地震的定義[10]：

OBE：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(yùn)行的地震震動(dòng)[11]。

SSE：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(dòng)。發(fā)生SSE 地震時(shí)，安全重要物項(xiàng)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(dá)到允許限制時(shí)，具有防止或減輕這類事故后果的能力[11]。

學(xué)者普遍認(rèn)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(dǎo)出的OBE 地震動(dòng)能夠達(dá)到較高的置信度，二者的量級(jí)關(guān)系為：

2.2 迭代擬合設(shè)計(jì)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(dòng)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^(guò)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(jì)反應(yīng)譜、功率譜密度、設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)程等。1941年，Biot等人提出用反應(yīng)譜理論描述結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震動(dòng)特性之間的動(dòng)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(dòng)力學(xué)方法計(jì)算質(zhì)點(diǎn)體系地震反應(yīng)，建立反應(yīng)譜。然后，用加速度反應(yīng)譜計(jì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，設(shè)計(jì)地震作用。

i 振型j 質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)的水平地震作用；

ξ——結(jié)構(gòu)的實(shí)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(diǎn)在X方向的水平相對(duì)位移；

Gj——j質(zhì)點(diǎn)的重力荷載。

水平地震影響系數(shù)α 為質(zhì)點(diǎn)在地震時(shí)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(dāng)0≤Te≤0.1時(shí)：

當(dāng)0.1 ≤Te≤Ts時(shí)：

當(dāng)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(shí)間。

當(dāng)把結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，采用平方和的平方根法（SRSS方法），如式（6）所示；當(dāng)采用空間協(xié)同分析或空間分析方法時(shí)，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(diǎn)的加速度即樓層上設(shè)備的輸入加速度由公式（8）計(jì)算可得[14]；

j質(zhì)點(diǎn)的樓層反應(yīng)譜可以由式（9）求得；

地震運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jì)反應(yīng)譜方法中，阻尼對(duì)求解的結(jié)果影響很大。試驗(yàn)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(chǎng)抗震試驗(yàn)方法研究

抗震試驗(yàn)基本原則是以一定安全裕度系數(shù)模擬在設(shè)備固定點(diǎn)處由地震產(chǎn)生的假定運(yùn)動(dòng)，在該設(shè)備上對(duì)在規(guī)定的運(yùn)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(jìn)行檢查。

抗震試驗(yàn)中，配電盤應(yīng)以模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝的方式固定在抗震試驗(yàn)臺(tái)上。采用8個(gè)M20的螺栓安裝在剛性底座上，剛性底座采用M30 螺栓和振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面剛性連接。試驗(yàn)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(hào)管線的影響。試驗(yàn)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(yàn)分析方法如圖2所示。

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

試驗(yàn)期間，需要對(duì)振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以檢查參考運(yùn)動(dòng)的正確性，并通過(guò)適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)測(cè)量來(lái)確定所施加的振動(dòng)加速度。試驗(yàn)中選取足夠5個(gè)測(cè)點(diǎn)作為最有代表性的測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均包含X、Y、Z 3個(gè)方向，可以在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面和配電盤上安裝足夠數(shù)量的振動(dòng)傳感器及其信號(hào)處理設(shè)備，具有代表性的測(cè)點(diǎn)包括距振動(dòng)臺(tái)的最遠(yuǎn)點(diǎn)MA1、試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)有可能產(chǎn)生共振的大物件上的點(diǎn)MA4、固定點(diǎn)的受力MA5，都應(yīng)該有測(cè)量點(diǎn)以便測(cè)量和分析臺(tái)面和配電盤的振動(dòng)特性。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 設(shè)備試驗(yàn)中的測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Test point layout on the switchboard

3.1 動(dòng)態(tài)探查試驗(yàn)

利用反應(yīng)譜求最大地震響應(yīng)時(shí)，需要先進(jìn)行固有頻率和振型的計(jì)算。動(dòng)態(tài)探查試驗(yàn)在抗震試驗(yàn)前進(jìn)行，用來(lái)測(cè)定設(shè)備的自振頻率。地震時(shí)，樓層的運(yùn)動(dòng)是在所有方向上同時(shí)發(fā)生的，樓層反應(yīng)譜可分解到3個(gè)主軸方向，探查試驗(yàn)也需分別在3軸方向做自振分析。

同時(shí)在X、Y、Z 3個(gè)正交軸向輸入0～50 Hz頻率范圍的白噪聲隨機(jī)波進(jìn)行激振，加速度幅值為0.2g，持續(xù)時(shí)間為20 s，試驗(yàn)測(cè)得配電盤的自振頻率。對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)探查試驗(yàn)期間，當(dāng)某一頻率下產(chǎn)生機(jī)械共振，使實(shí)測(cè)的強(qiáng)度與激振強(qiáng)度之比（放大系數(shù)）大于2時(shí)，即可確定為自振頻率。如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)加速度測(cè)點(diǎn)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(yàn)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的3個(gè)正交軸向自振頻率與MA1 處X 方向的傳遞函數(shù)同理，測(cè)得的配電盤各加速度測(cè)點(diǎn)的自振頻率詳見表2。通過(guò)對(duì)1E級(jí)低壓配電盤進(jìn)行白噪聲法動(dòng)態(tài)探查試驗(yàn)，測(cè)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)測(cè)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(yàn)

抗震試驗(yàn)包括OBE 和SSE 地震試驗(yàn)，均采用多頻波法在配電盤的3 個(gè)正交軸向同時(shí)進(jìn)行激振，即采用獨(dú)立加速度時(shí)程的三軸試驗(yàn)。在SSE 地震試驗(yàn)前，需要完成5 次OBE 地震試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證發(fā)生概率最大的地震時(shí)不會(huì)損害試驗(yàn)件的性能，也不會(huì)產(chǎn)生疲勞和老化，即使地震實(shí)際存在而未被探測(cè)出時(shí)也不會(huì)在隨后發(fā)生的SSE 地震中導(dǎo)致設(shè)備性能出現(xiàn)故障。采用地震液壓臺(tái)臺(tái)面加速度信號(hào)作為完成OBE 和SSE 地震試驗(yàn)的控制信號(hào)。試驗(yàn)中，取OBE=1/2SSE，OBE 和SSE 地震試驗(yàn)阻尼比均取5%。

OBE 地震試驗(yàn)中配電盤在振動(dòng)臺(tái)上的固定方式與動(dòng)態(tài)探查試驗(yàn)相同，在水平和垂直方向同時(shí)施加人工模擬加速度時(shí)程，此波形由OBE地震反應(yīng)譜求出，試驗(yàn)次數(shù)為5次，每次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)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(biāo)高處樓層反應(yīng)譜。試驗(yàn)前，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件將X、Y、Z 3個(gè)方向的反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換成人工模擬加速度時(shí)程。用于OBE 試驗(yàn)的X 軸向人工地震波反應(yīng)譜如圖5 所示。在OBE試驗(yàn)時(shí)，對(duì)X、Y、Z 3個(gè)正交軸向輸入的人工地震波放大10%，確保試驗(yàn)中人工地震波的反應(yīng)譜包絡(luò)要求的反應(yīng)譜。試驗(yàn)時(shí)，配電盤所處最高樓層及最大加速度作為產(chǎn)品進(jìn)行抗震試驗(yàn)時(shí)的依據(jù)。OBE試驗(yàn)X軸向臺(tái)面加速度反應(yīng)譜如圖6所示。

在5次OBE地震試驗(yàn)期間和試驗(yàn)后，配電盤結(jié)構(gòu)無(wú)裂痕，螺釘、螺母沒(méi)有松動(dòng)和脫落，無(wú)損傷及變形。X、Y、Z 3 個(gè)軸向的試驗(yàn)反應(yīng)譜（TRS）均包絡(luò)了要求反應(yīng)譜（RRS）。5 次OBE地震試驗(yàn)期間，對(duì)配電盤進(jìn)行不間斷功能檢測(cè)，數(shù)據(jù)表明監(jiān)測(cè)通道數(shù)據(jù)均無(wú)不正常跳動(dòng)，數(shù)據(jù)正常。

圖5 OBE地震試驗(yàn)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(yàn)X軸向臺(tái)面加速度反應(yīng)譜Fig.6 OBE acceleration response spectrum along X direction

3.3 SSE地震試驗(yàn)

5次OBE地震試驗(yàn)完成后，采用SSE人工模擬加速度時(shí)程作為輸入完成1 次SSE 地震試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為30 s。

SSE 地震試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，對(duì)配電盤負(fù)荷、電氣及機(jī)械條件進(jìn)行了檢查，配電盤柜體無(wú)裂縫，螺釘螺母無(wú)松動(dòng)脫落現(xiàn)象，機(jī)械操作部件功能保持完好；配電盤各個(gè)功能單元在運(yùn)行、試驗(yàn)、隔離等位置操作靈活；配電盤參數(shù)無(wú)不正常變化，各項(xiàng)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。SSE地震試驗(yàn)期間，X、Y、Z 3 個(gè)軸向的TRS 均包絡(luò)了RRS，對(duì)配電盤進(jìn)行不間斷功能檢測(cè)，數(shù)據(jù)表明監(jiān)測(cè)通道數(shù)據(jù)均無(wú)不正常跳動(dòng)，配電盤各個(gè)功能單元能夠正常運(yùn)行、關(guān)合、開斷及實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)計(jì)功能，各項(xiàng)性能符合要求。

4 結(jié)論

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