電力機(jī)柜抗震特性有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

申 瓊 祝德春 韓德斌

（1．南京南瑞太陽(yáng)能科技有限公司 2．國(guó)電南瑞科技股份有限公司）

電力機(jī)柜抗震特性有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

申 瓊1祝德春2韓德斌2

（1．南京南瑞太陽(yáng)能科技有限公司 2．國(guó)電南瑞科技股份有限公司）

以某電力機(jī)柜為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)柜有限元模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算獲得其振型及相關(guān)頻率,吻合于試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析數(shù)值，驗(yàn)證了所建模型的合理性；參照《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，對(duì)機(jī)柜在地震載荷頻譜下的位移和應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性和有效性，分別通過(guò)仿真分析和地震臺(tái)試驗(yàn)的方式對(duì)機(jī)柜抗震特性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明方案滿足設(shè)計(jì)要求。

機(jī)柜；有限元；優(yōu)化設(shè)計(jì)；抗震特性

0 引言

電力自動(dòng)化設(shè)備是電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，而電力機(jī)柜作為電力自動(dòng)化設(shè)備的載體，是保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行的神經(jīng)中樞，要求具有很高的可靠性。隨著智能電網(wǎng)的深化應(yīng)用和特高壓交直流輸電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電力自動(dòng)化設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求日益提升。通常，機(jī)柜自身固有頻率通常低于15Hz，而地震的主要能量集中在低頻區(qū)域[1]，在地震載荷作用下，由于機(jī)械應(yīng)力疲勞及結(jié)構(gòu)諧振影響，可能出現(xiàn)機(jī)柜結(jié)構(gòu)變形引起的電子接插件性能下降、信號(hào)異常、電路瞬間短路斷路甚至機(jī)柜破壞失效的現(xiàn)象。因此，研究電力機(jī)柜的抗震特性確保其在地震中有足夠的抗震能力，將會(huì)在抗震救災(zāi)中發(fā)揮巨大的作用[2]。

有限元分析技術(shù)作為一門重要的工程技術(shù)，在復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用。本文以某特高壓電力機(jī)柜為對(duì)象，遵循有關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)， 基于有限元技術(shù)對(duì)機(jī)柜進(jìn)行了抗震特性分析，得出機(jī)柜結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)地震振動(dòng)下的響應(yīng)[3]，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析驗(yàn)證，為抗震型機(jī)柜設(shè)計(jì)提供了重要方法。

1 機(jī)柜地震試驗(yàn)方法[4-7]

《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 18663.2—2007/ IEC 61587-2：2000規(guī)定：試驗(yàn)時(shí)，機(jī)柜通過(guò)底部預(yù)留的四個(gè)地腳螺栓連接安裝到試驗(yàn)臺(tái)上， 以模擬實(shí)際運(yùn)行工況。機(jī)柜地震試驗(yàn)的配置（見(jiàn)下圖，圖中尺寸不代表本次分析的真實(shí)尺寸）、配重載荷（表1）基于GB/T 18663.1—2008/IEC61587-1：2007。

圖 機(jī)柜地震試驗(yàn)的配置圖

表1 機(jī)柜配重載荷分布表

機(jī)柜試驗(yàn)采用地震載荷譜按照GB/T 2424.25—2000《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第3部分：試驗(yàn)導(dǎo)則 地震試驗(yàn)方法》和GB/T 2423.48—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Ff：振動(dòng)-時(shí)間歷程法》性能等級(jí)二規(guī)定的載荷譜（水平加速度9m/s2，垂向加速度4.5m/s2）確定。試驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)機(jī)柜前后方向和側(cè)向進(jìn)行加載，垂直方向載荷譜取水平方向的0.5倍。

2 機(jī)柜抗震特性分析

2.1 有限元模型建立

該型機(jī)柜尺寸2200mm×600mm×800mm。包括機(jī)柜框架立柱、橫梁、電纜條、內(nèi)立柱、側(cè)擋板、前后門、側(cè)門、頂蓋與底板等主要結(jié)構(gòu)部件。

機(jī)柜材料為低碳鋼（其中門上安裝有導(dǎo)電鋼化玻璃），材料密度、屈服強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等，如表2所示。

建立有限元模型時(shí)，首先提取機(jī)柜結(jié)構(gòu)的中性面，采用殼單元模型劃分中性面的網(wǎng)格；機(jī)柜的結(jié)構(gòu)件間的連接采用MPC單元進(jìn)行連接；機(jī)柜內(nèi)配重采用集中質(zhì)量單元進(jìn)行模擬，并通過(guò)MPC單元與機(jī)柜內(nèi)安裝立柱進(jìn)行連接。

2.2 模態(tài)分析

利用建立的機(jī)柜有限元模型，對(duì)機(jī)柜框架模態(tài)進(jìn)行計(jì)算；同時(shí)開(kāi)展機(jī)柜框架模態(tài)試驗(yàn)，獲得機(jī)柜框架自振頻率和對(duì)應(yīng)振型。機(jī)柜框架計(jì)算頻率與試驗(yàn)頻率如表3所示：

表3 試驗(yàn)頻率和分析頻率對(duì)照表

從模態(tài)分析結(jié)果可以看出，仿真分析獲得的機(jī)柜框架模態(tài)頻率及振型與模態(tài)試驗(yàn)數(shù)值及振型吻合，分析模型合理，可進(jìn)行下一步分析。

2.3 優(yōu)化前分析結(jié)果

按前述試驗(yàn)方法，進(jìn)行機(jī)柜抗震分析時(shí)，用于安裝地腳螺栓的位于機(jī)柜底部的四個(gè)安裝孔約束類型為完全約束，模擬固定在地震試驗(yàn)臺(tái)上。從該型機(jī)柜優(yōu)化前抗震分析的譜響應(yīng)分析結(jié)果看出，無(wú)論是側(cè)向加載還是前后向加載，機(jī)柜的總體變形較小。機(jī)柜前后門及側(cè)門采用插銷的安裝方式，門板中部變形較大，容易發(fā)生前門玻璃破碎、側(cè)門脫落等情況。需要特別注意的是，機(jī)柜在地震載荷作用下，地腳螺栓孔附近的應(yīng)力值偏大，已超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，存在地腳螺栓孔擴(kuò)張、地腳螺栓脫落，從而導(dǎo)致機(jī)柜動(dòng)態(tài)位移增大甚至倒塌的危險(xiǎn)，給設(shè)備的正常運(yùn)行具有一定的安全隱患。

3 機(jī)柜優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真分析結(jié)果，結(jié)合機(jī)柜在地震載荷作用下的變形行為及破壞機(jī)理，對(duì)該型機(jī)柜抗震能力提升進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。柜體框架采用2.5mm冷軋鋼板折彎焊接成型，整體結(jié)構(gòu)牢固可靠，提高柜體框架的抗彎曲和抗扭轉(zhuǎn)剛度；通過(guò)在螺絲孔四周10cm范圍內(nèi)焊接4～5mm厚鋼板，地腳螺栓安裝在厚板上表面，使得厚板成為一個(gè)載荷擴(kuò)散零件，避免螺栓直接接觸地腳螺栓孔造成的應(yīng)力集中，提高機(jī)柜底部地腳螺栓安裝孔周圍局部強(qiáng)度；機(jī)柜前門采用3副外置鉸鏈的安裝方式進(jìn)行固定，確保機(jī)柜在外載荷作用下機(jī)柜前門振幅相對(duì)較小，以免前門玻璃破壞；側(cè)門通過(guò)8顆金屬螺絲固定在機(jī)柜框架上，提高側(cè)門與機(jī)柜之間的連接強(qiáng)度。

3.2 優(yōu)化后分析結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)柜抗震措施的合理性和有效性，分別通過(guò)仿真分析和地震臺(tái)試驗(yàn)的方式對(duì)機(jī)柜抗震能力進(jìn)行驗(yàn)證。優(yōu)化后機(jī)柜開(kāi)展性能仿真分析結(jié)果得出，整改后的機(jī)柜抗震能力得到了顯著提升，在較為嚴(yán)酷的載荷作用下，地腳螺栓附近的應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后屏柜的抗震性能，開(kāi)展了機(jī)柜抗震特性的試驗(yàn)。由于地震模擬振動(dòng)臺(tái)可以真實(shí)地再現(xiàn)地震過(guò)程，安裝在振動(dòng)臺(tái)上的試件就能受到類似天然地震的作用[8]，故本次試驗(yàn)利用地震模擬臺(tái)進(jìn)行。試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)柜未發(fā)生破壞，試驗(yàn)前后機(jī)柜固有頻率和阻尼比均未發(fā)生改變，表明基于仿真優(yōu)化的機(jī)柜擴(kuò)展性能良好，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)柜的抗震要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)柜抗震特性有限元分析采用譜響應(yīng)分析的方法，有效計(jì)算出機(jī)柜的位移響應(yīng)和盈利分布，快速獲得機(jī)柜在地震載荷作用下的薄弱部位，從而有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化，使?jié)M足抗震特性要求。本文根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求，對(duì)電力機(jī)柜抗震特性進(jìn)行了有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)柜的可靠性設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 祝德春，韓德斌，周桂生,等.基于模態(tài)試驗(yàn)與有限元的電力機(jī)柜動(dòng)力學(xué)分析[J].城市建設(shè)理論研究, 2013，35(3)：58.

[2] 邱成悌，趙悙殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京：東南大學(xué)出版社,2005.

[3] 胡紹貓.基于ANSYS Workbench通信機(jī)柜的抗震分析[J].機(jī)械工程技術(shù), 2014，43(4)：77-79.

[4] GB/T 18663.1-2008/IEC61587-1：2007 電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu) 公制系列和英制系列的試驗(yàn) 第1部分：機(jī)柜、機(jī)架、插箱和機(jī)箱的氣候、機(jī)械試驗(yàn)及安全要求[S].

[5] GB/T 18663.2-2007/IEC 61587-2:2000電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu) 公制和英制系列的試驗(yàn) 第2部分 機(jī)柜和機(jī)架的地震試驗(yàn)[S].

[6] GB/T 2424.25-2000電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第3部分：試驗(yàn)導(dǎo)則 地震試驗(yàn)方法[S].

[7] GB/T 2423.48-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Ff：振動(dòng)-時(shí)間歷程法[S].

[8] 項(xiàng)大鵬. 地震儀表系統(tǒng)的抗震試驗(yàn)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2010,30(1):172-175.

2016-10-10）