电力机柜抗震特性有限元分析及优化设计

2017-01-05祝德春韩德斌

电气技术与经济 2016年6期

关键词：机柜抗震螺栓

申琼祝德春韩德斌

（1．南京南瑞太阳能科技有限公司 2．国电南瑞科技股份有限公司）

电力机柜抗震特性有限元分析及优化设计

申琼1祝德春2韩德斌2

（1．南京南瑞太阳能科技有限公司 2．国电南瑞科技股份有限公司）

以某电力机柜为研究对象，对机柜有限元模型进行模态计算获得其振型及相关频率,吻合于试验模态分析数值，验证了所建模型的合理性；参照《中华人民共和国国家标准》的相关要求，对机柜在地震载荷频谱下的位移和应力进行了仿真分析及优化设计，为进一步验证优化设计的合理性和有效性，分别通过仿真分析和地震台试验的方式对机柜抗震特性进行验证，结果表明方案满足设计要求。

机柜；有限元；优化设计；抗震特性

0 引言

电力自动化设备是电网运行的关键设备，而电力机柜作为电力自动化设备的载体，是保证电网可靠运行的神经中枢，要求具有很高的可靠性。随着智能电网的深化应用和特高压交直流输电技术的进一步发展，电力自动化设备的环境适应性要求日益提升。通常，机柜自身固有频率通常低于15Hz，而地震的主要能量集中在低频区域[1]，在地震载荷作用下，由于机械应力疲劳及结构谐振影响，可能出现机柜结构变形引起的电子接插件性能下降、信号异常、电路瞬间短路断路甚至机柜破坏失效的现象。因此，研究电力机柜的抗震特性确保其在地震中有足够的抗震能力，将会在抗震救灾中发挥巨大的作用[2]。

有限元分析技术作为一门重要的工程技术，在复杂机械结构开发中具有广泛的应用。本文以某特高压电力机柜为对象，遵循有关试验标准，基于有限元技术对机柜进行了抗震特性分析，得出机柜结构在一定频率范围内地震振动下的响应[3]，并进行了优化设计分析验证，为抗震型机柜设计提供了重要方法。

1 机柜地震试验方法[4-7]

《中华人民共和国国家标准》GB/T 18663.2—2007/ IEC 61587-2：2000规定：试验时，机柜通过底部预留的四个地脚螺栓连接安装到试验台上，以模拟实际运行工况。机柜地震试验的配置（见下图，图中尺寸不代表本次分析的真实尺寸）、配重载荷（表1）基于GB/T 18663.1—2008/IEC61587-1：2007。

图机柜地震试验的配置图

表1 机柜配重载荷分布表

机柜试验采用地震载荷谱按照GB/T 2424.25—2000《电工电子产品环境试验第3部分：试验导则地震试验方法》和GB/T 2423.48—2008《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Ff：振动-时间历程法》性能等级二规定的载荷谱（水平加速度9m/s2，垂向加速度4.5m/s2）确定。试验时，分别对机柜前后方向和侧向进行加载，垂直方向载荷谱取水平方向的0.5倍。

2 机柜抗震特性分析

2.1 有限元模型建立

该型机柜尺寸2200mm×600mm×800mm。包括机柜框架立柱、横梁、电缆条、内立柱、侧挡板、前后门、侧门、顶盖与底板等主要结构部件。

机柜材料为低碳钢（其中门上安装有导电钢化玻璃），材料密度、屈服强度、弹性模量、泊松比等，如表2所示。

建立有限元模型时，首先提取机柜结构的中性面，采用壳单元模型划分中性面的网格；机柜的结构件间的连接采用MPC单元进行连接；机柜内配重采用集中质量单元进行模拟，并通过MPC单元与机柜内安装立柱进行连接。

2.2 模态分析

利用建立的机柜有限元模型，对机柜框架模态进行计算；同时开展机柜框架模态试验，获得机柜框架自振频率和对应振型。机柜框架计算频率与试验频率如表3所示：

表3 试验频率和分析频率对照表

从模态分析结果可以看出，仿真分析获得的机柜框架模态频率及振型与模态试验数值及振型吻合，分析模型合理，可进行下一步分析。

2.3 优化前分析结果

按前述试验方法，进行机柜抗震分析时，用于安装地脚螺栓的位于机柜底部的四个安装孔约束类型为完全约束，模拟固定在地震试验台上。从该型机柜优化前抗震分析的谱响应分析结果看出，无论是侧向加载还是前后向加载，机柜的总体变形较小。机柜前后门及侧门采用插销的安装方式，门板中部变形较大，容易发生前门玻璃破碎、侧门脱落等情况。需要特别注意的是，机柜在地震载荷作用下，地脚螺栓孔附近的应力值偏大，已超过材料的屈服强度，存在地脚螺栓孔扩张、地脚螺栓脱落，从而导致机柜动态位移增大甚至倒塌的危险，给设备的正常运行具有一定的安全隐患。

3 机柜优化设计及分析验证

3.1 优化设计

根据仿真分析结果，结合机柜在地震载荷作用下的变形行为及破坏机理，对该型机柜抗震能力提升进行了优化设计。柜体框架采用2.5mm冷轧钢板折弯焊接成型，整体结构牢固可靠，提高柜体框架的抗弯曲和抗扭转刚度；通过在螺丝孔四周10cm范围内焊接4～5mm厚钢板，地脚螺栓安装在厚板上表面，使得厚板成为一个载荷扩散零件，避免螺栓直接接触地脚螺栓孔造成的应力集中，提高机柜底部地脚螺栓安装孔周围局部强度；机柜前门采用3副外置铰链的安装方式进行固定，确保机柜在外载荷作用下机柜前门振幅相对较小，以免前门玻璃破坏；侧门通过8颗金属螺丝固定在机柜框架上，提高侧门与机柜之间的连接强度。

3.2 优化后分析结果

为进一步验证机柜抗震措施的合理性和有效性，分别通过仿真分析和地震台试验的方式对机柜抗震能力进行验证。优化后机柜开展性能仿真分析结果得出，整改后的机柜抗震能力得到了显著提升，在较为严酷的载荷作用下，地脚螺栓附近的应力小于材料的屈服强度，满足设计要求。

3.3 试验验证

为验证优化后屏柜的抗震性能，开展了机柜抗震特性的试验。由于地震模拟振动台可以真实地再现地震过程，安装在振动台上的试件就能受到类似天然地震的作用[8]，故本次试验利用地震模拟台进行。试验过程中机柜未发生破坏，试验前后机柜固有频率和阻尼比均未发生改变，表明基于仿真优化的机柜扩展性能良好，满足相关标准对机柜的抗震要求。