核电厂应急柴油机电控系统机柜结构设计方案

李 琦，武晓旭，周 勇，朱鹏树

（1.中广核研究院有限公司北京分公司，北京 100086；2.大亚湾核电运营管理有限公司，广东深圳 518124）

应急柴油发电机组（以下简称“EDG”）是核电厂重要的专设安全设施，包括柴油发电机本体、辅助系统和电控系统三部分，能接受电厂信号和控制，当失去正常电源时为应急母线提供应急电力供应，保障反应堆安全。电控系统是EDG的重要组成部分，主要实现逻辑控制、转速调节、电气保护、状态监测和报警等功能，常被誉为EDG的大脑，其安全稳定可靠运行直接影响EDG的可用性。

1 技术要求

EDG要求在核电厂失去外部电源的情况下为应急母线提供电源，要求与应急供电相关的系统和设备能够在正常条件和事故条件均能执行其安全功能.因此，电控系统机柜不仅要满足技术指标要求（以某核电厂技术规格书要求为例），还需满足K3类鉴定要求：

（1）机柜为户内型金属封闭式柜体，防护等级为IP31；

（2）柜体框架采用钢型材制造，为垂直地面安装的自持式结构，由螺钉或焊接连接构成；

（3）机柜抗震等级为SSE1（O），柜体强度满足所在厂房楼层地震谱对应的抗震能力；

（4）鉴定要求为K3类，应满足环境适应性、电磁兼容等相应要求。

2 机柜详细设计

2.1 整体设计

某核电厂EDG电控系统安全级控制柜，机柜整体采用Q235B钢板制造，外形尺寸为800 mm×800 mm×2200 mm。机柜由柜体框架、前门、后门、侧板、上标识板、底部挡板等构成。机柜内部布置如图1所示，机柜内部分为前后安装2部分，各有1个独立的安装布置空间，分别根据功能要求安装继电器、断路器，功能模块及端子排等元器件；侧面板安装温湿度控制器及防潮加热器。柜内设计导轨和走线槽螺栓固定在安装板上，分别用来安装元器件和固定柜内走线。前门开孔安装控制按钮、指示灯、仪表等设备。

图1 机柜布置图

2.2 框架设计

主框架主要由立柱、横梁和底座构成，采用3 mm钣金焊接。主框架焊接完成后使用3 mm钣金包裹，整体焊接制造成机柜主体，确保柜体的整体性，如图2所示。

图2 机柜框架

框架立柱由2根3 mm钣金立柱焊接而成，结构叠加，强度增强；立柱中间分段焊接立柱支撑板，分散立柱承受的剪切力，如图3所示；立柱长边开阵列方孔，使得机柜框架在保证强度的同时，减轻整体重量。立柱与立柱之间焊接横梁固定。横梁采用C型结构，封闭边开阵列圆孔减重，同时为前后安装板过线提供空间；横梁上下两短边等距攻丝以方便自由选择使用安装板固定孔。底座采用100 mm×100 mm×10 mm的角钢焊接，四角焊接垫块加固，保证底座强度。

图3 立柱截面图

2.3 柜壳设计

机柜前、后门采用外挂式铰链连接，门板内部焊接加强筋增加强度；机柜侧板采用内嵌式螺栓固定。前、后门及侧板安装金属导电密封条，柜体对应位置涂银基导电漆。前、后门焊接接地连接螺栓，机柜组装完成后使用接地线接地。

图4 机柜通风设计

机柜采用下进线、上出风方式，自然散热。通风孔分别设计在机柜前后门的下方和顶板四边，板内侧相应位置安装防尘海绵，如图4所示，空气由门板通风孔进入，随柜内元器件启动、释放热量，空气受热膨胀，上升至机柜顶部，从机柜顶板通风孔排出。

3 电磁兼容设计

柜体内部前后各有一个独立的安装布置空间，如功能分级有需求，可将安全级和非安全级元器件分别安装在前后安装板，确保安全级和非安全级的物理隔离；机柜前、后门及侧板安装金属导电密封条，柜体对应位置涂银基导电漆，确保柜体内部防电磁干扰。

电磁兼容要求机柜具有良好的接地连续性，接地分为工作接地和屏蔽接地。机柜门板接地螺栓与机柜使用编织铜线连接，实现机柜的整体电连续性。柜体底部安装2个接地铜排，工作接地主要通过连接机柜内的接地铜排接地；屏蔽接地通过连接安装在绝缘柱上的接地铜排，连接信号的屏蔽层。

3.1 IP防护设计

机柜防护等级为IP31，可防止直径不小于2.5 mm的固体异物进入柜体，且垂直方向滴水对机柜设备不产生有害影响。机柜前、后门及顶板通风孔内侧均安装有防尘海绵，可以防止固体异物侵入；机柜顶板、侧板和上标识板边缘贴有橡胶防水密封条，门板贴有金属密封条，均可有效地防止水滴浸入，避免损坏器件。

3.2 抗地震分析

机柜结构除须具备能够满足SSE1（O）的抗地震性能要求外，柜体的强度要求必须具有与所在厂房楼层地震谱相对应的抗震能力。使用仿真分析，依据现场厂房楼层地震反应谱的包络谱，对机柜地震反应谱进行有限元建模计算、模态分析，得出机柜结构在设计工况下产生的最大应力值，与许用应力值相比较，以此判断机柜结构是否满足要求。通过对机柜结构使用模拟仿真分析，可以在机柜结构加工前分析结构设计过程存在的问题和缺陷，并及时加以改进，提高机柜结构的可靠性和安全性，提高了生产效率，节约了制造时间和成本。如图5、图6所示。

图5 地震工况下机柜应力分布图

图6 机柜抗地震试验

此电控系统机柜已经过抗震分析计算，验证了柜体在要求的地震反应谱条件下不会发生变形、开裂和坍塌等故障；同时制作了鉴定样机进行抗地震试验，验证了机柜能在要求的地震反应谱条件下的地震过程中和地震后都能执行其既定的的安全级功能。

4 结束语

电控系统是EDG项目中的重要部分，对为应急柴油发电机组提供逻辑控制、转速调节、电气保护、状态监测和报警等功能，保障应急柴油发电机组的正常运行起到关键作用。本文主要从框架设计、电磁兼容设计、IP防护设计和抗地震分析方面详细介绍了EDG电控系统核安全级机柜的结构设计方案。本方案通过力学仿真分析，并进行了样机的鉴定试验，结果满足核安全级设备技术要求。EDG项目电控系统已按照本方案进行多个核电项目设备供货，机柜结构设计已获得核电现场认可。本设计方案可以为核安全级机柜设计标准化提供可供借鉴的依据，节省后续制造样机、鉴定试验的时间和成本，提高设计和生产效率。