预制舱机架结构分析与优化设计

吕志娟， 殷帅兵

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

智能变电站预制舱采用标准化设计、标准化建设理念，经过多个试点工程验证，取得了较大的建设效益。2014年二次设备预制舱外形尺寸宽度方向扩展为2800 mm，以便于设备运行维护，“前接线、前显示”装置结构屏柜双列靠墙布置方式已得到广泛应用。预制舱整体面积更为紧凑，变电站建设成本更低、绿色环保，但机柜通常为标准的800 mm尺寸，框架占用空间大，在狭小的预制舱内，空间利用率低。机架式结构是一种简化的标准19 in设备安装结构，舱内设备容纳率更高；机架与舱体一体化设计的应用增强了机架的结构稳定性，舱内空间利用率更高。

本文以二次设备预制舱机架结构设计为研究对象，针对国网标准（I、II、III）型预制舱机架的新结构方案进行模态分析，并对机架进行优化设计，提升机架结构强度，提高预制舱机架结构的安全性与可靠性；改变传统机柜配线到舱内安装的串行作业为并行作业形式，二次设备接线和舱内调试工作效率得以极大提高，预制舱交付周期缩短，变电站建设周期加快，建设成本降低。

1 预制舱机架结构

变电站二次设备预制舱采用的是国网企标Q/GDW11157-2014 中 标 准（I、II、III）型 舱，预 制舱内机架采用双列靠墙布置方案，机架内装置为前接线方式，舱内空间利用率极大提升。预制舱采用预制线缆实现一次设备与二次设备之间的电缆、光缆标准化连接，采用一体化机架框架、独立功能单元的机架结构设计思路，设计了“一体式机架框架”及“模块化功能单元”相结合的新型机架结构方案，出厂前完成舱内接线及调试工作，实现二次设备的即插即用。

1.1 一体式机架框架结构设计

1）一体式机架框架其安装格局配置为一系列成对的垂直立柱结构件，每相邻俩模块单元可共用一件机架立柱，每对垂直立柱在深度方向采用前端面落差式设计，每组模块单元右侧自然形成一个纵向检修空间，用于模块化功能单元中屏端子布置及电缆、光缆等走线及后期检修使用。整个机架范围内的设备，均可通过每单元右侧纵向检修空间及下端横向线缆通道实现内部行线系统，覆盖内部所有设备；同时，机架立柱下端做切面设计，预留出足够空间作为线缆通道及检修通道，设备之间的连接通畅。

2）机架框架按照位置顺序依次放置于舱内底座机架支撑处，并通过底座、后端横向连接架及顶部横向连接板实现与预制舱底座、墙壁、顶部天花板三向连接，结构牢固，安全性高。

3）利用机架下部附件安装区的有限空间，设计辅助功能模块结构，其上端面两端设置纵向滑道，作为承载模块化功能单元结构主要支撑面；其本体框架用于安装存纤盒结构，解决多余尾缆的盘收问题，实现尾缆、接地铜排等附件的集中安装，模块化组装效率高；且整体辅助功能模块结构与机架左右框架连接，机架框架结构强度提高。预制舱机架结构如图1所示。

图1 预制舱机架示意图

4）预制舱机架结构尺寸设计。高度方向：结合机架顶部一体化风道空间占用需求，机架选用2300 mm高度规格，可满足舱体、设备安装、运行维护等方面的要求。宽度方向：根据二次设备安装及配线检修实际需用空间，宽度选用700 mm规格，满足二次设备及其他装置19 in（482.6 mm）规格安装，以及右侧纵向检修通道安装空间需求。深度方向：考虑机箱在机柜内必须有空间散热，由于左右侧空间不大，需利用前后方的空间，因此二次设备机架采用550 mm深度。综上所述，二次设备机架规格采用2300 mm×700 mm×550 mm（高×宽×深）。

1.2 模块化功能单元结构设计

机架与舱体一体成型后，若在舱内进行设备、附件的安装及配线工作，会导致二次组合设备的串行生产，并且在舱内狭小环境内进行设备安装及配线工作，会因为操作空间小、工作强度大而延长生产周期，同时难保证施工质量、统一施工工艺。为实现预制舱内二次设备安装、接线、调试工作与预制舱生产同步进行、并行作业，对机架设备安装构件进行结构优化设计——独立模块化功能单元结构设计（独立的模块化、高集成度前接线装置功能设备安装单元结构），可独立运输，独立进行设备的配线、安装及调试工作，解决上述串行及舱内生产问题，同时提高在后期改扩建或运维工作效率，方便施工、服务运维。

充分利用机架内设备安装空间，对多间隔设备进行集成安装，模块化功能单元结构上端设为空开安装区，左侧为设备安装区，右侧为电气配线安装区，整体结构承载装置设备及配线功能；装置安装、接线、端子配线工作一气呵成，各功能模块分工明确，安装、使用过程各工序工作流畅。所有模块安装结构内的线缆归拢到线缆通道内，基本完成了单个机架单元的电气设备安装、配线工作。

1）空开安装区。空开采用3U面板，设备单元区对应空开安装于该区域，采取嵌入式安装在设备单元内部，防止空开误碰操作。

2）设备安装区。设备区为开放式结构，便于巡视空开及各设备运行状态，采用标准19 in尺寸前接线设备；设备上下相邻面板模块设计为19 in前接线形式，保持与设备前端面平齐及理线方式统一。

3）附件安装检修区。位于机架右侧，采用单独开门模式，该区域用于布置屏端子、线缆、光缆的安装、布设、转接区域，该区间高度与设备安置区一致。

模块化功能单元结构组装完成后（包括前面板布置），需使用模块工装组件进行临时支撑，解决整体重心前倾隐患及转运问题，保证模块化功能单元转运作业安全进行，模块工装组件可循环使用。

1.3 模块化装配设计

模块化功能单元结构完成装置安装及配线工作后，利用底座平面结构直接搁置在机架的附件安装架上端，向内推到位后，利用紧固件将前端面两侧纵向安装孔与机架框架立柱相对应安装孔紧固安装，再将其余结构组件逐一进行装配，即可完成整套预制舱机架的结构搭建。机架内各设备安装模块都是遵循方便安装、易于运维、标准规格设计、模块插接固定的宗旨，因此在进行机架内设备安装及后期设备改扩建工作时，操作灵活方便、安装施工快捷准确。模块化功能单元结构示意图和示例图分别如图2和图3所示。

图2 模块化功能单元结构示意图

图3 模块化功能单元结构实例图

1.4 机架结构空间利用率对比分析

1）空间利用分析（如表1）。

表1 屏柜（机架）数量对比

屏柜模式时，220 kV二次设备预制舱预制舱共需屏柜17面，110 kV及主变二次设备预制舱共需屏柜24面；机架模式时，220 kV二次设备预制舱预制舱共需机架11面，110 kV及主变二次设备预制舱共需机架13面；节省屏柜约46%。

2）屏柜（机架）占用空间对比（如表2）。

表2 屏柜（机架）占用舱内总长度mm

屏柜模式时，220 kV二次设备预制舱预制舱选用6.2 m规格预制舱，110 kV及主变二次设备预制舱选用9.2 m规格预制舱。

机架模式时，220 kV二次设备预制舱预制舱选用6.2 m规格预制舱，但可节省舱内屏柜（机架）布置空间约12%；110 kV及主变二次设备预制舱选用6.2 m规格预制舱，可节省舱体投资成本约28%和占地面积33%。因机架式结构装置模块安装形式改变、结构更为紧凑，空间利用率更高。

2 预制舱机架分析

2.1 机架承重工况的有限元分析

基于ANSYS Workbench有限元分析软件，建立机架的有限元分析模型，并对模型进行简化处理和网格划分。机架所采用的材料为Q235钢，其密度为7850 kg/m3，弹性模量E=200 GPa，泊松比为0.3。机架的底部固定于预制舱底座上，背部的横向后连接板固定于预制舱墙体上，顶部通过顶部连接件与预制舱顶部连接，因此以上3种部位均为固定约束（Fixed Support）。本次分析以5组机架为例，每组上面简化掉的模型质量和设备质量（模块化功能单元结构）共200 kg，通过等效应力施加于机架相应位置。通过仿真分析得到图4所示的机架变形云图。

图4 机架结构变形云图

从图2可以看出，机架在承重工况下的最大变形量为0.07 mm，变形量很小。根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》，机架高度h=2569 mm，其允许变形h/400=6.42 mm，机架的实际最大变形0.07 mm远小于6.42 mm的最大允许变形量要求，说明机架结构变形情况满足规范要求。

2.2 机架的模态分析

模态分析用于确定机械结构的固有频率及在各阶振型固有频率下的固有振型和变形量等振动特性。模态分析是动力学分析的基础，为其他动力学分析提供了振动数据基础。

机架的底部、背部的横向后连接板及机架顶部连接件固定约束（Fixed Support），对机架进行模态分析。对模态分析结果提取前6阶振型的数据和云图，其固有频率如表3所示。

表3 机架前6阶振型固有频率 Hz

3 预制舱机架结构优化设计与分析

3.1 机架结构优化设计

根据预制舱机架的模态分析结果，并结合模块化功能单元与机架框架安装方式，本文提出机架结构的优化方案：取消机架框架单元中右侧竖立柱；优化附件单元右侧安装架，安装架设计支脚直接安装底座上，右侧与相邻机架框架单元相连接。经过结构优化设计，机架单元仅需1件立柱，机架立柱数量减少一半，材料成本降低。

3.2 机架结构优化后的有限元分析

运用ANSYS Workbench有限元分析软件对优化后的机架结构进行承重分析，新型机架结构的变形云图如图3所示，最大变形量为0.12 mm，发生在立柱中间部位。0.12mm的最大变形量仍然远小于6.42 mm的最大允许变形量要求，满足规范规定的变形量要求。

对优化后的机架结构进行模态分析，提取前6阶振型的固有频率如表4所示，并提取前6阶振型的振型图如图7所示。

图5 预制舱机架结构优化

图6 机架优化后的变形云图

图7 机架振型图

固有频率是结构刚度的一个表现指标，结构刚度越大，其固有频率就越高。从表3和表4可以看出，优化后机架的1阶固有频率降低了2.6%；2阶的固有频率增加了22.7%，3阶、4阶的固有频率增加了35.3%，5阶、6阶的固有频率增大了37.5%。除了1阶振型外，其他各阶振型的固有频率均有所增加，说明优化后机架的整体刚度略优于优化前。

表4 优化后前6阶振型固有频率Hz

3.3 机架承压试验

针对预制舱新型机架结构，电气模块装配完成后，测量每机架单元立柱上、中、下端横向尺寸，最大变形为0.15 mm，发生在立柱中间位置，机架单元每相邻立柱为共用立柱，实际变形并不明显，与仿真分析结果相近，且借用模块化功能单元与立柱一体式安装特点，机架整体强度进一步提升。

4 结语

针对二次设备预制舱内800 mm宽前接线机柜电气设备接线及运维检修作业不满足操作空间需要的情况下，设计了一种“一体式机架框架”及“模块化功能单元”相结合的新型机架结构形式。通过机架承重工况有限元分析，机架变形和应力满足安全要求，并与实际承压试验数据对比，验证了预制舱机架结构的安全性与可靠性；改变传统机柜先配线后舱内安装的串行作业为并行作业形式，二次设备接线和舱内调试工作效率得到了极大提高，机架结构模式的应用进一步提高了舱内空间利用率。

图8 预制舱机架应用实例