核電廠應(yīng)急柴油機(jī)電控系統(tǒng)機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

李 琦，武曉旭，周 勇，朱鵬樹(shù)

（1.中廣核研究院有限公司北京分公司，北京 100086；2.大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限公司，廣東深圳 518124）

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱“EDG”）是核電廠重要的專設(shè)安全設(shè)施，包括柴油發(fā)電機(jī)本體、輔助系統(tǒng)和電控系統(tǒng)三部分，能接受電廠信號(hào)和控制，當(dāng)失去正常電源時(shí)為應(yīng)急母線提供應(yīng)急電力供應(yīng)，保障反應(yīng)堆安全。電控系統(tǒng)是EDG的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電氣保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警等功能，常被譽(yù)為EDG的大腦，其安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行直接影響EDG的可用性。

1 技術(shù)要求

EDG要求在核電廠失去外部電源的情況下為應(yīng)急母線提供電源，要求與應(yīng)急供電相關(guān)的系統(tǒng)和設(shè)備能夠在正常條件和事故條件均能執(zhí)行其安全功能.因此，電控系統(tǒng)機(jī)柜不僅要滿足技術(shù)指標(biāo)要求（以某核電廠技術(shù)規(guī)格書(shū)要求為例），還需滿足K3類鑒定要求：

（1）機(jī)柜為戶內(nèi)型金屬封閉式柜體，防護(hù)等級(jí)為IP31；

（2）柜體框架采用鋼型材制造，為垂直地面安裝的自持式結(jié)構(gòu)，由螺釘或焊接連接構(gòu)成；

（3）機(jī)柜抗震等級(jí)為SSE1（O），柜體強(qiáng)度滿足所在廠房樓層地震譜對(duì)應(yīng)的抗震能力；

（4）鑒定要求為K3類，應(yīng)滿足環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容等相應(yīng)要求。

2 機(jī)柜詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

某核電廠EDG電控系統(tǒng)安全級(jí)控制柜，機(jī)柜整體采用Q235B鋼板制造，外形尺寸為800 mm×800 mm×2200 mm。機(jī)柜由柜體框架、前門(mén)、后門(mén)、側(cè)板、上標(biāo)識(shí)板、底部擋板等構(gòu)成。機(jī)柜內(nèi)部布置如圖1所示，機(jī)柜內(nèi)部分為前后安裝2部分，各有1個(gè)獨(dú)立的安裝布置空間，分別根據(jù)功能要求安裝繼電器、斷路器，功能模塊及端子排等元器件；側(cè)面板安裝溫濕度控制器及防潮加熱器。柜內(nèi)設(shè)計(jì)導(dǎo)軌和走線槽螺栓固定在安裝板上，分別用來(lái)安裝元器件和固定柜內(nèi)走線。前門(mén)開(kāi)孔安裝控制按鈕、指示燈、儀表等設(shè)備。

圖1 機(jī)柜布置圖

2.2 框架設(shè)計(jì)

主框架主要由立柱、橫梁和底座構(gòu)成，采用3 mm鈑金焊接。主框架焊接完成后使用3 mm鈑金包裹，整體焊接制造成機(jī)柜主體，確保柜體的整體性，如圖2所示。

圖2 機(jī)柜框架

框架立柱由2根3 mm鈑金立柱焊接而成，結(jié)構(gòu)疊加，強(qiáng)度增強(qiáng)；立柱中間分段焊接立柱支撐板，分散立柱承受的剪切力，如圖3所示；立柱長(zhǎng)邊開(kāi)陣列方孔，使得機(jī)柜框架在保證強(qiáng)度的同時(shí)，減輕整體重量。立柱與立柱之間焊接橫梁固定。橫梁采用C型結(jié)構(gòu)，封閉邊開(kāi)陣列圓孔減重，同時(shí)為前后安裝板過(guò)線提供空間；橫梁上下兩短邊等距攻絲以方便自由選擇使用安裝板固定孔。底座采用100 mm×100 mm×10 mm的角鋼焊接，四角焊接墊塊加固，保證底座強(qiáng)度。

圖3 立柱截面圖

2.3 柜殼設(shè)計(jì)

機(jī)柜前、后門(mén)采用外掛式鉸鏈連接，門(mén)板內(nèi)部焊接加強(qiáng)筋增加強(qiáng)度；機(jī)柜側(cè)板采用內(nèi)嵌式螺栓固定。前、后門(mén)及側(cè)板安裝金屬導(dǎo)電密封條，柜體對(duì)應(yīng)位置涂銀基導(dǎo)電漆。前、后門(mén)焊接接地連接螺栓，機(jī)柜組裝完成后使用接地線接地。

圖4 機(jī)柜通風(fēng)設(shè)計(jì)

機(jī)柜采用下進(jìn)線、上出風(fēng)方式，自然散熱。通風(fēng)孔分別設(shè)計(jì)在機(jī)柜前后門(mén)的下方和頂板四邊，板內(nèi)側(cè)相應(yīng)位置安裝防塵海綿，如圖4所示，空氣由門(mén)板通風(fēng)孔進(jìn)入，隨柜內(nèi)元器件啟動(dòng)、釋放熱量，空氣受熱膨脹，上升至機(jī)柜頂部，從機(jī)柜頂板通風(fēng)孔排出。

3 電磁兼容設(shè)計(jì)

柜體內(nèi)部前后各有一個(gè)獨(dú)立的安裝布置空間，如功能分級(jí)有需求，可將安全級(jí)和非安全級(jí)元器件分別安裝在前后安裝板，確保安全級(jí)和非安全級(jí)的物理隔離；機(jī)柜前、后門(mén)及側(cè)板安裝金屬導(dǎo)電密封條，柜體對(duì)應(yīng)位置涂銀基導(dǎo)電漆，確保柜體內(nèi)部防電磁干擾。

電磁兼容要求機(jī)柜具有良好的接地連續(xù)性，接地分為工作接地和屏蔽接地。機(jī)柜門(mén)板接地螺栓與機(jī)柜使用編織銅線連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜的整體電連續(xù)性。柜體底部安裝2個(gè)接地銅排，工作接地主要通過(guò)連接機(jī)柜內(nèi)的接地銅排接地；屏蔽接地通過(guò)連接安裝在絕緣柱上的接地銅排，連接信號(hào)的屏蔽層。

3.1 IP防護(hù)設(shè)計(jì)

機(jī)柜防護(hù)等級(jí)為IP31，可防止直徑不小于2.5 mm的固體異物進(jìn)入柜體，且垂直方向滴水對(duì)機(jī)柜設(shè)備不產(chǎn)生有害影響。機(jī)柜前、后門(mén)及頂板通風(fēng)孔內(nèi)側(cè)均安裝有防塵海綿，可以防止固體異物侵入；機(jī)柜頂板、側(cè)板和上標(biāo)識(shí)板邊緣貼有橡膠防水密封條，門(mén)板貼有金屬密封條，均可有效地防止水滴浸入，避免損壞器件。

3.2 抗地震分析

機(jī)柜結(jié)構(gòu)除須具備能夠滿足SSE1（O）的抗地震性能要求外，柜體的強(qiáng)度要求必須具有與所在廠房樓層地震譜相對(duì)應(yīng)的抗震能力。使用仿真分析，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)廠房樓層地震反應(yīng)譜的包絡(luò)譜，對(duì)機(jī)柜地震反應(yīng)譜進(jìn)行有限元建模計(jì)算、模態(tài)分析，得出機(jī)柜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下產(chǎn)生的最大應(yīng)力值，與許用應(yīng)力值相比較，以此判斷機(jī)柜結(jié)構(gòu)是否滿足要求。通過(guò)對(duì)機(jī)柜結(jié)構(gòu)使用模擬仿真分析，可以在機(jī)柜結(jié)構(gòu)加工前分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程存在的問(wèn)題和缺陷，并及時(shí)加以改進(jìn)，提高機(jī)柜結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了制造時(shí)間和成本。如圖5、圖6所示。

圖5 地震工況下機(jī)柜應(yīng)力分布圖

圖6 機(jī)柜抗地震試驗(yàn)

此電控系統(tǒng)機(jī)柜已經(jīng)過(guò)抗震分析計(jì)算，驗(yàn)證了柜體在要求的地震反應(yīng)譜條件下不會(huì)發(fā)生變形、開(kāi)裂和坍塌等故障；同時(shí)制作了鑒定樣機(jī)進(jìn)行抗地震試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)柜能在要求的地震反應(yīng)譜條件下的地震過(guò)程中和地震后都能執(zhí)行其既定的的安全級(jí)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

電控系統(tǒng)是EDG項(xiàng)目中的重要部分，對(duì)為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組提供邏輯控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電氣保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警等功能，保障應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。本文主要從框架設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、IP防護(hù)設(shè)計(jì)和抗地震分析方面詳細(xì)介紹了EDG電控系統(tǒng)核安全級(jí)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本方案通過(guò)力學(xué)仿真分析，并進(jìn)行了樣機(jī)的鑒定試驗(yàn)，結(jié)果滿足核安全級(jí)設(shè)備技術(shù)要求。EDG項(xiàng)目電控系統(tǒng)已按照本方案進(jìn)行多個(gè)核電項(xiàng)目設(shè)備供貨，機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已獲得核電現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)可。本設(shè)計(jì)方案可以為核安全級(jí)機(jī)柜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化提供可供借鑒的依據(jù)，節(jié)省后續(xù)制造樣機(jī)、鑒定試驗(yàn)的時(shí)間和成本，提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。