摘 要：

電氣設(shè)備安裝方式一般分為螺栓連接和焊接。為驗證2種安裝方式對電器設(shè)備抗震性能的影響，將2臺完全一樣的蓄電池柜用不同安裝方式固定在振動臺上進行抗震試驗。試驗結(jié)果表明：焊接機柜的加速度響應(yīng)大于螺栓連接機柜的，共振頻率較高，機柜位移較小，整體剛度較大，焊接部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力;螺栓連接機柜因力矩作用易出現(xiàn)底梁緊固失效，電池及機柜變形大、應(yīng)力大的問題。為提高機柜的抗震性能，需采取必要的措施來減少機柜變形及蓄電池與機柜之間的碰撞。大質(zhì)量、高重心的電池柜宜采用焊接方式安裝，以減少幾何變形對蓄電池柜抗震性能的影響。

關(guān)鍵詞：

核電站; 蓄電池柜; 反應(yīng)譜; 地震波; 抗震能力鑒定

中圖分類號： TM624.4

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）09-0024-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.09.004

Research on Influence of Installation Methods of Non Nnuclear Battery Cabinets on Seismic Performance

HAN Shuai1， LIANG Xiao1， RUAN Shanfa2， CHU Wenting2

（1.Daya Bay Nuclear Power Operation and Management Co.， Ltd.， Shenzhen 518124， China;

2.Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract：

Electrical equipment installation is generally categorized into bolt connections and welding.In order to verify the influence of the two installation methods on the seismic performance， two identical battery cabinets are fixed on the vibration table with various installation methods for seismic test.The test results show that the acceleration response of the welded cabinet is greater than that of the bolted cabinet， with higher resonance frequency， smaller displacement of the cabinet， larger overall stiffness， and greater stress of the welding part.However， bolted cabinets are prone to fastening failure of bottom beams， large battery and cabinet deformation and high stress due to torque.To improve the seismic performance of cabinets，the necessary measures need to be taken to reduce the cabinet deformation and collisions between batteries and cabinets.It is recommended to install battery cabinets with large mass and high center of gravity in full welding approach to reduce the impact of geometric deformation on the seismic performance of battery cabinets.

Key words：

nuclear power plant; battery cabinet; response spectrum; seismic waves; seismic capability assessment

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，從早期的不間斷電源（UPS）到現(xiàn)在的大型電池儲能矩陣及充放電系統(tǒng)，蓄電池的應(yīng)用涉及國民經(jīng)濟諸多領(lǐng)域，如金融、交通、核電站、通信、航空航天、國防軍工、新能源儲能等。強震的發(fā)生有可能導(dǎo)致蓄電池及其支架嚴(yán)重?fù)p壞，使其無法提供后備電源，導(dǎo)致事故范圍進一步擴大，甚至電力系統(tǒng)癱瘓［1］，進而影響國民經(jīng)濟諸多重要方面，如信息系統(tǒng)的信息安全儲存、核電站的安全停堆工作等。高重心的柜式蓄電池組是目前廣泛應(yīng)用的UPS設(shè)備形式之一，主要特點是單柜儲能容量大、占地面積小、節(jié)省空間，但柜式蓄電池組由于重心高、質(zhì)量大的特點，是同類產(chǎn)品中抗震性能最弱的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)柜式蓄電池用于核電站時，需要進行特定區(qū)域的反應(yīng)譜抗震考核，同時需對其進行功能性檢驗［2］。一般情況下，蓄電池柜就地安裝方式有2種：一種是直接與預(yù)埋件焊接，另一種是用螺栓與樓板連接。地震發(fā)生期間及發(fā)生后，蓄電池柜能否履行其職能可能存在不確定性，蓄電池柜安裝方式對其抗震性能的影響需通過抗震考核來驗證。目前，民用與工業(yè)設(shè)備抗震考核主要依據(jù)美國的電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)［3］，早期核電設(shè)備抗震考核也有采用前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)［4］?？拐鹪囼?zāi)軌颢@得蓄電池柜在不同安裝條件下的地震響應(yīng)，并通過地震響應(yīng)與抗震試驗過程中表現(xiàn)情況來決定何種安裝方式有利于這類蓄電池柜的抗震。

1 研究對象與測點布置

1.1 研究對象

某系列閥控式密封鉛酸蓄電池是應(yīng)急后備電源儲能系統(tǒng)，機柜分5層放置蓄電池，蓄電池之間及蓄電池與機柜之間采用PVC塑料隔板隔離。以減少蓄電池之間及蓄電池與機柜之間的碰撞，機柜框架采用4 cm×4 cm表面噴塑的方鋼制成，整體重量約為1 000 kg，重心高度為110 cm，電池柜的尺寸為80 cm×60 cm×220 cm，單塊電池重量為54.1 kg，標(biāo)稱電壓為2 V，所有蓄電池經(jīng)串聯(lián)后接到充、放電系統(tǒng)。由于機柜具有柜體高、重心高、電池內(nèi)部極板大、極板耳部頂端焊接部位應(yīng)力集中等特點，其抗震性能弱。試驗選取的2臺蓄電池柜內(nèi)外結(jié)構(gòu)完全一樣，只是安裝方式不同，一臺機柜的底梁與轉(zhuǎn)接鋼板用焊接方式連接，另一臺機柜的底梁用6顆Ф12的螺栓與轉(zhuǎn)接鋼板連接。機柜底梁采用6號槽鋼制成，槽鋼與柜體之間采用焊接的方式連接，機柜底部沿長邊方向只布置2根對向排列槽鋼底梁，2個窄邊沒有設(shè)置底梁，處于懸空狀態(tài)，轉(zhuǎn)接鋼板通過Ф28的螺栓與臺面連接。蓄電池柜在振動臺上的安裝如圖1所示;底梁與轉(zhuǎn)接鋼板的2種安裝方式如圖2所示。

1.2 測點布置

與轉(zhuǎn)接鋼板焊接的蓄電池柜定義為1號機柜，用螺栓與轉(zhuǎn)接鋼板連接的蓄電池柜定義為2號機柜。地震波激勵方向約定為：垂直于機柜門板的水平激勵方向定義為x軸向，沿機柜門板的水平激勵方向定義為y軸向，沿機柜豎直向激勵方向定義為z軸向（如圖1）。機柜外殼僅起保護作用，故外殼的振動特性不作為監(jiān)測目標(biāo)。考慮到蓄電池柜結(jié)構(gòu)特點與實際安裝情況，在每個機柜的框架頂及最上層蓄電池上各布置1個加速度測點，每個測點監(jiān)測3個方向的加速度響應(yīng);另外在1號機柜的左側(cè)轉(zhuǎn)接鋼板上布置1個加速度測點，用于監(jiān)測臺面的振動響應(yīng)。根據(jù)同類型蓄電池及支架抗震數(shù)值模擬分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)受力特點，分別在2個機柜底部蓄電池下端、螺栓連接部位附近、豎直梁及槽鋼焊接部位附近布置應(yīng)變測點。1號機柜測點布置如圖3所示;2號機柜測點布置如圖4所示。

2 抗震考核方式與考核量級

蓄電池柜在核電站中的使用等級屬非核級。民用設(shè)施抗震考核時，一般按當(dāng)?shù)卦O(shè)計基準(zhǔn)加速度反應(yīng)譜進行，考核的等級為7度或8度地震。用于核電站的非核級設(shè)備一般只進行運行基準(zhǔn)地震（OBE）量級考核，為了從嚴(yán)考核，蓄電池柜仍采用核級標(biāo)準(zhǔn)，即對機柜進行5次OBE和1次安全停堆地震（SSE）的人工地震波抗震試驗，研究設(shè)備在設(shè)計地震作用下和作用后能否履行其規(guī)定的職能［5-7］。SSE反應(yīng)譜x、y、z 3個方向的零周期加速度（ZPA）值分別為0.350g、0.419g、0.400g，考核強度高于原使用環(huán)境要求，考核試驗的結(jié)果對設(shè)備的非核級應(yīng)用環(huán)境具有廣泛的包絡(luò)性，既可以用于核級，也可以用于非核級。

共振特性探查時，一般采用正弦掃描或白噪聲掃描的方式對蓄電池柜進行激勵，驅(qū)動波的量級約為0.2g，持續(xù)時長為60 s，利用設(shè)備重心位置的加速度信號計算出阻尼比及共振頻率?？紤]到設(shè)備重心位置無法布置加速度計，用機柜頂端位置的加速度信號處理得到的阻尼比及共振頻率代替重心位置的阻尼比及共振頻率。實測機柜阻尼比約為8%，試驗采用臨界阻尼為5%的反應(yīng)譜是保守的?？拐鹂己瞬捎媚车? m高程的樓層反應(yīng)譜，由反應(yīng)譜生成人工地震波經(jīng)振動臺系統(tǒng)迭代后，臺面驅(qū)動與響應(yīng)加速度信號誤差≤5%，用迭代產(chǎn)生的驅(qū)動波驅(qū)動臺面，響應(yīng)加速度試驗反應(yīng)譜（TRS）包絡(luò)要求反應(yīng)譜（RRS），使得抗震試驗量級滿足考核要求［8］。抗震考核試驗流程如圖5所示。

3 不同安裝方式下蓄電池柜的共振特性

將臺面轉(zhuǎn)接板上的加速度響應(yīng)信號作為激勵信號，將蓄電池及機柜框架上的加速度信號作為響應(yīng)信號，兩者之間做傳遞函數(shù)分析。各測點共振頻率如表1所示。由表1可知，無論哪種安裝方式，z軸向共振頻率均高于x軸向與y軸向，1號機柜各測點共振頻率高于2號機柜;在底架的連接方式上，2個機柜都是通過x軸向相對的2根槽鋼與轉(zhuǎn)接鋼板連接，y軸向則沒有安裝槽鋼，處于懸空狀態(tài)，且該方向機柜寬度小于x軸向，導(dǎo)致y軸向共振頻率明顯低于x軸向?？拐鹪囼灪螅?號機柜共振頻率降幅最大的是y軸向，降幅為9.5%，蓄電池共振頻率最大降幅為9.7%;2號機柜共振頻率降幅最大的是x軸向，降幅為27.8%，蓄電池共振頻率降幅最大的方向是y軸向，降幅為27.4%。從共振頻率下降幅度來看，螺栓連接的機柜結(jié)構(gòu)整體剛度要低于焊接機柜。

4 不同安裝條件下地震響應(yīng)分析

4.1 加速度響應(yīng)分析

OBE試驗時，除少數(shù)測點外，1號機柜各測點的加速度響應(yīng)略大于2號機柜;而SSE試驗時，2號機柜無論是機柜還是蓄電池均出現(xiàn)較大的地震響應(yīng)，較大幅度的位移與慣性力作用于蓄電池與機柜的3個方向，其中x軸向加速度值增加尤為明顯。相較于焊接機柜，螺栓連接機柜x軸向加速度響應(yīng)值增加了487.1%，蓄電池x軸向加速度響應(yīng)值增加了382.3%。各測點加速度響應(yīng)峰值如表2所示。

一般情況下，蓄電池之間、蓄電池與機柜之間應(yīng)使用減震材料塞緊，使得蓄電池與機柜構(gòu)成一個整體［9］，但加速度響應(yīng)信號反映出SSE試驗時其間產(chǎn)生了碰撞現(xiàn)象，表明機柜與蓄電池之間的約束存在一定的不足。觀察整個試驗過程，在第4次OBE試驗時，機柜與轉(zhuǎn)接鋼板之間的一個連接螺栓開始松動;第5次OBE試驗時，同側(cè)中間的另一個連接螺栓也開始松動，SSE試驗機柜與轉(zhuǎn)接板之間最大動態(tài)位移約達(dá)5 mm。雖然機柜沒有傾覆、嚴(yán)重變形等現(xiàn)象，試驗后檢查螺栓連接機柜也沒有發(fā)生大的幾何變形、裂縫與脫焊現(xiàn)象，但其安裝狀態(tài)已危及設(shè)備的正常運行。

4.2 不同安裝條件下的應(yīng)變分析

1號機柜整體剛度較高，抗震試驗時變形幅度較小，框架的變形對蓄電池產(chǎn)生的影響相對較小，因而蓄電池底部受擠壓產(chǎn)生的變形相對較小。機柜底梁焊接點附近及機柜底部橫梁與豎梁的連接位置應(yīng)力集中，應(yīng)變響應(yīng)值較大。2號機柜試驗時整體結(jié)構(gòu)位移較大，蓄電池受幾何變形影響在底部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，而底梁連接螺栓附近應(yīng)力比1號機柜的焊接點附近應(yīng)力小。各測點應(yīng)變響應(yīng)峰值如表3所示。

5 電氣性能監(jiān)測

蓄電池柜的抗震考核與其他電氣設(shè)備一樣，除了需要觀察其累積振動下的機械性能（如機柜幾何變形情況、焊縫變化情況、電池外殼是否有裂縫及漏液情況）外，還需考核試驗期間蓄電池履行其職能的能力。一切抗震試驗考核都是為地震作用下蓄電池組電氣性能考核服務(wù)，是抗震試驗的核心［10］，根據(jù)文獻［7-8］要求，在試驗過程中對蓄電池進行放電考核，監(jiān)測放電電壓的連續(xù)性。蓄電池電氣功能監(jiān)測原理圖如圖6所示。蓄電池組串聯(lián)后的電壓約為220 V，用專用放電器進行放電，放電電流為5 A，同時將電池組的輸出端接可調(diào)電位器進行降壓，并輸出到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時采集抗震試驗期間蓄電池的輸出電壓，觀察各試驗工況期間蓄電池的輸出電壓變化情況，有無異常跳變等現(xiàn)象。

6 結(jié) 語

蓄電池柜的安裝方式?jīng)Q定了設(shè)備抗震考核的動態(tài)響應(yīng)與抗震能力。螺栓連接的蓄電池柜共振頻率相對較低，結(jié)構(gòu)強度較弱，抗震試驗后，機柜共振頻率降幅最大的是x軸向，降幅為27.8%，蓄電池共振頻率降幅最大的方向是y軸向，降幅為27.4%;由于蓄電池與機柜之間存在碰撞現(xiàn)象，機柜及蓄電池的x軸向加速度響應(yīng)值較焊接機柜分別增加了487.1%和382.3%，蓄電池底部也因機柜變形而受到擠壓產(chǎn)生較大的應(yīng)力，底梁安裝螺栓易出現(xiàn)緊固失效。而焊接機柜共振頻率降幅最大的是y軸向，機柜與蓄電池共振頻率降幅分別為9.5%及9.7%，底梁焊接部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。綜合考慮各方面因素，高重心、質(zhì)量大的蓄電池柜宜采用焊接方式安裝，并在焊接部位進行加固，以減少應(yīng)力集中;若必須采用螺栓連接方式，則應(yīng)采用高強螺栓，增加連接螺栓數(shù)量，增強螺栓連接處的強度。此外，可在機柜與蓄電池之間采取有效的隔震措施，以減少蓄電池與機柜之間的碰撞。

【參 考 文 獻】

［1］ 趙啟良， 熊澤成， 于越， 等.基于蓄電池守護組件的直流電源系統(tǒng)［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（9）：39-42.

［2］ 阮善發(fā)， 張楚芳.地震荷載作用下核級（IE）蓄電池電氣性能研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報，2000，28（2）：81-83.

［3］ 王廣金， 劉艷， 劉江艷， 等.核電廠1E級電氣設(shè)備鑒定試驗研究［J］.核動力工程，2008，29（4）：131-134.

［4］ 李偉正， 郭石永.核電站抗震儀表支架應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（16）：6530-6536.

［5］ 何延慶.核電1 E級電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定［J］.上海電器技術(shù)，2004（3）：14-19.

［6］ 何平.1E級中壓開關(guān)柜質(zhì)量鑒定探討［J］.高壓電器，2023，59 （4）：186-191.

［7］ 國家核安全局.核設(shè)備抗震鑒定試驗指南：HAF·J0053—1995［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

［8］ 國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.核電廠安全級電氣設(shè)備抗震鑒定：GB 13625—2018［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

［9］ 謝強， 王亞非， 魏思航.軟母線連接的變電站開關(guān)設(shè)備地震破壞原因分析［J］.電力建設(shè)，2009，30（4）：10-14.

［10］ 張征明， 王金海， 何樹延.10 MW高溫氣冷堆蓄電池防震支架的抗震計算［J］.核動力工程，2001，22（5）：430-432.

收稿日期： 2024-04-24