核电厂1E级DCS机柜结构设计研究 

核电厂1E级DCS机柜结构设计研究

方赛，陈亮，贾勋慧，严薇薇，涂德慧

（浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310053）

摘要：核电厂1E级机柜是一个复杂的系统，设计与制造过程都比较复杂，文中总结了核电系统硬

件研制中机柜的设计要求，并在机柜抗震、散热、IP防护、电磁兼容性等方面进行了重点研究。在机柜抗震方面，提出了抗震的设计方法以及抗震应力分析方法。在散热设计方面，总结了密闭机柜、风机散热机柜设计方法。在IP防护设计方面，提出了提高防护等级的结构设计典型案例。在电磁兼容性设计方面，从结构屏蔽和接地两方面总结了设计方法。

关键词：1E级机柜，抗震，散热，IP防护，电磁兼容 中图分类号：TP23

STUDY OF 1E CLASS DCS CABINET CONSTRUCTURE DESIGN

IN THE NUCLAER POWER STATION

Fang Sai,Chen Liang,Jia Xunhui, Yan Weiwei,Tu Dehui

(ZheJiang SUPCON Technology Co., Ltd, Hangzhou Zhejiang, 310053)

Abstract: The 1E class control cabinets in nuclear power station is very complex in the

process of designing and production. The requirement of cabinets design is concluded, the capability of ati seismic, heat dissipation and IP protection are studied as well. The method of design and stress analysis are put forward in ati seismic. The method of cabinets sealing and heat dissipation are summarized, the design method of structural screen and grounding are summed up.

Keyword: 1E class cabinet, anti seismic, heat dissipation, IP protection, EMC(Electro Magnetic

Compatibility)

0 引言

机柜通常是由属于同一工艺系统的配电设备或继电器设备（机架、端子排、按钮、灯、报警窗、二极管等）组装而成的。机柜是核电厂控制系统电子设备不可缺少的组成部分，主要功能是：确保柜体中的设备正常运行，不受外界侵扰，并且保护操作者，使其避免危险的接触。机柜是这些昂贵的电气设备最直接的物理保护。由于核电厂苛刻的使用要求，需要机柜整体具备优良的抗震性能、外壳防护性能（IP)和电磁屏蔽性能等特别的要求，因此需要对核电厂DCS系统机柜的总体设计及关键结构设计进行研究。

1 核电机柜设计总体要求

1.1 功能特性

核电机柜设计是将分散的控制设备依据人机交互的方式进行合理拓扑布局，并按照人机工程学的基本原理进行造型设计和结构设计，满足以下主要功能特性。

(1)分散设备集中布置安装； (2)分配电源；

(3)照明功能（维修、操作）；

(4)断电保护；

(5)过压、过流、短路保护； (6)报警指示功能；

(7)满足所要求的抗震准则； (8)满足所要求的外壳防护性能； (9)满足所要求的电磁屏蔽性能。 1.2 主要技术参数

核电厂苛刻的使用条件，要求机柜设计能满足更严酷的物理、机械环境条件要求，主要技术参数如下：

机柜固有频率：约30Hz 临界静载荷：约8000Kg 额定电压：220VAC，50Hz 耐压强度：

在温度20±5℃，相对湿度<90%RH时，任意不相通的接线端子之间、接线端子与机架间，应能受直流1500V或交流50Hz，1000V电压有效值1min不出现局部放电、击穿或闪络。 绝缘强度：

壳体内电源线与壳体的绝缘应能承受频率为50Hz、电压1000V正弦交流电压或直流1500V时1min的强度试验，不得出现击穿或飞弧现象。 环境温度：

温度：10℃~35℃；相对湿度：45%~75%

1.3 总体要求 （1）尺寸要求

机柜的基本尺寸应符合IEC297-3，IEC297-1，ANSI/EIA RS-310，GB3047.1~3047.4的规定，并考虑模数化、标准化、系列化解决安装的互换性。 （2）材质要求

各结构件的材质，应能承受各结构产品标准所规定的机械应力和耐热应力。 （3）强度和刚度要求

根据产品的负荷大小、抗震、抗冲击等要求进行强度和刚度设计验算。在进行强度和刚度设计时需要考虑结构件的连接方式，整体是螺栓连接还是焊接连接；还要考虑结构件的结构形式，通过增加折弯或压筋等增加结构件的强度和刚度。 （4）外壳防护与散热要求

外壳防护设计应符合GB/T 4208的规定。机柜的防护等级与散热密切相关，应根据设备负荷大小和发热量合理进行通风散热设计，如机壳内产生的热量较大，可考虑采用散热风机等冷却设备；如发热量较小，可采用散热板或在机壳上开孔，或者通过机壳壳体散热。在机壳上开孔与外壳防护及电磁兼容形成矛盾，需要综合考虑。 （5）配线布线要求

配布线是实现产品的电气连接的重要方式之一，在部件、插件和各功能模块的空间布置方面，要考虑元器件的电气连接、接线走线的布局、连接安装方式、电缆穿孔等，根据工作电流合理选择导线线径，根据电气要求，对各导线配以相应的位置和颜色等。

为解决线缆间相互干扰，布线前需要将电缆进行分类，比如交直流线分开、数字线和模拟线分开、高频线和低频线分开等等，分别捆扎，分开敷设。总体布线符合电气要求，布线均匀、合理、整齐美观。

（6）人机工程要求

设计机柜时，应考虑人-机关系和工程美学原理。造型美观，色彩协调，人-机安全。柜内相关

器件的功能分组、设备的分级标识、控制器和显示器的编码、控制器的保安措施，以及设备的试验与维修的可接近性，均需考虑人机工程原则。 （7）电磁兼容要求

电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两个方面，EMS主要研究产品自身抗干扰能力，EMI主要研究产品免受电磁干扰所采取的措施。抑制电磁干扰主要有三个方法：接地、屏蔽和滤波。要减少电磁干扰，除从电路设计入手外，还有重视结构的屏蔽设计。

对于机柜面板上的电连接器，一方面要选用具有高屏蔽效能的电连接器，另一方面要在连接器和面板之间采用屏蔽连接结构，通常采用专用的导电橡胶衬垫或金属网型屏蔽衬垫，将它插在电连接器的安装法兰和面板之间。

机柜内各结构件的搭接应实现导电性互联，并可靠接地。如果选用不同材料搭接，这些材料应具有电化相容性。

机柜柜门与柜体吻合缝隙、并柜缝隙以及电缆进出口应选用指形簧片、导电橡胶、导电泡棉等电磁密封材料减少电磁泄漏。

机柜开有通风孔，对通风量有一定的要求，使用截止波导通风板。 （8）工艺性要求

在设计和制造机柜时，应保证具有良好的互换性和通用性。相同型号、规格尺寸的产品应能互换。

最大限度的采用标准和通用件，以实现机柜的标准化、通用化、系列化和结构的继承性。

1.4 电气接口

接口设计应满足相关标准或行业习惯要求。具体如下： （1）供电方式

交直流电源接入机柜后经柜内配电单元分配至各设备。 （2）电缆连接方式

机柜提供外部电缆固定结构及转接结构，外部接口电缆通过电缆转接结构转接至各设备电缆连接器。

（3）接地装置

机柜设有接地装置，根据项目要求，选择配置系统地、保护地、屏蔽地、防雷地。要求接地可靠，结构上的各个金属件与接地螺母（或螺钉、或接地组件）间的连接电阻，不得超过0.1?。

2 关键结构技术

2.1 机柜抗震设计 （1）抗震设计方法

电子设备受到振源传输来的强迫振动，不同的振源、不同的振动环境，对产品的影响是不相同的。例如，车载设备及运输中的振动环境是中低频的随机振动，垂直方向的振动占优势，水平方向的振动量值远小于铅垂轴；在喷气式飞机及导弹上，其振源是发动机和气动扰流，以及着陆、滑行时机体的振动，其振动环境是宽带随机振动，垂直方向与水平方向的激励量值相当；舰船的主要振源是螺旋桨产生的低频周期振动。因此，在不同行业中，对控制系统都有不同的抗振性要求。

在振动频率较低、振幅较大的情况下，为了避免共振的发生，应优先考虑提高设备的固有频率。如地震的频率一般在1Hz～33Hz之间，因而核电厂电子设备通常考虑提高设备刚度，遵循《GB13625 核电厂安全系统电气设备抗震鉴定》所规定的设计与鉴定的各项要求进行抗震设计，使其所包含的设备在假想的运行与设计基准地震期间和地震后，能满足对它的基本性能要求，并保证作用力的放大不超过受鉴定设备正确的执行其功能的水平。通常使用以下方法。

a. 使用公称厚度至少为3mm的牌号为08F的优质碳素结构钢冷轧钢板做机柜框架及 承重

梁。

b. 按需要焊接加强肋板，一般是在机柜底部和顶盖焊接等边角钢。

c. 抗震插件、机箱、机柜的结构件（如基座、骨架、导轨、面板等）宜采用金属材料， 尽可能将不拆卸部件联接为一个整体，以减小结构阻尼，增加强度和刚度。

d. 抗震插件、机箱、机柜上所有零件的机械连接均应牢固、可靠，连接所用紧固件必 须有防松措施；重要部件装配好之后的螺钉、螺栓等应在其末端涂紧固漆，防止任意拆 卸或松动。

e. 机柜内部设备的固定方式，一般重量大的设备放到下面，目的是使机柜重心降低， 二是避免悬臂梁的安装。

f. 机柜与地基之间的固定可以采用焊接，也可以是螺栓安装，至少使用M16以上的 螺栓，8.8级。

g. 并柜方式一般采用螺栓连接，不得采用卡扣连接。 （2）机械应力分析方法

a. 机柜的静载荷仿真分析：

根据GB/T 18663.1标准规定的试验方法，对机柜框架进行提吊及刚性试验有限元分析。分析时可以采用Soldworks Simulation软件对设计结构进行数字模拟测试，提供应力结果，显示零件的临界区域和各区域的安全级别。根据这些结果可以加强不安全的区域，并去掉超过安全标准设计区域的材料。无需进行昂贵而费时的现场测试，帮助研发人员提高设计效率，减少设计成本、缩短设计周期。

b. 机柜水平地震作用标准值估算：

根据GB50011，采用等效静侧力法进行估算

F????1?2?MAXG----------------（1）

式中：F——沿最不利方向作用于附属系统重心的水平地震力标准值；

?——附属系统功能系数，反映附属系统的重要性，与附属系统性质及建筑类别

有关；

?——附属系统类别系数，反映附属系统特性对地震反应的影响；

?1——附属系统的连接状态系数，反映地震时附属系统反应放大的情况； ?2——楼层位置系数；

?MAX——多遇地震的地震影响系数最大值；

G——附属系统重力。 c. 机柜的抗震仿真分析：

用等效侧力法估算地震水平力是一种简化的计算方法，其计算结果趋于保守。响应谱法是计算非结构件和设备地震作用的有效方法。其中响应谱为对应于结构设计所用地面反应谱，即反映支承非结构构件的结构自身动力特性、非结构构件所在的楼层位置，以及结构和非结构阻尼特性对地面地震运动的放大作用。水平地震作用标准值按下式公式计算

F????SG-----------------------（2）

式中：?,?,G——与等效侧力法定义相同；

?S——楼面反应谱值。

分析步骤：首先用ANSYS结构分析软件建立起刚结构的数学分析模型，计算出结构在自重载荷下的结果；再用响应谱法对该结构进行SSE地震载荷响应分析，并计算出地震载荷下的结果；然后将上述两个计算结果绝对值相加，得到一个组合载荷（自重+地震）；最后，按照ASME规范NF的要求，对钢结构的结构单元进行评定。 2.2 散热设计

电子设备外壳是接受设备内部热量，并通过它将热量散发到周围环境中去的一个重要热传递环节。工业现场环境是各不相同的，为了保证控制柜中各元件的正常工作，需要采取一定的措施来保证机柜内部保持一定的温度。

现阶段控制机柜内部温度主要由两部分组成，一是隔热，二是主动散热，主动散热又可分为自然风冷、直接风冷和间接风冷。隔热是从材料、柜体结构等方面阻止外部的热量进入柜内，如外表面采用反射率较高，传热率较低的涂层或直接受太阳照射的地方直接采用双层结构等，一般使用在户外机柜上。主动散热就是用各种方式将机柜内的热量迁移到外部，从而达到散热的目的。如自然通风、风扇散热、热交换器、空调等。 （1）密闭机柜自然散热：

对于完全密闭的机柜，柜内热量主要通过机柜外壳散出，相比强制空气对流散热，通过机柜壳体散热效率相对较低。通过机柜壳体散热与机柜有效散热面积密切相关，一般按照公式(3)计算：

QS?A?K??T-------------------（3）

其中，QS为通过壳体散出的热量，单位W。

A为机柜有效散热面积，单位m2。 K为散热系数，单位W/m2 K。

ΔT为柜内外温度差，单位K（开尔文）。

（2）风扇散热：

采用风扇散热时，根据流动空气吸收热量的公式计算风扇所需空气流量qV

Qe?qV??C???T--------------------- (4)

其中，Qe?QV?QS,QS为机柜壳体散热量，参见公式（3）；QV为柜内热耗量

?——空气密度，1.03kg/m3；

C?——空气比热容，1.005*103J/(Kg.?C)

?T——设备内部空气温度与外部空气温度之差（K）。

因此，我们可以由得到的风扇所需空气流量对风扇进行筛选，考虑到风扇的可靠工作，设计中应采取2组风机冗余配置，每组的风机流量不得低于计算得到空气流量。 2.3 外壳防护设计

防护结构设计是在散热计算基础上进行的，包括防尘设计和防水设计。等级规定如下： 接触保护和外来物保护等级（第一个数字） 第一个数字 0 1 防护范围 名称 无防护 防护2.5mm直说明 ------ 探测器，球体直径防水保护等级（第二个数字） 第二个数字 0 1 防护范围 名称 无防护 防护水滴 说明 ------ 垂直落下的水滴

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