國家地震工程研究中心

國家地震工程研究中心

NATIONAL CENTER FOR RESEARCH ON EARTHQUAKE ENGINEERING

核電廠電氣盤體之

振動台試驗與模擬分析

柴駿甫 廖文義

林凡茹 賴姿妤 周佩芳 陳明毅

報告編號：NCREE-13-021

中 華 民 國 1 0 2 年 1 1 月

NCREE-13-021

核電廠電氣盤體之振動台試驗與模擬分析

The shaking table test and numerical simulation of MCC cabinet in Nuclear Power Plant

*柴駿甫 **廖文義

***林凡茹 ****賴姿妤 *****周佩芳 ******陳明毅

Juin-Fu Chai Wen-I Liao

Fan-Ru Lin Zih-Yu Lai Pei-Fung Chou Ming-Yi Chen

* 國家地震工程研究中心研究員

** 國立台北科技大學土木與防災所教授

*** 國家地震工程研究中心助理研究員

**** 國家地震工程研究中心專案助理研究員

***** 國立台北科技大學土木與防災所研究生

******國立台灣大學土木工程學系研究生

國科會計畫編號：NSC 101-3113-P-042A-004 執行期間：101 年 03 月 17 日至 101 年 12 月 20 日

總計畫名稱：核設施結構耐震及安全相關設備地震驗證技術建立 總計畫主持人：陳正興

執行單位：國家地震工程研究中心

中華民國一百零二年十一月 November 2013

II

摘要

臺灣核能電廠運轉至今已有一段時間，期間核能電廠電氣盤體之盤內 設備物需多次更新汰換及維護。本研究以臺灣龍門電廠餘熱移除系統 C 串 (RHR-C，Residual Heat Removal)之馬達控制中心(MCC，Motor control center) 電氣盤體機櫃作為研究對象，藉由振動台試驗了解 MCC 電氣盤體於受震下 之動力反應與結構特性，試驗目的主要為探討以下項目：(一)、空櫃與櫃內 含設備物之動力反應特性；(二)、不同量測位置(如：機櫃內、外部及不同 高程處)之反應比較；(三)輸入波強度之影響；(四)櫃內有無抽屜型式之機櫃 動力反應；(五)不同形式輸入地震波(如：主要涵蓋頻率範圍不同)對機櫃行 為之影響。

除了探討臺灣核能電廠 MCC 電氣盤體之結構動力特性與盤內反應，另 依據試驗機櫃之材料性質及尺寸進行電氣盤體動力反應之數值模擬，研究 採用 SAP2000 分析軟體進行模型建立及動態反應模擬，其目的為模擬真實 機櫃受震時之反應，並可提供往後參數分析及多盤體機櫃模擬之參考。

關鍵詞：MCC 電氣盤體、盤內反應譜、動力放大因子、數值模擬

III

ABSTRACT

According to the FSAR report of Lungmen Nuclear Power Plant (NPP4), the Motor-Control-Center (MCC) type cabinets and in-cabinet equipment belonging to the C loop of the Residual Heat Removal System (RHR-C loop) are regarded as the critical items and are selected to be the research target. In this study, the seismic behavior of MCC type cabinets was discussed through shake table tests. Independent five variables of tests included existence of simulated incabinet instruments, locations of measuring points (e.g. outside and inside positions of the cabinet), cubicle types (e.g. cubicles with or without drawers), and different types and levels of input motion.

In the second part of this study, numerical models were established with SAP2000 analysis software to simulate the seismic behavior of tested cabinets and to generate in-cabinet response spectrum (ICRS) for in-cabinet equipment. According to the system identification results and the material and dimension properties of the tested cabinets, the numerical models were adjusted to conform to shake table test results. The numerical models and analysis results can be used for the parametric analysis and multi-cabinet simulations in future studies.

Keywords：MCC cabinet, In-cabinet response spectrum, Numerical mode

IV

目錄

摘要 ... II  ABSTRACT ... III  目 錄 ... IV 

第一章 緒論 ... 1 

1.1 前言 ... 1 

1.2 研究動機與目的 ... 1 

1.2.1 研究動機 ... 1 

1.2.2 研究目的 ... 2 

1.3 文獻回顧 ... 2 

1.3.1 國外電氣盤體振動台試驗【1】 ... 2 

1.3.2 盤內反應譜相關文獻 ... 3 

1.3.2.1 國家技術信息服務 NTiS(NUREG CR-5203)【2】 ... 3 

1.3.2.2 美國能源部耐震評估程序-【3】 ... 5 

1.3.2.3 盤體動力放大因子評估研究 ... 6 

1.3.2.4 盤內反應譜相關研究 ... 7 

1.3.3 其他文獻 ... 8 

1.4 研究內容 ... 9 

第二章 實驗研究 ... 12 

2.1 核能電廠電氣盤體 ... 12 

2.2 實驗設備與結構 ... 13 

2.3 實驗規劃與流程 ... 14 

2.3.1 實驗規劃 ... 14 

2.3.2 實驗流程 ... 14 

2.4 實驗量測裝置 ... 16 

2.4.1 加速度規 ... 16 

2.4.2 磁環式位移計 ... 17 

第三章 實驗結果分析 ... 33 

3.1 機櫃之動力特性 ... 33 

V

3.1.1 機櫃自然頻率 ... 33 

3.1.2 機櫃阻尼比 ... 35 

3.2 加速度歷時反應 ... 35 

3.3 位移歷時反應 ... 42 

第四章 盤內反應譜分析與動力放大因子 ... 96 

4.1 前言 ... 96 

4.2 空櫃或質量櫃之影響 (B

ARE V

S

ASS

4.2.1 空櫃與含設備物機櫃之反應譜 ... 96 

4.2.2 空櫃與含設備物機櫃之放大因子 ... 97 

4.3 量測點位影響 ... 97 

4.3.1 不同高程處之盤內反應譜 ... 98 

4.3.2 不同高程處之盤內放大因子 ... 98 

4.3.3 機櫃內部與外部之反應譜比較 ... 99 

4.3.4 機櫃內部與外部之放大因子比較 ... 99 

4.4 輸入波強度影響 ... 99 

4.4.1 不同地震強度之盤內反應譜比較 ... 100 

4.4.2 不同地震強度之放大因子 ... 100 

4.5 不同輸入波之影響 ... 101 

4.5.1 不同地震波之反應譜比較 ... 101 

4.5.2 不同地震波之放大因子比較 ... 102 

4.6 動力放大因子總結 ... 103 

4.7 小結 ... 103 

第五章 數值模擬分析 ... 138 

5.1 前言 ... 138 

5.2 數值模型 ... 138 

5.3 數值模擬分析結果 ... 140 

5.4 小結 ... 142 

第六章 結論與建議 ... 170 

6.1 結論 ... 170 

6.2 未來研究方向 ... 170

1

第一章 緒論

1.1 前言

核能電廠於全球各國已發展一段時間，經由 2011 年 311 日本大地震福 島電廠事件，可警惕國內電廠，應了解影響電廠爐心熔毀風險較高的餘熱 移除系統(RHR)之電氣盤體設備物耐震性能之重要性，故本研究探討核電廠 機櫃之耐震行為，以臺灣某核電廠相似之機櫃進行振動台試驗，了解機櫃 受震下之加速度歷時、位移歷時、加速度峰值放大倍率、盤內反應譜與放 大因子等之機櫃動力反應。並參考真實機櫃參數建立 3D 數值模型，模擬真 實機櫃受震下之動力特性，以提供往後參數分析與多盤體機櫃之模擬參考。

1.2 研究動機與目的

1.2.1 研究動機

核能發電主要使用核燃料鈾等元素，進行核分裂連鎖反應釋放出大量 熱能，再利用水蒸氣轉動蒸氣渦輪發電機而發電。一旦發生大地震，核能 電廠即自動停止核分裂採取安全對策，但光此對策無法使核燃料立即冷 卻，須靠水循環降溫冷卻，一旦喪失冷卻功能，將產生高溫的燃料棒融化，

造成核子反應爐受損，放射性物質大量釋放到外部的危險。因此，核能電 廠皆備有發生災害而喪失冷卻用水時的緊急注水系統。在 2011 年 3 月 11 日下午，日本東北地區外海發生芮氏規模 9 的大地震，並引發約 40 公尺高 的海嘯，因地震造成福島核能電廠之電力無法提供，其中「緊急爐心冷卻 系統(ECCS，Emergency Core Cooling System)」無法驅動，完全失去驅動冷 卻系統動力。在此情況下，只好將海水注入反應爐內進行冷卻燃料棒作業，

導致爐心毀壞，核廢料外洩至外部區域，其後造成之影響甚其嚴重。

由此可知，核能電廠防災安全措施若無法如期運作而導致爐心熔毀，

即發生後續不可逆轉的災害。基於前車之鑑，本研究主要在探討台灣核電 廠放置控制冷卻系統管線儀器之機櫃其耐震行為，以了解臺灣核電廠之耐 震性能。

2

1.2.2 研究目的

經由核電廠 FSAR 報告中找出，電廠內造成爐心熔毀機率較高的設備 主要為餘熱移除系統(RHR，Residual Heat Removal)C 串管線，而此管線之 控制電路主要放置於馬達控制中心(MCC，Motor Control Center)機櫃內，餘 熱移除系統主要功能為冷卻核子反應爐之爐心，避免核子反應爐受損，若 反應爐受損將導致放射性物質大量釋放到外部的危險。為了確保核能電廠 於強震來襲時，緊急安全機制可以正常運作，本研究訂製與核電廠相似之 電氣盤體機櫃，於國家地震中心進行振動台試驗，藉由振動台試驗探討電 氣盤體機櫃其外部結構與內部設備物之耐震行為，並建立數值模擬分析，

觀察模擬機櫃於不同動態反應下之比對結果。

1.3 文獻回顧

1.3.1 國外電氣盤體振動台試驗【1】

Kim 等人【1】進行振動台試驗研究韓國核電廠機櫃系統之耐震行為，

此試驗採用 480V 馬達控制中心(MCC，Motor Control Center)電氣盤體，輸 入三種地震歷時，分別為韓國核電廠耐震設計反應譜(US NRC Reg. 1.60)、

韓國核電廠均佈危害度反應譜(UHS，Uniform Hazard Spectrum)及韓國 Ulchin 核電廠主要輔助建物之樓板反應譜(PAB，Primary Aux Building)相符 之地震紀錄，其中，韓國均佈危害度反應譜(UHS)主要為用能量研究機櫃之 高頻反應。此文獻為求出真實機櫃之放大因子，於機櫃外部隨不同高度放 置三組加速規，並於機櫃內部繼電器(Relay)處設置加速規量測其盤內反應。

機櫃底部之接合方式採用真實核電廠之固定型式，轉接板以螺栓鎖固 於振動台上，機櫃底部以焊接方式固定於轉接板上，另外，其研究結果發 現機櫃之加速度反應會隨著機櫃高度增高而振幅變大，高度越低則反之。

由韓國振動台實驗可得知，機櫃外部之放大因子，於輸入地震歷時之 頻率範圍與機櫃自然頻率達共振時，會產生較大之反應，但機櫃內部之放 大因子則反之，由於機櫃內部構件(local components)造成之反應為構件個體 反應(local mode)，與機櫃外部整體(global)所造成之反應不同；且放大因子

3

會隨量測位置不同，而產生不同變化。故加速度放大因子應隨機櫃之不同 位置而有所變異。

將其試驗機櫃外部之放大因子計算結果與 NUREG/CR-5203【2】報告 比較，可發現 NUREG/CR-5203【2】報告之盤內放大因子較為保守，放大 因子的部分於未來仍需再加以探討。

1.3.2 盤內反應譜相關文獻

1.3.2.1 國家技術信息服務 NTiS(NUREG CR-5203)【2】

美國國家技術信息服務【2】於 1988 年提出電氣盤體之動力放大係數 相關研究，利用機率法推算出具保守性之動力放大因子(AF，Amplification Factor)值，其動力放大因子(AF)定義，為輸出加速度反應譜值(設備物放置 處)與輸入加速度反應譜值(機櫃底部)之比值。所採用的測試數據均為破壞 試驗(fragility)或最高驗證等級(highest qualification level)結果，藉由統計 4-16Hz、16-40Hz 和 40-100Hz 等不同頻率範圍之反應譜最大值(peak)放大振 幅、平均值(average)放大振幅與零週期(ZPA, zero period acceleration)放大振 幅，而得該頻率範圍之中位數值及其對應之變異係數，進一步推算高可信 度低失效率(HCLPF，High-Confident and Low-Probability of Failure，亦即 95%高可信度，失效率不超過 5%)下極具保守性之動力放大因子(AF)值。

HCLPF 值計算如(1.2)式與(1.3)式所示。

其 中，

： 隨機 變異係數(coefficient of variation due to randomness)

：不確定變異係數(coefficient of variation due to uncertainties)

：總變異係數(total coefficient of variation)

依據上述分析，NUREG CR-5203 統計結果如表 1.1 所示，可知 MCC 電氣盤體零週期(ZPA)處放大振幅值為 3.3，且 β_u與 β_r所計算出之 β_c (total coefficient of variation)隨頻率增加而增加，可說明動力放大因子(AF)在高頻

High Confidence Value =

Median





2 2

c r u

    (1.3)

4

區變異性較高。若僅採用破壞測試數據(fragility test data)，結果如表 1.2 所 示，零週期(ZPA)處放大因子振幅為 3.0，略小於採用全部測試數據之統計 結果，其不確定變異係數(β_u)變小而隨機變異係數(β_r)變大。

NUREG CR-5203 第 4 章提到不同參數對機櫃振幅放大因子的影響，包 括(1)量測位置、機櫃頻率與結構模態、(2)安裝方式與不同機櫃面板勁度、

(3)量測之機櫃方向、(4)輸入波大小及(5)阻尼比，分述如下：

(1)、依據固定在機櫃不同位置的加速度規量測數據，可得到對應之動力放 大因子(AF)之頻譜。獨立式設備物(free standing panel)之低頻區段 (f<16Hz)動力放大因子(AF)同時受機櫃 global mode 和 local mode 影 響，故低頻區段 AF 值有隨高度增加而增加之趨勢。高頻區段(f>16Hz) 動力放大因子(AF) 主要受到機櫃內部薄板(Thin plate)等 local mode 影 響，不同位置之盤內反應差異甚大。高頻區段 AF 值通常高於低頻區 段，在”Idaho National Engineering Laboratory”報告中也有相同結論。

該文認為高頻部分因控制系統之雜訊而不甚精確，因此只採用頻率小 於 33Hz 的資料。

(2)、機櫃安裝方式分為焊接(weld)與螺栓對接(bolt)兩種，其結果顯示對放 大因子無影響性。若在機櫃面板(plate)上安裝加勁板，例如門板(door panel)，AF 值則會明顯降低。

(3)、對於獨立放置之機櫃(free standing)，水平方向的 AF 值明顯比垂直方向 AF 值大，但高頻通常由 local mode 決定 AF 大小，且 FB(front-to-back) 向會大於 SS(side-to-side)向並大於 V(vertical)向。

(4)、AF 值與振動台輸入波大小有關。於低頻範圍，輸入地震波越大，所得 到的 AF 值越小，但當輸入地震波大小達到較高層級(high level)時(例 如：ZPA=2.0g)，AF 值則無明顯下降趨勢。

(5)、阻尼比與放大因子之關係，除了反應譜波峰處與波谷處，阻尼比對振 幅反應幾乎沒有影響；在高頻區段，較小的阻尼比會有較大的AF 值；

在波谷區，阻尼比越大其 AF 值越大。

5

1.3.2.2 美國能源部耐震評估程序-【3】

美國能源部(DOE，U.S. Department of Energy)於 1997 年提出核能設施 多種設備物耐震評估程序【3】。DOE 提出盤內電驛之耐震需求，亦即盤內 需求譜(IDS，In-Cabinet Demand Spectrum)，可採用盤內動力放大係數(AF，

in-cabinet Amplification Factor)或是盤內反應譜(ICRS，In-Cabinet Response Spectra) 計算。

若以盤內動力放大係數AF 值計算，可依據(1.4)式而得 IDS：

IDS

SDS AF

其中，

SDS：設備物耐震需求反應譜(Seismic Demand Spectrum)，其為設計地 震作用下之樓板反應譜乘上調整係數而得

AF：盤內動力放大因子，AF 值如表 1.3 所示。

若以盤內反應譜(ICRS)計算 IDS，則以盤內反應譜中電驛(relay)自然頻 率對應之譜加速度值，代替(1.4)式中之 AF，即可得對應之 IDS。盤內反應 譜(ICRS)，求法有以下兩種：

1. 控制室之斜面操作台(Benchboards)或盤體(Panels)，其 ICRS 可依據 EPRI NP-7148 報告【4】之評估方法與程式計算而得之，但操作台與 盤體的固定方式必須依照EPRI NP-7148 報告【4】之規定，亦即必須 確保其顯著自然頻率在13Hz 以上。

2. 其他未包含在 EPRI NP-7148 報告【4】之盤體機櫃，可採數值分析或 實體試驗方式獲得某特定機櫃之盤內反應譜，但須留意以下子構件之 結構特性對於盤內反應譜的影響，包括局部構件撓度、錨定構件局部 塑性變形、長圓形螺栓接合孔或鑽孔式螺栓接合等。

根據上述，盤內設備物需求譜(IDS)，可採用盤內動力放大因子(AF)或 是盤內反應譜(ICRS) 計算。因此本文於 1.3.2.3 與 1.3.2.4 小節，分別探討盤 體動力放大因子與盤內反應譜相關研究。

6

1.3.2.3 盤體動力放大因子評估研究

核電廠內含有多種型式之機櫃，並含有不同動力反應，EPRI

NP-7146-SL 報告【5】中利用簡化方法定義保守的動力放大因子，而文中提 到機櫃自然頻率式決定櫃內動力放大因子的一個重要因素，並提出計算其 動力放大因子的方法：

利用機櫃盤內反應譜(ICRS，In-Cabinet Response Spectra)與底部反應譜 (BRS，Base Response Spectra)加速度最大值之比值求得如式(1.5)，並乘上折 減係數而得到有效動力放大因子如式(1.6)，其實驗結果發現動力放大因子 (AF)隨機櫃自然頻率越高而慢慢下降，AF 值範圍為 2.37 至 5.82 間。

1 1,5%

0 0,5%

( ) ( )

a x

g

a x

S f

AF

S f

e g b m

AF

AF C C

其中，

AF

0( , )

S

f

1( , )

S

f

AF

C

C

核電廠內之電驛數量眾多，含許多不同之動力反應，為使初步耐震評 估作業具經濟性與適用性，Merz 和 Ibanez【6】建議之初步評估方法，為採 用 GERS(Generic Equipment Ruggedness Spectra)作為電驛容量(Capacity)之 依據，檢核是否大於電驛固定處之需求反應譜(Demand)，作為電驛耐震性 能初步評估之準則。GERS 為 A-46 【7】報告提出綜合多件電驛耐震性能 測試，歸納折減而得具保守性之電驛耐震反應譜，亦即在該需求反應譜輸

7

入之下，電驛之耐震容量足使電驛於強震之中維持其機能。為快速求取電 驛固定處之耐震需求，Merz 和 Ibanez【6】提出可將樓板反應譜乘上有效動 力放大因子(AF_e，Effective amplification factor)，作為電驛固定處之需求反 應譜。依據馬達控制中心(MCC ，Motor Control Center)電氣盤體實際測試 結果，Merz 和 Ibanez【6】建議 MCC 電氣盤體之有效動力放大因子可採 3.0，

而柔性盤體(Flexible panels)之有效動力放大因子則可採 6.0。

1.3.2.4 盤內反應譜相關研究

1.3.2.3 小節所提之動力放大因子概念，有助於快速篩選有耐震疑慮之 盤內設備物，然而其動力放大因子值偏於保守，與樓板反應譜相乘而得之 盤內設備物需求譜(IDS)亦失去真實性，因此近期有許多研究文章，著重於 探討盤內反應譜(ICRS)之推導與設計機制。

由於進行數值模型分析或振動台實驗較花費時間與金錢，為簡化尋求 ICRS， Shi【8】提出直接採用設備物廠商提供之耐震性能驗證測試資料(自 然頻率搜尋測試資料)，依照下列程序建立簡化之盤內設備物固定處 ICRS：

1. 依照耐震性能驗證測試資料求得盤內設備物固定處之三軸向自然頻 率。

2. 辨識該盤體位置之樓板反應頻寬之主要頻率範圍。

3. 計算在樓板反應主要頻率範圍之簡諧波輸入下，盤內設備物固定處 各自然頻率之動力放大因子值。

4. 考量多模態參與效應，計算 ICRS 之 ZPA(Zero Period Acceleration)。

多模態參與效應係數值介於1.25 至 1.50 之間。

5. 依據步驟 3 所得之盤內設備物固定處自然頻率之動力放大因子值，

計算ICRS 之譜加速度值。

6. 依據樓板反應譜加速度，以及步驟 4 所得之 ICRS 之 ZPA 與樓板反 應譜ZPA 的比值，計算非盤內設備物固定處自然頻率之譜加速度值。

7. 繪製頻率範圍為 1-33Hz 之 ICRS。

Shi【8】建議，ICRS 峰值處應拓寬±15%頻率範圍，藉以涵蓋分析與測 試技術上之不確定性。

8

當設備物廠商可提供盤內設備物固定處之自然頻率搜尋資料時，可採 Gupta 等人【9】提出之方法獲得簡化的 ICRS。Yang 和 Gupta【10】則依據 16 座機櫃之有限元素分析資料假設 Ritz vector，利用 Rayleigh–Ritz 方法求 取盤體機櫃動力反應，而可求得 ICRS。Yang 和 Gupta 【10】則修正並應 用 Gupta 等人【9】提出之 Ritz vector，建立 INCABS 程式。Yang 和 Gupta

【10】將盤體機櫃分為 Box、Internal frame、Benchboard、吊掛式盤體機櫃 等四種類型，並依據盤體機櫃錨定條件計算其整體模態，依據盤內設備物 固定處之盤體子構件型式(板、構架、已加勁之板)，計算其局部模態(local mode)。Gupta 等人【9】與 Yang 和 Gupta【10】提出之方法，是假設一個 至兩個的顯著模態，即可計算具有精準度之 ICRS。

1.3.3 其他文獻

IEEE Std 344-2004 【 11 】 (IEEE Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations)為 針對美國核電廠 Class 1E 設備之耐震性能驗證準則，證明 Class 1E 設備在 數個特定中小型地震之後，承受特定大型地震期間以及震後仍能達到其性 能要求。IEEE 344 不同於美國 AC156【12】、GR-63-CORE【13】以及 IEEE693

【14】提供振動台輸入波應相容之平滑化設計需求反應譜(RRS, required response spectrum)，其僅為各種試驗與輸入波(包括單頻或多頻)設計等制訂 原則性準則。

IEEE693 【 14 】 (IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substations)為美國電廠之變電站設備物耐震設計準則，其適用範圍並不包 括美國核電廠 Class 1E 設備物，內容包括變電站各式設備物耐震設計與測 試等規定。IEEE693 提供設備物耐震性能驗證之平滑化設計需求反應譜 (RRS, Required Response Spectrum) ，實際測試時，振動台輸入波應與之相 容。IEEE693 之耐震測試可分為兩種等級，在驗證等級測試(Qualification Levels) 之 下 ， 設 備 物 應 完 全 無 損 壞 ， 且 繼 續 運 轉 。 在 性 能 等 級 測 試 (Performance Levels)之下，設備物可以有些微或無嚴重結構損壞，但仍應正 常運轉。

9

IEEE693 已規定性能等級測試波之歷時峰值，檢驗等級測試之輸入波強 度則為性能等級測試的 0.5 倍。性能等級測試波水平向與垂直向之加速度峰 值，應分別達到 1.0g 與 0.8g。

1.4 研究內容

本研究採用與某核電廠相似之機櫃，進行動力分析及探討結構特性，

該核能電廠之電氣盤體機櫃型式眾多，故本研究主要針對三種不同間層機 櫃進行振動台試驗，間層高尺寸分別為 600mm(三層)、450mm(四層)及 300mm(六層)。實驗機櫃外部之寬(X 向)、深(Y 向)、高(Z 向)尺寸分別為 630mm 550mm 2350mm，機櫃總重約為 140kg，機櫃各間層內設備物重量 均為 5kg。輸入波選用寬頻範圍之 IEEE693 規範的平滑化需求反應譜 (IEEE693)與臺灣龍門電廠的樓板反應譜(OBE)，量測裝置含有加速度規與 磁環式位移計，其架設位置於第二章詳細說明。

為求了解試驗機櫃之基本性能，將探討機櫃之自然結構頻率與阻尼比 分析，並利用加速度規與磁環式位移計所得之加速度值及位移量，進行加 速度歷時、加速度峰值放大倍率與位移模態之分析。並比較以下不同項目：

(一)、機櫃內部有無設備物之影響；(二)、不同量測位置之反應；(三)、含 抽屜及無抽屜之反應；(四)不同強度之輸入波；(五)不同頻寬範圍之地震輸 入波，以了解機櫃之動力反應。

因機櫃內部放置多種重要設備物，故機櫃內部之耐震反應相當重要，

一般盤內設備物設計及耐震需求，皆須提供盤內設備物錨定點之盤內反應 譜，為確保不同自然頻率之盤內設備物之評估結果或耐震設計能達到規範 要求。放大因子會隨著設備物種類不同與配置位置、配置方式之不同而有 所變化，放大因子為受震下之機櫃內部反應譜與機櫃底部反應譜之比值。

故本研究將於第四章探討機櫃於受震下之盤內反應譜與放大因子。

本研究採用 SAP2000 分析軟體進行模型建立及動力反應模擬比較，以 IEEE693-0.25g 地震波作為輸入地表波代表，並進行比較數值模型與試驗所 得之加速度歷時、反應譜內涵及放大因子之差異性；建立數值模型目的為 提供往後參數分析及多盤體模擬之參考。

10

表1.1 MCC 振幅放大因子分析結果(所有測試資料) 【2】

Amplification Median High Confidence

Peak

4-16Hz 4.8 0.23 0.10 8.2 16-40Hz 5.3 0.23 0.14 9.9 40-100Hz 5.7 0.46 0.17 15.8

Average

4-16Hz 3.0 0.14 0.14 4.7 16-40Hz 3.7 0.32 0.13 7.7 40-100Hz 5.0 0.36 0.13 11.2 Zero Period 3.3 0.21 0.09 5.4

表1.2 MCC 振幅放大因子分析結果(設備破壞測試) 【2】

Amplification Median High Confidence Peak 4-16Hz 4.3 0.21 0.19 8.2

Average 4-16Hz 2.9 0.14 0.16 4.8 Zero Period 3.0 0.14 0.16 4.9

11

表1.3 盤內動力放大係數(AF)列表【3】

No. 盤體機櫃種類 AF 值**

1 MCC 類盤體機櫃* 3

2 一般控制盤(Conventional Control Panel)或斜面

式操作台(Bench board)* 4.5***

3 開關器類(Switchgear type)機櫃，或是其他類似之

大型未固定式盤體* 7

4 其他種類之機櫃、盤體 ****

* 盤體機櫃定義，可參考文獻【13】附錄 I 之說明

** 評估人員應參考【13】、【4】等文獻，確認盤體機櫃定義，方能使用 AF 值

*** 控制盤或斜面式操作台的固定方式必須依照文獻【13】之規定，AF 值方能採用 4.5。

但評估以下項目時，應使控制盤或操作台顯著自然頻率均在 13Hz 以 上，而非文獻【13】制定之 11Hz：

1. 裝置於內部獨立式排架之設備物

2. 懸臂式附屬物，如固定於前方立面或側板之懸臂式翼牆 3. 控制盤或操作台之櫃門

**** 其他種類之機櫃、盤體，可依據文獻【4】，藉由測試而得某特定盤 內設備物固定處之反應譜加速度峰值即其對應之動力放大因子，乘 上折減係數後，即可得有效盤內動力放大因子。一般典型之窄頻動 力放大係數反應譜，其折減係數為 0.6。

12

第二章 實驗研究

2.1 核能電廠電氣盤體

本研究採用臺灣核能電廠 MCC(Motor Control Center)機櫃為實驗之對 象，其機櫃內部含有控制電路設備，為控制餘熱移除系統(RHR，Residual Heat Removal)之 C 串(簡稱 RHR-C 串)，RHR-C 串管路由管線、馬達、閥門...

等設備所組成，而馬達與閥門啟動大多皆由電路控制，這些電路控制儀器 放置於 MCC 機櫃內，可說明 MCC 機櫃為核能安全元件之一。本研究將探 討與核能電廠 MCC(Motor Control Center)相似之電氣盤體機櫃於彈性範圍 內之動力反應與反應譜特性。

所探討的 MCC 電氣盤體機櫃位於核能電廠一號機反應廠房(RB，

Reactor Building) Room337 內，高程為海平面+4800mm 處，所在平面圖如 圖 2.1 所示，圖中為 3F 平面圖之廠內特定樓層編號與真實樓層數不同。機 櫃外觀如圖 2.2 所示，內部含有控制 RHR-C 串管路線之儀器。由九條不同 間 層 數 機 櫃 組 合 ， 單 條 機 櫃 尺 寸 寬 、 深 、 高 分 別 為 508mm 508mm 2315mm；每條電氣盤體內含有不同間層尺寸，分別為 300mm、450mm、600mm 及 750mm。櫃內設備物大多為斷路器、變壓器、

電驛、保護電驛、零材線料…等，每層總重量約 1.3kg 至 5.1kg 之間。九條 機櫃藉由橫跨機櫃底部之兩條平行槽鋼連結，槽鋼分別焊接於機櫃前側 (front)與後側(back)之底部與廠內預埋鋼板相接，並依據焊接圖進行施工。

由圖 2.3 所示，最外圍邊界處焊接長度為 76.5mm，中間機櫃相連處焊接長 度為 152.5mm，焊接厚度為 3mm，槽鋼頂部與單條機櫃底部連接由四顆 M16 螺栓於機櫃四個角落相接。

核電廠之電氣盤體機櫃款式眾多且內含有控制不同系統之設備物，本 研究主要針對三層(層高 600mm)，四層(層高 450mm)及六層(層高 300mm) 之三種不同間層數機櫃進行研究，後續文章中簡稱為 600mm，450mm 及 300mm 機櫃，不同機櫃盤內所擺置之設備物與重量依據電廠人員所提供之 資料配置，如表2.1 所示。設備物主要擺放位置與接合情況，不同間層尺寸 機櫃皆有所不同，如圖 2.4 所示，設備物包含有變壓器、斷路器、監控傳送

13

器、保護電驛、線材…等，設備物與機櫃接合方式主要由螺栓鎖固於機櫃 內側鋼板或抽屜後版上，如圖 2.5 所示。

依據現場巡查結果，盤內設備物多為吊掛式，少數為平放式。其中，

核能電廠 600mm 機櫃最底層之盤內設備物為平放式，其餘均為吊掛式；

450mm 之機櫃擺放方式較為不同，抽屜右側加製一片 Z 型板，Z 型板上方 主要為電驛(relay)擺放處，如圖 2.4(b)所示；300mm 設備均擺放於機櫃抽屜 後板上，如圖 2.4(c)所示。

2.2 實驗設備與結構

依據龍門電廠現地調查結果，製作與核能電廠電氣盤體相似之機櫃，

其設計間層為 300mm 6 層、450mm 4 層及 600mm 3 層三種規格機櫃。試 驗 機 櫃 外 部 尺 寸 為 寬(X 方 向 ) 、 深 (Y 方 向 ) 、 高 (Z 方 向 ) 分 別 為 630mm 550mm 2350mm，Y 方向為機櫃門方向(front-to-back)。機櫃重量約 為 140kg，試體外觀如圖 2.6 所示。機櫃右側小門內為放置設備所連結之電 纜線位置，機櫃頂部預留間層 300mm 及底部預留間層 250mm 為各機櫃間 電纜線流通處。機櫃間層尺寸300mm 及 450mm 內部含有抽屜，600mm 內 部未含有抽屜，為一片垂直面板由六顆螺栓固定於機櫃內部垂直角鋼上。

機櫃底部之接合部分，臺灣核能電廠機櫃底部為兩條平行槽鋼焊接於 預埋鋼板上，槽鋼頂部由螺栓與機櫃接合，圖 2.7 所示為模擬臺灣核能電廠 機櫃底部之邊界條件。槽鋼焊接長度依核電廠所提供之工程焊接圖規定長 度焊接，因本試驗試體為單條機櫃，故將機櫃前後兩側角落各焊接 76.5cm，

焊接厚度為 3mm，試體底部焊接完工照片如圖 2.8 所示。

臺灣核能電廠之機櫃間層 300mm、450mm、600mm 內部之設備物重量 為 1.3kg 至 1.5kg 之間，試驗機櫃採用相同重量之質量鋼塊加入，其重量分 別有 1000g、600g、500g、400g、300g，並依照核能電廠電氣盤體設備物所 在位置鎖固於每層機櫃後板或抽屜後板上；核電廠機櫃內部含有櫃內設備 物大多為斷路器、變壓器、電驛、保護電驛、零材線料…等，每層總重量 約 1.3kg 至 5.1kg 之間，故試驗機櫃每層以核電廠機櫃內設備物之最大重量 5kg 模擬，試驗質量塊擺放位置如圖 2.9 所示。由於電廠內機櫃頂部均含有

14

輸送電纜線之鋼管支撐，故試驗機櫃頂部加裝之 2kg 之質量塊模擬，如圖 2.10 所示。

2.3 實驗規劃與流程

2.3.1 實驗規劃

本實驗機櫃外觀與實驗順序，如圖 2.11 與表 2.2 所示。以下利用所制 定之名稱代表不同間層數之機櫃，Case 1 為機櫃間層尺寸為 600mm，Case 2 為機櫃間層尺寸為 450mm，Case 3 為機櫃間層尺寸為 300mm；bare 表示為 空櫃內部無質量塊之情況，mass 則為機櫃內含有質量塊之情況，實驗探討 影響機櫃反應之項目分別為:(一)、空櫃不含設備質量與含質量之機櫃；

(二)、不同量測位置(如機櫃內、外部與不同高程處之盤內反應)；(三)、輸 入波不同強度之影響；(四)、機櫃內部有無抽屜之反應；(五)、不同頻寬範 圍之地震波影響。

2.3.2 實驗流程

實驗流程之地表輸入波分別為 IEEE693 試驗波與 OBE 試驗波，兩種試 驗波皆為寬頻範圍。首先，說明 IEEE693 為地表輸入波選用情況，IEEE344

【11】與 IEEE693【14】均為美國電廠之耐震規範；IEEE344 為針對美國核 能電廠 Class 1E 設備之耐震性能驗證準則，證明 Class 1E 設備在遇到特定 地震後仍能達到其性能要求，但 IEEE344 之輸入波可能會使電氣盤體機櫃 進入塑性反應，其因為 IEEE344 為美國核電廠某特定點之樓板反應譜，美 國位於地震較少之地區，臺灣位在強震較多之地區，因本研究主在探討機 櫃於彈性範圍內之結構特性，故不選用 IEEE344 規定之輸入波；IEEE693 適用範圍雖不包含核能電廠安全相關設備物，即為美國核能電廠Class1E 設 備物，但本研究輸入波仍使用 IEEE693 之規定，其主要原因為在探討電氣 盤體機櫃於彈性範圍內之結構特性；本研究採用 IEEE693 平滑化之需求反 應譜(RRS，Required Response Spectrum)，如圖 2.12 所示。而 OBE 輸入波 為使用龍門電廠之樓板反應譜，如圖2.13 所示，OBE 測試波譜加速度之水 平向為 0.26g，垂直方向為 0.76g，採用阻尼比為 0.02。OBE 原始地震歷時，

15

以中央氣象局在該核能電廠附近之測站，依據 2002 年至 2008 年規模 3.0 以 上、峰值10gal 以上之地震歷時資料進行篩選，最後採用龍門電廠內自由場 TAP105 測站之 2004 年 0706 地震歷時為原始地表歷時，如圖 2.14 所示，

OBE 設計樓板反應譜相容之需求反應譜如圖 2.15 所示，OBE 試驗波之原始 地震歷時相關資料如表 2.3 所示。而 SSE 樓板反應譜相容之 SSE 試驗波將 導致電氣盤體機櫃進入於塑性範圍內，故不選用 SSE 試驗波。

本實驗共含四種輸入波，主要測試波為 IEEE693 與 OBE 人造歷時，於 輸入主要地震歷時前，先進行白噪音測試(White noise testing)與衝擊載重波 測試(Impact pulse testing)，進而得到盤體之結構動力特性。白噪音試驗目的 為找出盤體之自然頻率，輸入波峰值為 0.05g，頻率範圍為 1~50Hz，由轉 換函數(Transition function)求得結構自然頻率。衝擊載重波試驗目的為藉由 自由振動反應區段，進行結構模態分析。主要測試波，首先為 IEEE693 之 人造歷時，其地震力大小為 0.5g，分別進行 50%(0.25g)、75%(0.375g)及 100%(0.5g)試驗，而 OBE 之人造地震歷時，其地震力大小為 0.47g，分別 進行 50%(0.24g)及 100%(0.47g)試驗，藉由兩種測試波探討彈性範圍內之結 構動力反應、盤內反應譜、動力放大因子。上述除了白噪音試驗為單軸向 輸入波，其餘皆為三軸向輸入波，振動台實驗流程如表 2.4 所示。

在進行實驗前，測試波以經由振動台空台試驗與性能調整，為確保實 驗時振動台輸入歷時能夠達到測試波之需求，其中 IEEE693 測試坡有其相 關規定，為以下表示：

1、正弦波掃描自然頻率測試：依據 IEEE693 A.1.2.1 Resonant frequency search test 規定，搜尋機櫃水平與垂直三方向之自然頻率(Natural frequency)。加載前後均應進行設備物自然頻率搜尋測試，以觀察加 載 前 後 設 備 物 自 然 頻 率(Fundamental Frequency) 變 動 是 否 超 過 20%，由於本實驗探討目的為彈性階段之機櫃反應，故並未於加載 後進行設備物自然頻率搜尋。

2、三軸向測試波測試：本研究人造地震歷時測試，為採用 IEEE693 規 定之測試波需求反應譜(RRS)，以及 IEEE 網站提供、已與三軸向 RRS 反應譜相容之IEEE-693 隨機測試波【14】，該測試波已經過 1Hz 以

16

上的高通濾波處理。需求反應譜為採 IEEE693 A.1.2.2.1 Triaxial analysis and testing 阻尼比 2%之高震區需求反應譜，其譜加速度值 (Sa，單位為 g)可依下式求之：



  

. 0

33 0

. 8 66 . 0 4 . 0 / ) 28 . 5 2 . 13 (

0 . 8 1

. 1 25

. 1

1 . 1 0

. 0 144

. 1

ratio damping d

d

Hz f

for S

Hz f

Hz for f

S

Hz f

Hz for S

Hz f

Hz for f

S

a a a a















































,Sa=1.144 , for 0≦f≦1.1Hz,

IEEE693 原始三軸測試波如圖 2.16 所示，原始測試波歷時峰值如表 2.5 所示。依據IEEE693 規定，垂直測試波峰值應至少水平向測試波峰值之 80%。

2.4 實驗量測裝置

實驗使用之量測裝置有加速度規與磁環式位移計，如圖 2.17 所示，配 置圖如圖 2.18 所示，圖中正方形代表為加速度規，紅色代表 X 方向，藍色 代表 Y 方向，黑色代表 Z 方向；實心圓形代表為磁環式位移計。實驗中機 櫃外側之加速度規與磁環式位移計架設照片如圖 2.19 所示。加速度規與磁 環式位移計裝置位置規畫，詳述於 2.4.1 與 2.4.2 小節。

2.4.1 加速度規

加速度規(Accelerometer)主要放置在機櫃外側與內側，用來量測機櫃不 同高程與機櫃內外側 X、Y、Z 三方向的地震力輸入之絕對加速度。機櫃外 側部分於頂部放置兩組加速度規，為 A1(X、Y、Z)、A2(X、Y、Z)，機櫃 中間層放置一組，為A3(X、Y)，振動台台面放置一組，為 AT(X、Y、Z)；

內側部分主要裝置在機櫃內層背板後側與抽屜背板後側，依不同層數所放 置之加速度規數量，其中，Case 2 機櫃組數多放置四組加速度規於機櫃抽 屜 Z 型板上。而 Case 1 機櫃內部加速度規放置於間層背板共三組，為 A4(X、

Y、Z)、A5(X、Y、Z)、A6(X、Y、Z)，整體加速度規總顆數共 20 顆；於 Case 2 層機櫃內部加速度規共有八組，於機櫃抽屜背板放置四組，為 A4(X、

Y、Z)、A6(X、Y、Z)、A8(X、Y、Z)、A10(X、Y、Z)，另外四組放置於 機櫃抽屜 Z 型板上，為 A5(X、Y、Z)、A7(X、Y、Z)、A9(X、Y、Z)、A11(X、

17

Y、Z)，整體加速度規顆數共 35 顆；於 Case 3 層機櫃內部加速度規共有 6 組，為 A4(X、Y、Z)、A5(X、Y、Z)、A6(X、Y、Z)、A7(X、Y、Z)、A8(X、

Y、Z)、A9(X、Y、Z)，放置於機櫃內層背板後側，整體加速度規共 29 顆。

加速度規配置位置，如表 2.6 與圖 2.20 至圖 2.23 所示，輸出單位為 g。量 測點名稱 A 代表為加速度規，數字為放置不同點處之位置，X、Y、Z 代表 為量測之方向。

2.4.2 磁環式位移計

磁環式位移計共設有 12 支，用來量測各層平行地震輸入方向之機櫃外 框 X、Y 方向之相對位移。X 方向架設於機櫃右側面(N 側面)，擺置位置於 振動台台面 1 支(DTX)，機櫃底部槽鋼頂部 1 支(DBX)，機櫃中央處 2 支 (DMX_E、DMX_W)，機櫃頂部 2 支(DTX_E、DTX_W)；Y 方向架設於機 櫃背面(W 側面)，擺置位置於振動台台面 1 支(DTY)，機櫃底部槽鋼頂部 1 支(DBY)，機櫃中間 2 支(DMY_N、DMY_S)，機櫃頂部 2 支(DTY_N、

DTY_S)。由相對位移找出機櫃側板之模態狀況，以了解地震歷時之位移反 應，架設情況如圖 2.24 所示，輸入單位為 mm。量測點名稱 D 代表位移，

X、Y 代表為量測方向。

18

表2.1 電氣盤體盤內配件重量

條

層層

1 2 3 4 5 6 7 8 9

A

斷路器 零料線材

1.3kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器 零料線材

4.6kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器 零料線材

4.6kg

保護電譯 79RY 2 監控傳送 器變壓器 零料線材 3.9kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器 零料線材

4.6kg

保護電譯 79RY 2 監控傳送 器變壓器 零料線材 3.9kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 接地用故 障保護電

譯 變壓器 零料線材

5.1kg

電驛 零料線材

1.4kg

B

變壓器 監控傳送

器 零料線材

3.9kg

斷路器 零料線材

1.3kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器 零料線材

4.6kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 接地用故 障保護電

譯 變壓器 零料線材

5.1kg

保護電譯 79RY 2 監控傳送 器變壓器 零料線材 3.9kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器 零料線材

4.6kg

保護電譯 79RY 2 監控傳送

器 變壓器 零料線材

3.9kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 接地用故 障保護電

譯 變壓器 零料線材

5.1kg

無

C

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器

4.6kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 接地用故 障保護電

譯 變壓器 零料線材

5.1kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器 零料線材

4.6kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 接地用故 障保護電

譯 變壓器 零料線材

5.1kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器 零料線材

4.6kg

無

保護電譯 79RY 2 監控傳送 器變壓器 零料線材 3.9kg

斷路器 保護電譯 79RY 27 變壓器 零料線材

4.6kg

斷路器 19 零料線材 6.3kg

D

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器

4.6kg

斷路器 零料線材

1.3kg

保護電譯 79RY 2 監控傳輸

器 變壓器 零料線材

3.9kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 零料線材 3.6kg

斷路器 零料線材

1.3kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 接地用故 障保護電

譯 變壓器 零料線材

5.1kg

保護電譯 79RY 2 監控傳送 器變壓器 零料線材 3.9kg

斷路器 保護電譯

79RY 2 變壓器 零料線材

4.6kg

監控傳送 器 零料線材

900g

E

19

表2.2 實驗順序

Floor size (mm) Floor number Total weight (kg)

Case 1 bare 600 3 0

mass 600 3 20

Case 2 bare 450 4 0

mass 450 4 20

Case 3 bare 300 6 0

mass 300 6 30

表 2.3 TAP105 測站資料

Station Strength Dist PGA_Z PGA_NS PGA_EW Duration(sec)

Filename S_lon S_lat Depth Magnitude Azimuth

T567001.064 121.84 24.65 6.39 5.9 11

20

表 2.4 振動台實驗流程

Test Program

Input Motion

X-Direction (NS)

Y-Direction (EW)

Z-Direction (V)

Duration (sec) Peak Ground

Acceleration (g)

Peak Ground Acceleration

(g)

Peak Ground Acceleration

(g)

Case 1_bare Case 1_mass Case 2_bare Case 2_mass Case 3_bare Case 3_mass

White noise-X 0.05 90

White noise-Y 0.05 90

White noise-Z 0.05 90

Impact pulse 0.1 0.1 0.1 45 IEEE693

0.5g-50% 0.25 0.25 0.2 40 IEEE693

0.5g-75% 0.375 0.375 0.3 40 IEEE693

0.5g-100% 0.5 0.5 0.4 40 OBE

0.47g-50% 0.24 0.21 0.69 40 OBE

0.47g-100% 0.47 0.42 1.37 40

21

表2.5 IEEE693 測試波原始歷時峰值列表

Direction Peak Acceleration (g)

Peak Velocity (cm/sec)

Peak Displacement (cm)

X

Y

Z

表2.6 加速度規量測位置

Cabinet Type Accelerometer

Number Position

Case 2(450mm) Case 3(300mm)

AT ^{振動台底部} A1 ^{機櫃外側頂層} A2 ^{機櫃外側頂層} A3 ^{機櫃外側中間層} Case 1 (600mm)

A4 ^{機櫃內側底部第一層} A5 ^{機櫃內側底部第二層} A6 ^{機櫃內側底部第三層}

Case2 (450mm)

A4 機櫃內側底部第一層後板 A5 ^{機櫃內側底部第一層Z 型板} A6 機櫃底部內側底二層後板 A7 ^{機櫃底部內側第二層Z 型板} A8 機櫃底部內側第三層後板 A9 ^{機櫃底部內側第三層Z 型板} A10 機櫃底部內側第四層後板 A11 ^{機櫃底部內側第四層Z 型板}

Case 3 (300mm)

A4 ^{機櫃內側底部第一層} A5 ^{機櫃內側底部第二層} A6 ^{機櫃內側底部底三層} A7 ^{機櫃內側底部第四層} A8 ^{機櫃內側底部第五層} A9 ^{機櫃內側底部第六層}

22

圖2.1 龍門電廠 MCC 電氣盤體位置 (Room 337)

圖2.2 龍門電廠 MCC 電氣盤體之機櫃

23

圖2.3 核能電廠機櫃底部焊接施工圖

圖2.4 核電廠不同間層尺寸之櫃內設備物擺置情況

圖2.5 櫃內設備物鎖固情況

(a) Cace 1 (600mm) (b) Case 2 (450mm) (c) Case 3 (300mm)

24

(a) 600mm 3 (b) 450mm 4 (c) 300mm 3 圖2.6 電氣盤體之機櫃外觀圖

(a)核電廠電氣盤體 (b) 試驗電氣盤體 圖2.7 MCC 電氣盤體底部槽鋼情況

(a) 試體正面 (b) 試體背面

圖2.8 試體底部焊接完工圖

25

(a) Case 1 (600mm) (b) Case 2 (450mm) (c) Case 3 (300mm) 圖 2.9 試驗機櫃不同間層尺寸之機櫃設備物擺置情況

(a)核能電廠機櫃頂部鋼管 (b)試驗機櫃頂部模擬質量塊 圖 2.10 機櫃頂部情況

26

(a) 600mm 3 (b) 600mm_bare (c) 600mm_mass

(d) 450mm 4 (e) 450mm_bare (f) 450mm_mass

(g) 300mm 6 (h) 300mm_bare (i) 300mm_mass 圖2.11 機櫃外觀

27

Spectral response acceleration A (g)

1.618 0.971

0.5

0.3

0.3 Hz 1.1 Hz 8.0 Hz 33.0 Hz

圖2.12 IEEE693 需求反應譜

(a) OBE-H(水平向) PGA=0.26g (b) OBE-V(垂直向) PGA=0.76g 圖2.13 龍門電廠樓板反應譜

28

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

T567001.064 NS

Time (sec)

Input Motion (g)

(a) X 方向

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

0.4 T567001.064 EW

Time (sec)

Input Motion (g)

(b) Y 方向

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

T567001.064 Ver

Time (sec)

Input Motion (g)

(C) Z 方向

圖 2.14 OBE 測試波地震歷時

0 10 20 30 40 50 60

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Frequency (Hz)

Spectral response acceleration (g)

OBE RRS H dir.

0 10 20 30 40 50 60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency (Hz)

Spectral response acceleration (g)

OBE RRS V dir.

圖 2.15 OBE 需求反應譜

29

0 5 10 15 20 25 30 35

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

X direction (g) PA: 1.018

0 5 10 15 20 25 30 35

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

Y direction (g) PA: 1.033

0 5 10 15 20 25 30 35

-1 -0.5 0 0.5 1

Time (sec) Z direction (g) PA:0.8911

圖2.16 IEEE693 官方人造隨機測試波

(a )加速度規 (b) 磁環式位移計

圖2.17 實驗量測裝置

30

(a) 600mm 機櫃正面圖

(b) 450mm 機櫃正面圖

(c) 300mm 機櫃正面圖

(d) 機櫃側面圖 (e) 機櫃背面圖 (f) 機櫃底部圖 圖2.18 電氣盤體量測裝置配置圖

31

(a) 600mm 3 層 (b) 450mm 4 層 (c) 300mm 6 層 圖2.19 振動台實驗量測器現場架設圖

(a) 機櫃頂部加速規(A1、A2) (b) 機櫃中間層加速規(A3) 圖 2.20 機櫃外部加速度規放置位置

(a) 機櫃內部加速度規(A4) (b)機櫃內部加速度規(A6) 圖 2.21 機櫃內部加速度規 (600mm 3 層)

32

(a) 機櫃內部加速度規(Z 型板)正面圖 (b) 機櫃內部加速規側面圖 圖 2.22 機櫃內部加速度規 (450mm 4 層)

(a) 機櫃內部加速度規 (b) 機櫃內部加速規側面圖 圖 2.23 機櫃內部加速度規 (300mm 6 層)

圖 2.24 磁環式位移計量測位置 (600mm 3 層)

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第三章 實驗結果分析

3.1 機櫃之動力特性

本文以探討臺灣核能電廠之相似電氣盤體機櫃，其機櫃間層尺寸分別 為 Case 1(600mm)、Case 2(450mm)與 Case 3(300mm)三種機櫃，受震下機櫃 之結構動力特性進行分析以及探討；本章節對機櫃探討部分，以先進行機 櫃結構之自然頻率分析、阻尼比分析、加速度歷時分析以及加速度放大倍 率、位移量分析之部分。

3.1.1 機櫃自然頻率

機櫃結構之自然頻率，透過 0.05g 單軸向白噪音(White noise)試驗而 得；自然頻率值分析方法，利用機櫃底層加速度歷時(AT)之自身相關函數 (auto correlation function)如式 3.1，和機櫃頂層絕對加速度歷時(A1 或 A2) 之交叉相關函數(cross correlation function)如式 3.2，進行相除為該點之轉換 函數(Transfer function)如式 3.3 所示，由轉換函數可觀察出機櫃之結構特性。

   

AT( ) T T

R

E A t A t

   

ATAi( ) T i

R

E A t A t

Ai Ai

AT

TR R



R

R

A

T( )

A t

A

A t

A

R

A A

A t

A

34

TR

A

實驗機櫃之轉換函數結果如表 3.1 所示，表中 A1 為靠近門前側之加速 度規，A2 為靠近機櫃後側之加速度規，A1 點與 A2 點頻率值相似，以下均 以 A1 點頻率值作為比較；Case 1、Case 2 及 Case 3 空櫃之第一模態 X 方向 頻率分別為12.70Hz、13.28Hz、12.50Hz，Y 方向頻率分別為 15.82Hz、18.75Hz 及 15.04Hz；質量櫃之第一模態頻率於 Case 1、Case 2 及 Case 3 分別為 11.91Hz、12.11Hz 及 10.74Hz，Y 方向頻率為 14.26Hz、14.65Hz 及 12.11Hz。

此外，由於機櫃垂直向(Z 方向)之轉換函數無法清楚判讀主要頻率，因其放 大效應並不明顯，故不探討垂直方向，本章節將著重於探討機櫃之水平方 向(X、Y)之動力特性。

由上述之機櫃自然頻率分析結果，可知機櫃整體反應於 X 方向自然頻 率均略小於 Y 方向自然頻率，代表機櫃 Y 方向為整體反應之強軸向，X 方 向為整體機櫃反應之弱軸向。如表3.2 及圖 3.1 所示，當機櫃重量內含質量 塊時，不論機櫃間層尺寸為何，頻率均隨著質量塊增加而減小；且當質量 塊增加時，頻率之變化率(Ratio)Y 方向較 X 方向明顯，與空櫃之頻率比較 時，X、Y 方向差異值有略為減少的趨勢。如圖 3.2 所示，空櫃(Bare)第一 模態反應 X 方向，Case 1(600mm)機櫃與 Case 2(450mm)跟 Case 3(300mm) 機櫃，頻率差異不大，但在 Y 方向可看出 Case 2(450mm)機櫃頻率大於 Case 1(600mm)及 Case 3(300mm)機櫃；在櫃內不同質量塊重量部分，頻率相異甚 小。

若將機櫃內加速度歷時與底層加速度歷時進行轉換函數，如圖 3.3 至圖 3.5 所示，可發現轉換函數均隨著加速度規擺放位置高度越高，振幅有放大 的趨勢，除了 Case 2(450mm)機櫃 Y 方向，其主要原因為 450mm 機櫃內部 之抽屜右側加裝一塊 Z 型板，如圖 2.22(a)所示，Z 型板面外方向(即 Y 方向) 懸空且勁度較低，僅由三支(M6)螺栓固定於機櫃抽屜頂端及側端，由圖 3.4(d) 可知，Z 型板面外方向(Y 向)轉換函數振幅值較大，所對應之頻率較機櫃本 身頻率低，代表 Z 型板額外的顯著頻率可能會對上部電驛(relay)造成功能性 損壞。最後，不論機櫃內部是否含有抽屜，位於機櫃內部之加速度反應譜 於高頻部分均產生較大之振幅值，為內部面板或抽屜所造成的高頻反應。

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3.1.2 機櫃阻尼比

機櫃阻尼比(ξ)透過 0.05g 單軸向白噪音試驗(White noise test)進行轉換 函數，由半功率法(Half-Power Method)求得。半功率法為依據簡諧振動共振 時之振幅放大因子曲線進行阻尼比推算，如圖 3.6 所示，由頻譜響應曲線圖 之 縱 座 標 找 尋 最 大 振 幅 值(

y

2， 依 據 此 值 ( max 1

y

與 f₂，將 f₁與f₂代入 (3.1)式，即可求得機櫃之阻尼比。

2 1

2 1

f f f f

  ^

 (3.1)

其中，

 ：阻尼比(damping ratio);

f

2倍最大振幅值( _max ¹

y

f

2倍最大振幅值( max 1

y

本文以機櫃頂部加速度規(A1、A2)量測所得知之轉換函數圖，推算機 櫃整體反應阻尼比，不同試驗之機櫃阻尼比可由如表3.3 所示。由表 3.3 機 櫃阻尼比可知，X 方向阻尼比介於 3.12%~4.54%之間，Y 方向阻尼比介於 2.58%~4.85%之間；將空櫃(bare)與含質量塊機櫃(mass)之阻尼比進行比對，

再比較 Case 2 與 Case 3 發現當機櫃增加質量塊，阻尼比隨之減少，顯示阻 尼比與質量之間呈反比關係，但 Case 1 機櫃則無此現象，初步判斷其原因 為櫃內構件型態不同(如抽屜或單一面板)導致阻尼結果不相同。

3.2 加速度歷時反應

每組實驗組別之機櫃外部共放置三組加速度規，分別為頂層兩組(A1、

A2)與中間層一組(A3)；機櫃內部加速度規放置位置，於不同組別機櫃放置 不同數量之加速度規，Case 1 (600mm)放置三組(A4~A6)，Case 2 (450mm) 放置八組(A4~A11)，Case 3 (300mm)放置六組(A4~A9)，其中，Case 2(450mm) 內部抽屜有增設 Z 型板，Z 型板上加設一組加速度規探討其動力反應，如 圖 2.21 至圖 2.23 所示，每組加速度規放置於機櫃內部間層後側面板，面板

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及抽屜前側為質量塊放置處，據以了解櫃內設備物改變重量時，加速度放 大倍率與空櫃內層加速度變化情形。最後，使用振動台台面加速度量測資 料(AT)，將所量測之加速度歷時最大值進行相除，可得到機櫃整體之加速度 放大倍率(AF_ZPA)。表 3.4 至表 3.9 為 IEEE693 地震力與 OBE 地震力之加速 度最大值列表。

本文加速度放大倍率定義為機櫃上量測點之最大加速度值(A_max,local)與 機櫃底部加速度最大值(A_max,base)進行相除，即為該位置之加速度放大倍率 (AF_ZPA)。表 3.10 至表 3.27 為地震力 IEEE693 與 OBE 試驗之各量測點加速 度放大倍率，Case 3 (300mm)盤內之 A8 加速度規，因於實驗中加速規訊號 產生問題，故以下比較均不採取A8 點位之實驗數據。不同項目比較影響分 述如下：

(一) 機櫃內部有無設備物 (bare、mass)

圖 3.7 至圖 3.8 為 IEEE693 與 OBE 試驗之加速度放大倍率，均以最大 地震力作為代表，比較 Case1、Case2 及 Case3 機櫃內部有無質量塊之加速 度放大倍率，主要在探討機櫃內質量增減對於加速度放大倍率之規律性。

由 Case 1 (600mm)觀察，IEEE693 地震力與 OBE 地震力反應均為質量櫃 (mass)之櫃內加速度放大倍率大於空櫃(bare)放大倍率。觀察 Case 2 (450mm) 含抽屜之組別可得知，質量櫃(mass)之加速度放大倍率均大於空櫃(bare)。

而抽屜組別 Case 3 反應與 Case 2 相同，故以下比較均以 Case 2 作為代表。

以上不同組別機櫃各方向加速度放大倍率多數呈現機櫃質量增加其加 速度放大因子越大，少部分呈現不規則變化，說明機櫃內部重量，不為影 響加速度放大倍率之主要因素。

(二)含抽屜及無抽屜之型式(600mm、450mm 與 300mm)

由於機櫃內部間層數量不同，本報告均以機櫃內部最頂層之加速規所 量測之加速度放大倍率作為代表比較之。圖 3.9 為空櫃不同間層之放大倍率 比較圖，圖(a)為地震力 IEEE693-0.25g，圖(b)為地震力 OBE-50%，圖(c)為 地震力 IEEE693-0.5g，圖(d)為地震力 OBE-100%下之放大倍率比較結果。