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光伏一二次設備預制艙的設備固定方式:抗震與防松動設計

2025年07月10日
光伏一二次設備預制艙作為集成化的電力設備載體,需在運輸、安裝及長期運行中承受振動、沖擊等力學載荷,尤其在地震多發區(如東南亞部分地區)、強風區域(如沿海光伏電站),設備固定的可靠性直接關系到系統安全。據行業統計,預制艙內 30% 的故障源于設備松動(如母線接頭松動導致過熱、二次端子接觸不良引發通信中斷)。因此,抗震與防松動設計需貫穿設備固定的全流程,通過 “剛性固定 + 柔性緩沖 + 防松鎖定” 的三級防護體系,設備在振幅 0.1g-0.5g、頻率 10-55Hz 的振動環境中穩定運行。本文將系統解析光伏預制艙內一次設備(如匯流箱、逆變器)與二次設備(如測控裝置、通信模塊)的固定方式及關鍵技術。
一、設備固定的核心設計原則
光伏預制艙的設備固定需平衡 “剛性約束” 與 “振動緩沖”,避免過度約束導致設備應力集中,或約束不足引發位移,核心原則包括:
1. 載荷適配原則
根據設備重量、重心位置及預期承受的振動載荷(參照 IEC 60068-2-6 振動標準)選擇固定方式:
  • 重型設備(如 500kW 逆變器,重量≥500kg)需采用 “多點剛性固定 + 底部緩沖”,抗傾覆力矩≥3 倍設備自重產生的力矩;

  • 輕型設備(如二次測控屏,重量<50kg)可采用 “框架式固定 + 側邊減震”,允許 ±5mm 的微量位移以釋放振動能量。

2. 重心平衡原則
設備固定點需圍繞重心對稱分布(偏差≤50mm),避免振動時產生附加力矩。例如,逆變器的固定螺栓應沿重心軸線兩側均勻布置(間距≥600mm),防止單邊受力導致固定座變形。
3. 防松冗余原則
關鍵連接部位采用 “機械防松 + 摩擦防松” 雙重措施,在 10 萬次振動循環后,螺栓預緊力衰減不超過 15%。如匯流箱的固定螺栓需同時加裝防松墊片和螺紋膠,二次端子排采用防松螺母(如施必牢螺紋)。
4. 維護便利性原則
固定結構需便于設備拆裝(如預留吊裝孔、采用快拆式蓋板),避免因固定方式復雜導致維護工時增加(單次維護時間≤30 分鐘)。
二、一次設備的固定方式與抗震設計
一次設備(匯流箱、逆變器、升壓變壓器等)重量大、接線復雜,其固定需重點解決抗震穩定性與導電連接可靠性的矛盾:
1. 逆變器與匯流箱的剛性固定
  • 底部固定結構

  • 采用 “型鋼支架 + 膨脹螺栓” 組合,支架選用 10 號槽鋼(屈服強度≥235MPa),與預制艙底部槽鋼焊接(焊縫高度≥8mm)或通過 M16 膨脹螺栓(抗拉強度≥800MPa)固定(每臺設備至少 4 個固定點);

  • 設備與支架之間加裝 5mm 厚丁腈橡膠墊(邵氏硬度 60±5),既增加摩擦系數(防滑動),又能吸收高頻振動(100-500Hz),降低共振風險。

  • 抗震加強措施

  • 重量超過 1000kg 的逆變器需增設側面支撐(角鋼 L50×5),與艙體立柱連接(間隙≤2mm),限制水平方向位移(≤3mm);

  • 匯流箱等小型設備采用 “U 型抱箍 + 防松螺栓” 固定,抱箍內襯 3mm 硅膠墊(增加摩擦力),螺栓預緊力矩按規格設定(M10 螺栓 35-40N?m),并涂抹螺紋鎖固膠(如樂泰 243,中等強度,可拆)。

2. 高壓設備的防傾覆設計
  • 升壓變壓器固定

變壓器底座通過 M20 地腳螺栓與艙體預埋鋼板連接(預埋鋼板厚度≥16mm,錨固深度≥100mm),螺栓頂部加裝雙螺母(上螺母緊固后,下螺母鎖緊),防松效果較單螺母提升 50%;
頂部設置水平限位裝置(如可調式拉桿),與艙體頂部橫梁連接,限制縱向位移(≤2mm)。
  • 母線橋支撐

硬母線采用 “絕緣子 + 固定金具” 支撐,固定金具與艙體支架通過螺栓連接(配防松墊片),絕緣子選用抗震型(抗彎強度≥10kN),在 25Hz 共振頻率下無斷裂。
三、二次設備的固定方式與防松動措施
二次設備(如 PLC 控制柜、通信屏、電源模塊)雖重量輕,但對振動敏感(電子元件易因松動接觸不良),需采用精細化固定方案:
1. 機柜與框架的柔性固定
  • 防震框架設計

二次機柜安裝在 “型鋼防震框架” 內(框架與艙體通過減震器連接),減震器選用聚氨酯材質(阻尼系數 0.2-0.3),可吸收 80% 的垂直振動能量(10-200Hz);
機柜與框架之間采用 “滑塊 + 限位螺栓” 連接,允許 ±3mm 的水平位移,避免剛性碰撞。
  • 內部元件固定

印刷電路板(PCB)采用 “沉頭螺釘 + 絕緣墊片” 固定,螺釘間距≤100mm,邊緣元件(如連接器)需額外加裝支撐筋(厚度≥1.5mm);
端子排選用帶防松結構的型號(如魏德米勒 UK 系列),接線時采用 “雙股壓接 + 回折” 方式,導線拉力不會傳遞至端子螺釘。
2. 小型模塊的防松鎖定
  • 插件與導軌固定

電源模塊、繼電器等采用 DIN 導軌安裝,導軌兩端加裝 “止動塊”(尼龍材質),防止模塊在振動中沿導軌滑動;
插件式模塊(如 IO 模塊)需帶機械鎖定機構(如卡扣 + 螺絲雙重固定),插拔力≥50N,避免振動導致脫落。
  • 線纜與接口防護

二次線纜采用 “波紋管 + 扎帶” 固定(扎帶間距≤300mm),波紋管兩端通過金屬卡箍鎖緊(卡箍力矩 2-3N?m);
通信接口(如 RS485、以太網)采用帶鎖緊螺母的連接器(如 M12 圓形連接器),插拔次數≥1000 次仍能保持鎖定。
四、連接部位的防松動核心技術
設備固定的薄弱環節在于連接部位(螺栓、螺母、端子),需通過材料創新與結構優化實現長效防松:
1. 機械防松技術
  • 防松墊片:關鍵部位采用 “碟形彈簧 + 平墊片” 組合(如斯凱孚 SNA 系列),碟形彈簧的預緊力可補償螺栓松動產生的間隙(補償量≤0.5mm),適用溫度 - 50~150℃;

  • 開槽螺母與開口銷:在振動頻率>30Hz 的場景(如風機附近預制艙),M16 以上螺栓采用開槽螺母,配合開口銷(直徑≥3mm)鎖定, 10 萬次振動后無松動。

2. 摩擦防松技術
  • 螺紋鎖固膠:非頻繁拆卸的螺栓(如設備底座固定)涂抹螺紋鎖固膠(樂泰 271,高強度,需加熱拆卸),膠層厚度 5-10μm,固化后剪切強度≥20MPa;

  • 表面處理:螺栓采用 “鍍鋅 + 涂覆” 工藝(如達克羅涂層),表面摩擦系數保持在 0.15-0.25,較普通鍍鋅螺栓的防松效果提升 40%。

3. 結構防松設計
  • 施必牢螺紋:二次端子的連接螺栓采用 “楔形螺紋”(牙型角 30°),與螺母嚙合時產生徑向力,摩擦力較普通螺紋增加 3 倍,防松等級達 ISO 16130 Class 0();

  • 過盈配合:小型設備(如傳感器)的固定軸與安裝孔采用 H7/p6 過盈配合,裝配后形成緊密連接,無需額外緊固件即可防松。

五、抗震性能的驗證與測試
設備固定方案需通過嚴格測試驗證,滿足預制艙的運行環境要求,測試標準與方法如下:
1. 振動測試(參照 IEC 60068-2-6)
  • 測試條件:在三個正交方向(X/Y/Z 軸)分別施加 10-55Hz 掃頻振動(加速度 0.1g-0.5g),每個方向持續 2 小時(總循環次數≥10 萬次);

  • 判定標準

  • 設備位移≤5mm(無剛性碰撞);

  • 螺栓預緊力衰減≤15%(用扭矩扳手復緊測量);

  • 電氣性能正常(如接觸電阻變化≤10mΩ,通信無丟包)。

2. 沖擊測試(參照 IEC 60068-2-27)
  • 測試條件:施加半正弦沖擊脈沖(峰值加速度 10g,持續時間 11ms),三個方向各 3 次;

  • 判定標準:無結構損壞(如裂紋、變形),電氣連接無斷路(用萬用表測量導通性)。

3. 現場安裝后的驗證
  • 預制艙就位后,用水平儀檢查設備安裝平面(水平度≤2mm/m),避免因傾斜導致附加應力;

  • 運行前測量關鍵連接點的初始扭矩(如逆變器固定螺栓 35N?m),運行 3 個月后復測,衰減量需≤5%。

六、不同場景的適配優化設計
針對光伏預制艙的典型應用場景(如地面電站、屋頂電站、東南亞地震區),設備固定方式需差異化優化:
1. 地震多發區(如印尼、菲律賓)
  • 采用 “抗震支架 + 阻尼器” 組合,阻尼器選用黏彈性材料(如丁基橡膠),可吸收 50% 的地震能量;

  • 一次設備的固定螺栓增加 1.5 倍安全系數(如 M12 螺栓按 M16 強度選型),基礎預埋深度增加至 150mm。

2. 強風沿海地區(如越南、泰國沿海)
  • 艙體頂部設備(如風機、天線)采用 “防風拉索 + 底部加重” 固定,拉索預緊力≥5kN,抗風等級≥12 級;

  • 二次屏柜的柜門加裝 “磁吸式鎖扣”,防止強風振動導致柜門開啟。

3. 屋頂光伏預制艙(承重受限)
  • 設備固定采用 “輕量化支架”(鋁合金材質,強度≥6061-T6),重量較鋼制支架減少 40%;

  • 采用 “分散式固定”(每平方米≥4 個固定點),降低對屋頂樓板的局部壓強(≤2kN/m2)。

結語
光伏一二次設備預制艙的設備固定是系統性工程,需根據設備類型、重量、運行環境制定針對性方案,核心是通過 “剛性固定抵抗大位移、柔性緩沖吸收振動能量、防松措施鎖定連接部位” 的協同設計,設備在全生命周期內的穩定性。在實際應用中,需特別關注東南亞等市場的抗震要求(如印尼 SNI 03-1729-2019 標準),通過本地化測試認證提升產品適配性。
隨著預制艙向高功率密度(如 2MW / 艙)發展,設備固定還需與散熱設計、空間布局協同優化(如緊湊布局下的多維度固定),未來可結合有限元仿真(如 ANSYS 振動分析)實現固定方案的數字化優化,進一步提升可靠性。


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