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光伏一二次设备预制舱的设备固定方式:抗震与防松动设计

2025-07-20

光伏一二次设备预制舱作为集成化的电力设备载体,需在运输、安装及长期运行中承受振动、冲击等力学载荷,尤其在地震多发区(如东南亚部分地区)、强风区域(如沿海光伏电站),设备固定的可靠性直接关系到系统安全。据行业统计,预制舱内 30% 的故障源于设备松动(如母线接头松动导致过热、二次端子接触不良引发通信中断)。因此,抗震与防松动设计需贯穿设备固定的全流程,通过 “刚性固定 + 柔性缓冲 + 防松锁定” 的三级防护体系,设备在振幅 0.1g-0.5g、频率 10-55Hz 的振动环境中稳定运行。本文将系统解析光伏预制舱内一次设备(如汇流箱、逆变器)与二次设备(如测控装置、通信模块)的固定方式及关键技术。
一、设备固定的核心设计原则
光伏预制舱的设备固定需平衡 “刚性约束” 与 “振动缓冲”,避免过度约束导致设备应力集中,或约束不足引发位移,核心原则包括:
1. 载荷适配原则
根据设备重量、重心位置及预期承受的振动载荷(参照 IEC 60068-2-6 振动标准)选择固定方式:
  • 重型设备(如 500kW 逆变器,重量≥500kg)需采用 “多点刚性固定 + 底部缓冲”,抗倾覆力矩≥3 倍设备自重产生的力矩;

  • 轻型设备(如二次测控屏,重量<50kg)可采用 “框架式固定 + 侧边减震”,允许 ±5mm 的微量位移以释放振动能量。

2. 重心平衡原则
设备固定点需围绕重心对称分布(偏差≤50mm),避免振动时产生附加力矩。例如,逆变器的固定螺栓应沿重心轴线两侧均匀布置(间距≥600mm),防止单边受力导致固定座变形。
3. 防松冗余原则
关键连接部位采用 “机械防松 + 摩擦防松” 双重措施,在 10 万次振动循环后,螺栓预紧力衰减不超过 15%。如汇流箱的固定螺栓需同时加装防松垫片和螺纹胶,二次端子排采用防松螺母(如施必牢螺纹)。
4. 维护便利性原则
固定结构需便于设备拆装(如预留吊装孔、采用快拆式盖板),避免因固定方式复杂导致维护工时增加(单次维护时间≤30 分钟)。
二、一次设备的固定方式与抗震设计
一次设备(汇流箱、逆变器、升压变压器等)重量大、接线复杂,其固定需重点解决抗震稳定性与导电连接可靠性的矛盾:
1. 逆变器与汇流箱的刚性固定
  • 底部固定结构

  • 采用 “型钢支架 + 膨胀螺栓” 组合,支架选用 10 号槽钢(屈服强度≥235MPa),与预制舱底部槽钢焊接(焊缝高度≥8mm)或通过 M16 膨胀螺栓(抗拉强度≥800MPa)固定(每台设备至少 4 个固定点);

  • 设备与支架之间加装 5mm 厚丁腈橡胶垫(邵氏硬度 60±5),既增加摩擦系数(防滑动),又能吸收高频振动(100-500Hz),降低共振风险。

  • 抗震加强措施

  • 重量超过 1000kg 的逆变器需增设侧面支撑(角钢 L50×5),与舱体立柱连接(间隙≤2mm),限制水平方向位移(≤3mm);

  • 汇流箱等小型设备采用 “U 型抱箍 + 防松螺栓” 固定,抱箍内衬 3mm 硅胶垫(增加摩擦力),螺栓预紧力矩按规格设定(M10 螺栓 35-40N・m),并涂抹螺纹锁固胶(如乐泰 243,中等强度,可拆)。

2. 高压设备的防倾覆设计
  • 升压变压器固定

变压器底座通过 M20 地脚螺栓与舱体预埋钢板连接(预埋钢板厚度≥16mm,锚固深度≥100mm),螺栓顶部加装双螺母(上螺母紧固后,下螺母锁紧),防松效果较单螺母提升 50%;
顶部设置水平限位装置(如可调式拉杆),与舱体顶部横梁连接,限制纵向位移(≤2mm)。
  • 母线桥支撑

硬母线采用 “绝缘子 + 固定金具” 支撑,固定金具与舱体支架通过螺栓连接(配防松垫片),绝缘子选用抗震型(抗弯强度≥10kN),在 25Hz 共振频率下无断裂。
三、二次设备的固定方式与防松动措施
二次设备(如 PLC 控制柜、通信屏、电源模块)虽重量轻,但对振动敏感(电子元件易因松动接触不良),需采用精细化固定方案:
1. 机柜与框架的柔性固定
  • 防震框架设计

二次机柜安装在 “型钢防震框架” 内(框架与舱体通过减震器连接),减震器选用聚氨酯材质(阻尼系数 0.2-0.3),可吸收 80% 的垂直振动能量(10-200Hz);
机柜与框架之间采用 “滑块 + 限位螺栓” 连接,允许 ±3mm 的水平位移,避免刚性碰撞。
  • 内部元件固定

印刷电路板(PCB)采用 “沉头螺钉 + 绝缘垫片” 固定,螺钉间距≤100mm,边缘元件(如连接器)需额外加装支撑筋(厚度≥1.5mm);
端子排选用带防松结构的型号(如魏德米勒 UK 系列),接线时采用 “双股压接 + 回折” 方式,导线拉力不会传递至端子螺钉。
2. 小型模块的防松锁定
  • 插件与导轨固定

电源模块、继电器等采用 DIN 导轨安装,导轨两端加装 “止动块”(尼龙材质),防止模块在振动中沿导轨滑动;
插件式模块(如 IO 模块)需带机械锁定机构(如卡扣 + 螺丝双重固定),插拔力≥50N,避免振动导致脱落。
  • 线缆与接口防护

二次线缆采用 “波纹管 + 扎带” 固定(扎带间距≤300mm),波纹管两端通过金属卡箍锁紧(卡箍力矩 2-3N・m);
通信接口(如 RS485、以太网)采用带锁紧螺母的连接器(如 M12 圆形连接器),插拔次数≥1000 次仍能保持锁定。
四、连接部位的防松动核心技术
设备固定的薄弱环节在于连接部位(螺栓、螺母、端子),需通过材料创新与结构优化实现长效防松:
1. 机械防松技术
  • 防松垫片:关键部位采用 “碟形弹簧 + 平垫片” 组合(如斯凯孚 SNA 系列),碟形弹簧的预紧力可补偿螺栓松动产生的间隙(补偿量≤0.5mm),适用温度 - 50~150℃;

  • 开槽螺母与开口销:在振动频率>30Hz 的场景(如风机附近预制舱),M16 以上螺栓采用开槽螺母,配合开口销(直径≥3mm)锁定, 10 万次振动后无松动。

2. 摩擦防松技术
  • 螺纹锁固胶:非频繁拆卸的螺栓(如设备底座固定)涂抹螺纹锁固胶(乐泰 271,高强度,需加热拆卸),胶层厚度 5-10μm,固化后剪切强度≥20MPa;

  • 表面处理:螺栓采用 “镀锌 + 涂覆” 工艺(如达克罗涂层),表面摩擦系数保持在 0.15-0.25,较普通镀锌螺栓的防松效果提升 40%。

3. 结构防松设计
  • 施必牢螺纹:二次端子的连接螺栓采用 “楔形螺纹”(牙型角 30°),与螺母啮合时产生径向力,摩擦力较普通螺纹增加 3 倍,防松等级达 ISO 16130 Class 0();

  • 过盈配合:小型设备(如传感器)的固定轴与安装孔采用 H7/p6 过盈配合,装配后形成紧密连接,无需额外紧固件即可防松。

五、抗震性能的验证与测试
设备固定方案需通过严格测试验证,满足预制舱的运行环境要求,测试标准与方法如下:
1. 振动测试(参照 IEC 60068-2-6)
  • 测试条件:在三个正交方向(X/Y/Z 轴)分别施加 10-55Hz 扫频振动(加速度 0.1g-0.5g),每个方向持续 2 小时(总循环次数≥10 万次);

  • 判定标准

  • 设备位移≤5mm(无刚性碰撞);

  • 螺栓预紧力衰减≤15%(用扭矩扳手复紧测量);

  • 电气性能正常(如接触电阻变化≤10mΩ,通信无丢包)。

2. 冲击测试(参照 IEC 60068-2-27)
  • 测试条件:施加半正弦冲击脉冲(峰值加速度 10g,持续时间 11ms),三个方向各 3 次;

  • 判定标准:无结构损坏(如裂纹、变形),电气连接无断路(用万用表测量导通性)。

3. 现场安装后的验证
  • 预制舱就位后,用水平仪检查设备安装平面(水平度≤2mm/m),避免因倾斜导致附加应力;

  • 运行前测量关键连接点的初始扭矩(如逆变器固定螺栓 35N・m),运行 3 个月后复测,衰减量需≤5%。

六、不同场景的适配优化设计
针对光伏预制舱的典型应用场景(如地面电站、屋顶电站、东南亚地震区),设备固定方式需差异化优化:
1. 地震多发区(如印尼、菲律宾)
  • 采用 “抗震支架 + 阻尼器” 组合,阻尼器选用黏弹性材料(如丁基橡胶),可吸收 50% 的地震能量;

  • 一次设备的固定螺栓增加 1.5 倍安全系数(如 M12 螺栓按 M16 强度选型),基础预埋深度增加至 150mm。

2. 强风沿海地区(如越南、泰国沿海)
  • 舱体顶部设备(如风机、天线)采用 “防风拉索 + 底部加重” 固定,拉索预紧力≥5kN,抗风等级≥12 级;

  • 二次屏柜的柜门加装 “磁吸式锁扣”,防止强风振动导致柜门开启。

3. 屋顶光伏预制舱(承重受限)
  • 设备固定采用 “轻量化支架”(铝合金材质,强度≥6061-T6),重量较钢制支架减少 40%;

  • 采用 “分散式固定”(每平方米≥4 个固定点),降低对屋顶楼板的局部压强(≤2kN/m²)。

结语
光伏一二次设备预制舱的设备固定是系统性工程,需根据设备类型、重量、运行环境制定针对性方案,核心是通过 “刚性固定抵抗大位移、柔性缓冲吸收振动能量、防松措施锁定连接部位” 的协同设计,设备在全生命周期内的稳定性。在实际应用中,需特别关注东南亚等市场的抗震要求(如印尼 SNI 03-1729-2019 标准),通过本地化测试认证提升产品适配性。
随着预制舱向高功率密度(如 2MW / 舱)发展,设备固定还需与散热设计、空间布局协同优化(如紧凑布局下的多维度固定),未来可结合有限元仿真(如 ANSYS 振动分析)实现固定方案的数字化优化,进一步提升可靠性。


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