氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備（gas insulated enclosed metal switchgear, GIS）憑借其全封閉結(jié)構(gòu)、占用空間小、安全可靠的優(yōu)勢被廣泛應用于海上升壓站中。海上風電用GIS在舾裝基地吊裝入海上升壓站內(nèi)進行安裝和試驗，并隨升壓站海運至指定區(qū)域，待海上升壓站與基礎對接固定完成后長期運行于海洋環(huán)境中。GIS在吊裝、運輸及正常運行中會受到風浪、潮汐等振動工況的影響，這種影響會對GIS的結(jié)構(gòu)強度及疲勞強度產(chǎn)生較大作用。

為保證GIS能夠可靠運行，必須在GIS設計階段進行相關(guān)的結(jié)構(gòu)仿真計算校核。目前，國內(nèi)關(guān)于海上風電用GIS抗振計算的規(guī)范標準較少，本文結(jié)合多個海上升壓站GIS設計經(jīng)驗，對海上風電用GIS安裝、運輸及運行時的受力特點進行研究，并結(jié)合相關(guān)標準設計一種海上風電用GIS抗振仿真的計算方法，為海上風電設計人員提供參考。

1 海上升壓站及其GIS結(jié)構(gòu)特點

1.1 海上升壓站結(jié)構(gòu)特點

海上風電用GIS安裝于海上升壓站內(nèi)，海上升壓站結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由下部支撐結(jié)構(gòu)和上部平臺結(jié)構(gòu)組成。下部支撐結(jié)構(gòu)主要由鋼柱和鋼導管焊接或螺栓連接組成。上部平臺包括多層模塊，主要有變壓器模塊、GIS模塊、中壓柜模塊、柴油發(fā)電機模塊、二次屏柜模塊、輔助系統(tǒng)模塊等。

作為海上風電的電能匯集、升壓、配電、控制中心，海上升壓站在整個海上風電系統(tǒng)中居于核心地位。其所處的海洋環(huán)境十分復雜，在運輸和運行過程中不僅受到風、浪、潮汐等海洋環(huán)境作用，對于某些特定區(qū)域還需要考慮颶風、地震和海洋冰荷載的影響。

目前，國內(nèi)外對于海上升壓站的設計計算標準較為齊全，其中挪威船級社的DNVGL—ST—0145《Offshore Substations》標準對升壓站結(jié)構(gòu)安全等級、結(jié)構(gòu)設計、電器設計等方面提出了原則性的要求；API RP—2A—WSD《海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦作法》、ISO 19902—2007《石油和天然氣工業(yè)固定式海上鋼結(jié)構(gòu)》及Norsok N—004《Design of Steel Structures》標準對升壓站的結(jié)構(gòu)細節(jié)都有相關(guān)要求。現(xiàn)行的海上升壓站規(guī)范和標準較為全面，可為海上升壓站的安全設計和可靠運行提供保證。

圖1 海上升壓站結(jié)構(gòu)

1.2 GIS結(jié)構(gòu)特點

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備（GIS）運行安全系數(shù)高、技術(shù)性能優(yōu)良，具有全封閉、占地空間小、安全可靠的優(yōu)點，較其他開關(guān)設備更適合應用于海上升壓站。GIS是將設備中的帶電元件安裝于封閉的鋁合金或不銹鋼材料制成的金屬外殼中，外殼通過銅制接地線與大地連接，外殼內(nèi)充一定壓力的SF6氣體起到絕緣滅弧作用。

GIS結(jié)構(gòu)如圖2所示，由斷路器、電流互感器、電壓互感器、隔離開關(guān)及機構(gòu)、快速接地開關(guān)及機構(gòu)、電纜終端（套管）、母線、接地開關(guān)及機構(gòu)、就地控制柜（local control panel, LCP）等組成。GIS各組成部分外殼機械強度較高，各個組成部分及GIS各個間隔都是通過高強度螺栓緊固連接，GIS整體結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較高。

目前國內(nèi)標準GB/T 28819《充氣高壓開關(guān)設備用鋁合金外殼》規(guī)定了GIS殼體設計應力的基準；GB/T 13540《高壓開關(guān)設備和控制設備的抗震要求》規(guī)定了GIS產(chǎn)品抗地震方面的相關(guān)準則，該標準與國際標準IEC 62271—207《高壓開關(guān)設備和控制設備》相對應。有關(guān)GIS在海上風電領(lǐng)域的國內(nèi)外標準很少，GIS在海上風電領(lǐng)域的設計及校核標準只能參考海工領(lǐng)域電氣設備的相關(guān)標準。

圖2 GIS結(jié)構(gòu)

2 海上風電用GIS的不同工況和受力特點

海上風電用GIS從安裝到運行主要分為GIS吊裝階段、GIS運輸階段及GIS運行階段，每個階段GIS的受力工況皆不相同，各個階段的受力特點及載荷如下。

2.1 GIS吊裝階段

在海上升壓站建造的同時，GIS被吊入海上升壓站GIS室內(nèi)進行安裝與試驗調(diào)試。此階段需要考慮吊裝狀態(tài)下GIS的重力系數(shù)和吊車的動力系數(shù)，并對GIS吊裝時的結(jié)構(gòu)強度進行計算校核。

根據(jù)API RP—2A《海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦作法》規(guī)定：當?shù)跹b中起重機或設備有一方在浮船上時，要求開闊海區(qū)（open exposed sea）動力放大系數(shù)選用2.0/1.35；在非開闊海區(qū)（other marine situations）動力放大系數(shù)選用1.5/1.15；如果起重機和設備均在陸地上，不要求考慮動力放大系數(shù)。

通常GIS都是在陸地上進行吊裝，其吊裝形態(tài)如圖3所示。按照此規(guī)定，可以不考慮動力放大系數(shù)，僅考慮重力系數(shù)，因此，GIS吊裝工況下的載荷為

式 （1）

式 （1）中：aZ為重力系數(shù)；g為重力加速度。

圖3 GIS吊裝形態(tài)

如式（1）所示，吊裝階段GIS結(jié)構(gòu)強度仿真計算可以按照工況L1的重力系數(shù)進行加載計算。

2.2 GIS隨升壓站運輸階段

當GIS與海上升壓站安裝固定后，升壓站會被整體吊入駁船并隨駁船運輸至指定海上風電場進行定位和安裝。運輸過程中GIS會隨船體產(chǎn)生晃動，此階段需要考慮波浪的橫搖、縱搖及升沉載荷，對GIS結(jié)構(gòu)強度進行校核。

運輸階段主要考慮駁船在風浪作用下的搖擺運動引起的慣性力的作用，加之本身靜載載荷，合計稱為動態(tài)力。動態(tài)力主要是由橫搖、縱搖、縱蕩和垂蕩（升沉）引起的。

根據(jù)GJB 1060《艦船環(huán)境條件》規(guī)定，動態(tài)力可以通過計算載荷系數(shù)來確定。載荷系數(shù)是艦船結(jié)構(gòu)或設備由于重力加速度和艦船運動加速度使其在縱向（X軸）、橫向（Y軸）和垂向（Z軸）上受到的載荷與重力的比值。載荷系數(shù)的計算式為

式（2）

在進行GIS運輸階段分析時，假定駁船的轉(zhuǎn)動中心位于駁船縱向船中，平行于駁船龍骨并設定此轉(zhuǎn)動中心為坐標原點。

假定GIS產(chǎn)品的布置為最不利的情況，比如位于船尾與左舷的邊緣處，此時產(chǎn)品的重心與駁船的轉(zhuǎn)動中心的相對位置最大，相應的動態(tài)力也最大。假設產(chǎn)品的布置示意圖如圖4所示。

圖4假設產(chǎn)品布置示意（最不利情況）

據(jù)此可以得到產(chǎn)品的相對駁船轉(zhuǎn)動中心的坐標位置。按照要求運輸階段分析中GIS產(chǎn)品應承受的駁船運動加速度組合如下：①橫搖+升沉；②橫搖-升沉；③縱搖+升沉；④縱搖-升沉。

將上述數(shù)據(jù)代入公式中，可得到相應的組合動態(tài)力的載荷系數(shù)，三個方向的載荷系數(shù)乘以重力加速度轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品三個方向的加速度aX、aY、aZ，再將三個方向的加速度作為靜態(tài)載荷對GIS進行受力分析。GIS在升壓站運輸階段的受力特點可以歸納為表1中L2～L5四種工況。（注：表1內(nèi)數(shù)據(jù)需GIS廠家根據(jù)自己產(chǎn)品的參數(shù)及不同的運輸海況進行計算。）

表1不同搖擺工況組合下的參數(shù)及動態(tài)力

2.3 GIS運行階段

當海上升壓站固定后，GIS就進入正常運行階段。海上升壓站正常運行時，GIS會長期受到海浪、潮汐的沖擊作用。此時需要考慮平臺傾斜的靜載作用、風浪沖擊的動載作用及動靜載荷共同作用下GIS的疲勞壽命。

GIS安裝在海上升壓站平臺上，受到平臺擺動的影響。根據(jù)海上升壓站GIS招標技術(shù)規(guī)范，正常運行期，要求海上升壓站平臺傾斜角不超過0.35%，頂面水平位移不會超過100mm，振動加速度不會超過0.1g，海況經(jīng)常出現(xiàn)；極端運行期，海上升壓站平臺傾斜角不超過0.5%，頂面水平位移不會超過150mm，振動加速度不會超過0.1g，海況很少出現(xiàn)。

式（3）

上述載荷將以等效加速度的方式加載到GIS相應的方向上進行計算。

對于產(chǎn)品因平臺擺動帶來的加速度激勵載荷下的動力響應，可以采用響應譜分析的方法進行評估。響應譜分析可用于估計特定加速度激勵下結(jié)構(gòu)的峰值響應（包括位移和應力），多用于近似估計結(jié)構(gòu)在隨機荷載及隨時間變化荷載（如地震荷載、風荷載、海洋波浪荷載、噴氣發(fā)動機推力荷載）作用下的動力響應。

響應譜方法需要得知響應譜曲線及相應的設備阻尼系數(shù)，圖5為中國國家科委海洋組海浪預報方法研究小組提出的被中國交通部港口工程技術(shù)規(guī)范所采用的規(guī)范譜。

式（4）

圖5 響應譜曲線

應用該方法時，首先進行產(chǎn)品的模態(tài)分析，檢查各個模態(tài)的質(zhì)量參與程度，一般而言，質(zhì)量參與系數(shù)在水平方向一般大于模型可動質(zhì)量的90%，以此確定進行譜分析的振型數(shù)。然后進行譜分析，將平臺的譜值沿著結(jié)構(gòu)的兩個正交的水平方向相等地施加。

對于振型響應組合，使用完全二次組合（complete quadratic combination, CQC）方法；對于方向響應組合，使用平方和的平方根（square root of the sum of the squares, SRSS）方法。最終，產(chǎn)品在運行工況受平臺擺動影響產(chǎn)生的應力等于上述兩種工況（L6和L7）下的疊加。

由于GIS產(chǎn)品在運行階段會長期受到振動沖擊作用，有必要對GIS結(jié)構(gòu)進行疲勞分析。通常GIS主體結(jié)構(gòu)為鋁合金材料，支撐結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)鋼材料，圖6為美國材料標準MMPDS中鋁合金材料的應力幅值-循環(huán)次數(shù)（S-N）曲線，將上述各類工況下的載荷對照該曲線可知GIS主體的應力水平及疲勞壽命周期，其中，1ksi=6.895MPa。

圖6美國材料標準中鋁合金材料的S-N曲線

根據(jù)中國船級社海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞強度評估指南，對于結(jié)構(gòu)或受力復雜的結(jié)構(gòu)鋼板件結(jié)構(gòu)，可采用非管節(jié)點與之匹配的S-N曲線進行分析。圖7為非管節(jié)點結(jié)構(gòu)鋼材料的S-N曲線，圖中B、C、D、E、F、F2、G和W分別對應不同類結(jié)構(gòu)節(jié)點的S-N曲線。將上述各類工況下的載荷對照該曲線可知GIS支撐結(jié)構(gòu)的應力水平及疲勞壽命周期。

圖7 非管節(jié)點結(jié)構(gòu)鋼材料的S-N曲線

綜上所述，海上風電用GIS抗振分析三個階段的各種載荷工況見表2。在GIS設計階段必須按照表2中L1～L8對GIS進行結(jié)構(gòu)振動仿真計算，計算結(jié)果滿足要求的安全系數(shù)后才可以認為GIS結(jié)構(gòu)合理，可以滿足使用要求。

表2 海上風電用GIS工況

3 基于Workbench的GIS振動有限元分析

3.1 Workbench軟件介紹

Workbench是集流體分析、結(jié)構(gòu)分析、磁場分析、電場及聲場分析為一體的有限元分析軟件，具有技術(shù)先進、方便快捷的特點。特別是在GIS結(jié)構(gòu)仿真方面，Workbench具有靜力學分析和響應譜分析、隨機振動分析及諧響應分析等動力學分析模塊，能夠快速高效地對GIS進行動態(tài)和靜態(tài)振動分析。

3.2 工程應用

針對圖2所示GIS結(jié)構(gòu)，采用三維實體建模。為提高分析質(zhì)量，有限元模型做一定的幾何清理，去除對結(jié)構(gòu)主體影響不大的倒角及機構(gòu)箱上的旋鈕、開孔等。清理完成后的有限元計算模型如圖8所示。

圖8 有限元計算模型

表3為GIS的材料參數(shù)，各部件按照相應的材質(zhì)賦予材料屬性，許用應力參考《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》。

表3 GIS材料參數(shù)

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)上述工況載荷，分別按照L1～L8的工況條件對GIS結(jié)構(gòu)進行力學計算分析，最終仿真結(jié)果見表4。

表4 GIS在L1～L8工況下仿真結(jié)果

通過仿真計算分析可知，該GIS在L1～L8的工況條件下最大應力均滿足規(guī)范的許用應力要求且具有較大的安全系數(shù)，GIS能夠滿足吊裝、運輸及長期運行等工況下的海上升壓站振動要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)設計經(jīng)驗并參照相關(guān)標準，將海上風電用GIS的受力階段劃分為吊裝階段、運輸階段、運行階段三個階段，以及八種受力載荷工況（L1～L8），GIS抗振計算仿真時需要按照各個階段的不同載荷工況進行加載，只有八種受力載荷工況下的計算結(jié)果同時滿足要求的安全系數(shù)后才可以認為GIS結(jié)構(gòu)合理，能夠進行相關(guān)試驗或投產(chǎn)。

本文編自2022年第8期《電氣技術(shù)》，論文標題為“海上風電用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備抗振可靠性研究”，作者為楊勇、史方穎 等。