氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)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(shì)被廣泛應(yīng)用于海上升壓站中。海上風(fēng)電用GIS在舾裝基地吊裝入海上升壓站內(nèi)進(jìn)行安裝和試驗(yàn)，并隨升壓站海運(yùn)至指定區(qū)域，待海上升壓站與基礎(chǔ)對(duì)接固定完成后長(zhǎng)期運(yùn)行于海洋環(huán)境中。GIS在吊裝、運(yùn)輸及正常運(yùn)行中會(huì)受到風(fēng)浪、潮汐等振動(dòng)工況的影響，這種影響會(huì)對(duì)GIS的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生較大作用。

為保證GIS能夠可靠運(yùn)行，必須在GIS設(shè)計(jì)階段進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算校核。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于海上風(fēng)電用GIS抗振計(jì)算的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)較少，本文結(jié)合多個(gè)海上升壓站GIS設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)海上風(fēng)電用GIS安裝、運(yùn)輸及運(yùn)行時(shí)的受力特點(diǎn)進(jìn)行研究，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一種海上風(fēng)電用GIS抗振仿真的計(jì)算方法，為海上風(fēng)電設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 海上升壓站及其GIS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 海上升壓站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

海上風(fēng)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(tái)結(jié)構(gòu)組成。下部支撐結(jié)構(gòu)主要由鋼柱和鋼導(dǎo)管焊接或螺栓連接組成。上部平臺(tái)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(jī)模塊、二次屏柜模塊、輔助系統(tǒng)模塊等。

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

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于海上升壓站的設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)較為齊全，其中挪威船級(jí)社的DNVGL—ST—0145《Offshore Substations》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)升壓站結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電器設(shè)計(jì)等方面提出了原則性的要求；API RP—2A—WSD《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)升壓站的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)都有相關(guān)要求。現(xiàn)行的海上升壓站規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)較為全面，可為海上升壓站的安全設(shè)計(jì)和可靠運(yùn)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(diǎn)

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）運(yùn)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(diǎn)，較其他開(kāi)關(guān)設(shè)備更適合應(yīng)用于海上升壓站。GIS是將設(shè)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(guò)銅制接地線(xiàn)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(kāi)關(guān)及機(jī)構(gòu)、快速接地開(kāi)關(guān)及機(jī)構(gòu)、電纜終端（套管）、母線(xiàn)、接地開(kāi)關(guān)及機(jī)構(gòu)、就地控制柜（local control panel, LCP）等組成。GIS各組成部分外殼機(jī)械強(qiáng)度較高，各個(gè)組成部分及GIS各個(gè)間隔都是通過(guò)高強(qiáng)度螺栓緊固連接，GIS整體結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較高。

目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28819《充氣高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用鋁合金外殼》規(guī)定了GIS殼體設(shè)計(jì)應(yīng)力的基準(zhǔn)；GB/T 13540《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》規(guī)定了GIS產(chǎn)品抗地震方面的相關(guān)準(zhǔn)則，該標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271—207《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》相對(duì)應(yīng)。有關(guān)GIS在海上風(fēng)電領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)很少，GIS在海上風(fēng)電領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及校核標(biāo)準(zhǔn)只能參考海工領(lǐng)域電氣設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 GIS結(jié)構(gòu)

2 海上風(fēng)電用GIS的不同工況和受力特點(diǎn)

海上風(fēng)電用GIS從安裝到運(yùn)行主要分為GIS吊裝階段、GIS運(yùn)輸階段及GIS運(yùn)行階段，每個(gè)階段GIS的受力工況皆不相同，各個(gè)階段的受力特點(diǎn)及載荷如下。

2.1 GIS吊裝階段

在海上升壓站建造的同時(shí)，GIS被吊入海上升壓站GIS室內(nèi)進(jìn)行安裝與試驗(yàn)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(chē)的動(dòng)力系數(shù)，并對(duì)GIS吊裝時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核。

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

通常GIS都是在陸地上進(jìn)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(dòng)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(qiáng)度仿真計(jì)算可以按照工況L1的重力系數(shù)進(jìn)行加載計(jì)算。

2.2 GIS隨升壓站運(yùn)輸階段

當(dāng)GIS與海上升壓站安裝固定后，升壓站會(huì)被整體吊入駁船并隨駁船運(yùn)輸至指定海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行定位和安裝。運(yùn)輸過(guò)程中GIS會(huì)隨船體產(chǎn)生晃動(dòng)，此階段需要考慮波浪的橫搖、縱搖及升沉載荷，對(duì)GIS結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

運(yùn)輸階段主要考慮駁船在風(fēng)浪作用下的搖擺運(yùn)動(dòng)引起的慣性力的作用，加之本身靜載載荷，合計(jì)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)力。動(dòng)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(dòng)態(tài)力可以通過(guò)計(jì)算載荷系數(shù)來(lái)確定。載荷系數(shù)是艦船結(jié)構(gòu)或設(shè)備由于重力加速度和艦船運(yùn)動(dòng)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(jì)算式為

式（2）

在進(jìn)行GIS運(yùn)輸階段分析時(shí)，假定駁船的轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于駁船縱向船中，平行于駁船龍骨并設(shè)定此轉(zhuǎn)動(dòng)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。

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(shí)產(chǎn)品的重心與駁船的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的相對(duì)位置最大，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)力也最大。假設(shè)產(chǎn)品的布置示意圖如圖4所示。

圖4假設(shè)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(duì)駁船轉(zhuǎn)動(dòng)中心的坐標(biāo)位置。按照要求運(yùn)輸階段分析中GIS產(chǎn)品應(yīng)承受的駁船運(yùn)動(dòng)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(yīng)的組合動(dòng)態(tài)力的載荷系數(shù)，三個(gè)方向的載荷系數(shù)乘以重力加速度轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品三個(gè)方向的加速度aX、aY、aZ，再將三個(gè)方向的加速度作為靜態(tài)載荷對(duì)GIS進(jìn)行受力分析。GIS在升壓站運(yùn)輸階段的受力特點(diǎn)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(chǎng)家根據(jù)自己產(chǎn)品的參數(shù)及不同的運(yùn)輸海況進(jìn)行計(jì)算。）

表1不同搖擺工況組合下的參數(shù)及動(dòng)態(tài)力

2.3 GIS運(yùn)行階段

當(dāng)海上升壓站固定后，GIS就進(jìn)入正常運(yùn)行階段。海上升壓站正常運(yùn)行時(shí)，GIS會(huì)長(zhǎng)期受到海浪、潮汐的沖擊作用。此時(shí)需要考慮平臺(tái)傾斜的靜載作用、風(fēng)浪沖擊的動(dòng)載作用及動(dòng)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(tái)上，受到平臺(tái)擺動(dòng)的影響。根據(jù)海上升壓站GIS招標(biāo)技術(shù)規(guī)范，正常運(yùn)行期，要求海上升壓站平臺(tái)傾斜角不超過(guò)0.35%，頂面水平位移不會(huì)超過(guò)100mm，振動(dòng)加速度不會(huì)超過(guò)0.1g，海況經(jīng)常出現(xiàn)；極端運(yùn)行期，海上升壓站平臺(tái)傾斜角不超過(guò)0.5%，頂面水平位移不會(huì)超過(guò)150mm，振動(dòng)加速度不會(huì)超過(guò)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(yīng)的方向上進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于產(chǎn)品因平臺(tái)擺動(dòng)帶來(lái)的加速度激勵(lì)載荷下的動(dòng)力響應(yīng)，可以采用響應(yīng)譜分析的方法進(jìn)行評(píng)估。響應(yīng)譜分析可用于估計(jì)特定加速度激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的峰值響應(yīng)（包括位移和應(yīng)力），多用于近似估計(jì)結(jié)構(gòu)在隨機(jī)荷載及隨時(shí)間變化荷載（如地震荷載、風(fēng)荷載、海洋波浪荷載、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力荷載）作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

響應(yīng)譜方法需要得知響應(yīng)譜曲線(xiàn)及相應(yīng)的設(shè)備阻尼系數(shù)，圖5為中國(guó)國(guó)家科委海洋組海浪預(yù)報(bào)方法研究小組提出的被中國(guó)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(yīng)譜曲線(xiàn)

應(yīng)用該方法時(shí)，首先進(jìn)行產(chǎn)品的模態(tài)分析，檢查各個(gè)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(dòng)質(zhì)量的90%，以此確定進(jìn)行譜分析的振型數(shù)。然后進(jìn)行譜分析，將平臺(tái)的譜值沿著結(jié)構(gòu)的兩個(gè)正交的水平方向相等地施加。

對(duì)于振型響應(yīng)組合，使用完全二次組合（complete quadratic combination, CQC）方法；對(duì)于方向響應(yīng)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(yùn)行工況受平臺(tái)擺動(dòng)影響產(chǎn)生的應(yīng)力等于上述兩種工況（L6和L7）下的疊加。

由于GIS產(chǎn)品在運(yùn)行階段會(huì)長(zhǎng)期受到振動(dòng)沖擊作用，有必要對(duì)GIS結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guó)材料標(biāo)準(zhǔn)MMPDS中鋁合金材料的應(yīng)力幅值-循環(huán)次數(shù)（S-N）曲線(xiàn)，將上述各類(lèi)工況下的載荷對(duì)照該曲線(xiàn)可知GIS主體的應(yīng)力水平及疲勞壽命周期，其中，1ksi=6.895MPa。

圖6美國(guó)材料標(biāo)準(zhǔn)中鋁合金材料的S-N曲線(xiàn)

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞強(qiáng)度評(píng)估指南，對(duì)于結(jié)構(gòu)或受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)鋼板件結(jié)構(gòu)，可采用非管節(jié)點(diǎn)與之匹配的S-N曲線(xiàn)進(jìn)行分析。圖7為非管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)鋼材料的S-N曲線(xiàn)，圖中B、C、D、E、F、F2、G和W分別對(duì)應(yīng)不同類(lèi)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的S-N曲線(xiàn)。將上述各類(lèi)工況下的載荷對(duì)照該曲線(xiàn)可知GIS支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平及疲勞壽命周期。

圖7 非管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)鋼材料的S-N曲線(xiàn)

綜上所述，海上風(fēng)電用GIS抗振分析三個(gè)階段的各種載荷工況見(jiàn)表2。在GIS設(shè)計(jì)階段必須按照表2中L1～L8對(duì)GIS進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足要求的安全系數(shù)后才可以認(rèn)為GIS結(jié)構(gòu)合理，可以滿(mǎn)足使用要求。

表2 海上風(fēng)電用GIS工況

3 基于Workbench的GIS振動(dòng)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(chǎng)分析、電場(chǎng)及聲場(chǎng)分析為一體的有限元分析軟件，具有技術(shù)先進(jìn)、方便快捷的特點(diǎn)。特別是在GIS結(jié)構(gòu)仿真方面，Workbench具有靜力學(xué)分析和響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析及諧響應(yīng)分析等動(dòng)力學(xué)分析模塊，能夠快速高效地對(duì)GIS進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)振動(dòng)分析。

3.2 工程應(yīng)用

針對(duì)圖2所示GIS結(jié)構(gòu)，采用三維實(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)主體影響不大的倒角及機(jī)構(gòu)箱上的旋鈕、開(kāi)孔等。清理完成后的有限元計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 有限元計(jì)算模型

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

表3 GIS材料參數(shù)

3.3 計(jì)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(duì)GIS結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析，最終仿真結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 GIS在L1～L8工況下仿真結(jié)果

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

4 結(jié)論

本文根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將海上風(fēng)電用GIS的受力階段劃分為吊裝階段、運(yùn)輸階段、運(yùn)行階段三個(gè)階段，以及八種受力載荷工況（L1～L8），GIS抗振計(jì)算仿真時(shí)需要按照各個(gè)階段的不同載荷工況進(jìn)行加載，只有八種受力載荷工況下的計(jì)算結(jié)果同時(shí)滿(mǎn)足要求的安全系數(shù)后才可以認(rèn)為GIS結(jié)構(gòu)合理，能夠進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)或投產(chǎn)。

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