西电开关电气公司技术团队提出用于海上风电GIS抗振仿真的计算方法

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海上风电用气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）通常安装于海上升压站中，GIS在吊装、运输及正常运行时会受到风浪、潮汐等振动载荷的长期影响。为保证GIS能够满足海上振动工况，在GIS设计阶段需要对其结构强度进行相应的抗振计算或仿真校核。

目前，国内关于海上风电用GIS抗振计算的相关规范较少，西安西电开关电气有限公司的研究人员杨勇、史方颖、潘巧梅，在2022年第8期《电气技术》上撰文，结合多个海上升压站GIS设计经验，对海上风电用GIS安装、运输及运行时的受力特点进行研究，并结合相关标准设计一种用于海上风电GIS抗振仿真的计算方法，为相关设计人员提供参考。

气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated enclosed metal switchgear, GIS）凭借其全封闭结构、占用空间小、安全可靠的优势被广泛应用于海上升压站中。海上风电用GIS在舾装基地吊装入海上升压站内进行安装和试验，并随升压站海运至指定区域，待海上升压站与基础对接固定完成后长期运行于海洋环境中。GIS在吊装、运输及正常运行中会受到风浪、潮汐等振动工况的影响，这种影响会对GIS的结构强度及疲劳强度产生较大作用。

为保证GIS能够可靠运行，必须在GIS设计阶段进行相关的结构仿真计算校核。目前，国内关于海上风电用GIS抗振计算的规范标准较少，本文结合多个海上升压站GIS设计经验，对海上风电用GIS安装、运输及运行时的受力特点进行研究，并结合相关标准设计一种海上风电用GIS抗振仿真的计算方法，为海上风电设计人员提供参考。

1  海上升压站及其GIS结构特点

1.1  海上升压站结构特点

海上风电用GIS安装于海上升压站内，海上升压站结构如图1所示，主要由下部支撑结构和上部平台结构组成。下部支撑结构主要由钢柱和钢导管焊接或螺栓连接组成。上部平台包括多层模块，主要有变压器模块、GIS模块、中压柜模块、柴油发电机模块、二次屏柜模块、辅助系统模块等。

作为海上风电的电能汇集、升压、配电、控制中心，海上升压站在整个海上风电系统中居于核心地位。其所处的海洋环境十分复杂，在运输和运行过程中不仅受到风、浪、潮汐等海洋环境作用，对于某些特定区域还需要考虑飓风、地震和海洋冰荷载的影响。

目前，国内外对于海上升压站的设计计算标准较为齐全，其中挪威船级社的DNVGL—ST—0145《Offshore Substations》标准对升压站结构安全等级、结构设计、电器设计等方面提出了原则性的要求；API RP—2A—WSD《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法》、ISO 19902—2007《石油和天然气工业固定式海上钢结构》及Norsok N—004《Design of Steel Structures》标准对升压站的结构细节都有相关要求。现行的海上升压站规范和标准较为全面，可为海上升压站的安全设计和可靠运行提供保证。

图1  海上升压站结构

1.2  GIS结构特点

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）运行安全系数高、技术性能优良，具有全封闭、占地空间小、安全可靠的优点，较其他开关设备更适合应用于海上升压站。GIS是将设备中的带电元件安装于封闭的铝合金或不锈钢材料制成的金属外壳中，外壳通过铜制接地线与大地连接，外壳内充一定压力的SF6气体起到绝缘灭弧作用。

GIS结构如图2所示，由断路器、电流互感器、电压互感器、隔离开关及机构、快速接地开关及机构、电缆终端（套管）、母线、接地开关及机构、就地控制柜（local control panel, LCP）等组成。GIS各组成部分外壳机械强度较高，各个组成部分及GIS各个间隔都是通过高强度螺栓紧固连接，GIS整体结构紧凑，刚度较高。

目前国内标准GB/T 28819《充气高压开关设备用铝合金外壳》规定了GIS壳体设计应力的基准；GB/T 13540《高压开关设备和控制设备的抗震要求》规定了GIS产品抗地震方面的相关准则，该标准与国际标准IEC 62271—207《高压开关设备和控制设备》相对应。有关GIS在海上风电领域的国内外标准很少，GIS在海上风电领域的设计及校核标准只能参考海工领域电气设备的相关标准。

图2  GIS结构

2  海上风电用GIS的不同工况和受力特点

海上风电用GIS从安装到运行主要分为GIS吊装阶段、GIS运输阶段及GIS运行阶段，每个阶段GIS的受力工况皆不相同，各个阶段的受力特点及载荷如下。

2.1  GIS吊装阶段

在海上升压站建造的同时，GIS被吊入海上升压站GIS室内进行安装与试验调试。此阶段需要考虑吊装状态下GIS的重力系数和吊车的动力系数，并对GIS吊装时的结构强度进行计算校核。

根据API RP—2A《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法》规定：当吊装中起重机或设备有一方在浮船上时，要求开阔海区（open exposed sea）动力放大系数选用2.0/1.35；在非开阔海区（other marine situations）动力放大系数选用1.5/1.15；如果起重机和设备均在陆地上，不要求考虑动力放大系数。

通常GIS都是在陆地上进行吊装，其吊装形态如图3所示。按照此规定，可以不考虑动力放大系数，仅考虑重力系数，因此，GIS吊装工况下的载荷为

式 （1）

式 （1）中：aZ为重力系数；g为重力加速度。

图3  GIS吊装形态

如式（1）所示，吊装阶段GIS结构强度仿真计算可以按照工况L1的重力系数进行加载计算。

2.2  GIS随升压站运输阶段

当GIS与海上升压站安装固定后，升压站会被整体吊入驳船并随驳船运输至指定海上风电场进行定位和安装。运输过程中GIS会随船体产生晃动，此阶段需要考虑波浪的横摇、纵摇及升沉载荷，对GIS结构强度进行校核。

运输阶段主要考虑驳船在风浪作用下的摇摆运动引起的惯性力的作用，加之本身静载载荷，合计称为动态力。动态力主要是由横摇、纵摇、纵荡和垂荡（升沉）引起的。

根据GJB 1060《舰船环境条件》规定，动态力可以通过计算载荷系数来确定。载荷系数是舰船结构或设备由于重力加速度和舰船运动加速度使其在纵向（X轴）、横向（Y轴）和垂向（Z轴）上受到的载荷与重力的比值。载荷系数的计算式为

式（2）

在进行GIS运输阶段分析时，假定驳船的转动中心位于驳船纵向船中，平行于驳船龙骨并设定此转动中心为坐标原点。

假定GIS产品的布置为最不利的情况，比如位于船尾与左舷的边缘处，此时产品的重心与驳船的转动中心的相对位置最大，相应的动态力也最大。假设产品的布置示意图如图4所示。

图4  假设产品的布置示意图（最不利的情况）

据此可以得到产品的相对驳船转动中心的坐标位置。按照要求运输阶段分析中GIS产品应承受的驳船运动加速度组合如下：①横摇+升沉；②横摇-升沉；③纵摇+升沉；④纵摇-升沉。

将上述数据代入公式中，可得到相应的组合动态力的载荷系数，三个方向的载荷系数乘以重力加速度转化成产品三个方向的加速度aX、aY、aZ，再将三个方向的加速度作为静态载荷对GIS进行受力分析。GIS在升压站运输阶段的受力特点可以归纳为表1中L2～L5四种工况。（注：表1内数据需GIS厂家根据自己产品的参数及不同的运输海况进行计算。）

表1  不同摇摆工况组合下的参数及动态力

2.3  GIS运行阶段

当海上升压站固定后，GIS就进入正常运行阶段。海上升压站正常运行时，GIS会长期受到海浪、潮汐的冲击作用。此时需要考虑平台倾斜的静载作用、风浪冲击的动载作用及动静载荷共同作用下GIS的疲劳寿命。

GIS安装在海上升压站平台上，受到平台摆动的影响。根据海上升压站GIS招标技术规范，正常运行期，要求海上升压站平台倾斜角不超过0.35%，顶面水平位移不会超过100mm，振动加速度不会超过0.1g，海况经常出现；极端运行期，海上升压站平台倾斜角不超过0.5%，顶面水平位移不会超过150mm，振动加速度不会超过0.1g，海况很少出现。

式（3）

上述载荷将以等效加速度的方式加载到GIS相应的方向上进行计算。

对于产品因平台摆动带来的加速度激励载荷下的动力响应，可以采用响应谱分析的方法进行评估。响应谱分析可用于估计特定加速度激励下结构的峰值响应（包括位移和应力），多用于近似估计结构在随机荷载及随时间变化荷载（如地震荷载、风荷载、海洋波浪荷载、喷气发动机推力荷载）作用下的动力响应。

响应谱方法需要得知响应谱曲线及相应的设备阻尼系数，图5为中国国家科委海洋组海浪预报方法研究小组提出的被中国交通部港口工程技术规范所采用的规范谱。

式（4）

图5  响应谱曲线

应用该方法时，首先进行产品的模态分析，检查各个模态的质量参与程度，一般而言，质量参与系数在水平方向一般大于模型可动质量的90%，以此确定进行谱分析的振型数。然后进行谱分析，将平台的谱值沿着结构的两个正交的水平方向相等地施加。

对于振型响应组合，使用完全二次组合（complete quadratic combination, CQC）方法；对于方向响应组合，使用平方和的平方根（square root of the sum of the squares, SRSS）方法。最终，产品在运行工况受平台摆动影响产生的应力等于上述两种工况（L6和L7）下的叠加。

由于GIS产品在运行阶段会长期受到振动冲击作用，有必要对GIS结构进行疲劳分析。通常GIS主体结构为铝合金材料，支撑结构为结构钢材料，图6为美国材料标准MMPDS中铝合金材料的应力幅值-循环次数（S-N）曲线，将上述各类工况下的载荷对照该曲线可知GIS主体的应力水平及疲劳寿命周期，其中，1ksi=6.895MPa。

图6  美国材料标准中铝合金材料的S-N曲线

根据中国船级社海洋工程结构物疲劳强度评估指南，对于结构或受力复杂的结构钢板件结构，可采用非管节点与之匹配的S-N曲线进行分析。图7为非管节点结构钢材料的S-N曲线，图中B、C、D、E、F、F2、G和W分别对应不同类结构节点的S-N曲线。将上述各类工况下的载荷对照该曲线可知GIS支撑结构的应力水平及疲劳寿命周期。

图7  非管节点结构钢材料的S-N曲线

综上所述，海上风电用GIS抗振分析三个阶段的各种载荷工况见表2。在GIS设计阶段必须按照表2中L1～L8对GIS进行结构振动仿真计算，计算结果满足要求的安全系数后才可以认为GIS结构合理，可以满足使用要求。

表2  海上风电用GIS工况

3  基于Workbench的GIS振动有限元分析

3.1  Workbench软件介绍

Workbench是集流体分析、结构分析、磁场分析、电场及声场分析为一体的有限元分析软件，具有技术先进、方便快捷的特点。特别是在GIS结构仿真方面，Workbench具有静力学分析和响应谱分析、随机振动分析及谐响应分析等动力学分析模块，能够快速高效地对GIS进行动态和静态振动分析。

3.2  工程应用

针对图2所示GIS结构，采用三维实体建模。为提高分析质量，有限元模型做一定的几何清理，去除对结构主体影响不大的倒角及机构箱上的旋钮、开孔等。清理完成后的有限元计算模型如图8所示。

图8  有限元计算模型

表3为GIS的材料参数，各部件按照相应的材质赋予材料属性，许用应力参考《钢质海船入级规范》。

表3  GIS材料参数

3.3  计算结果

根据上述工况载荷，分别按照L1～L8的工况条件对GIS结构进行力学计算分析，最终仿真结果见表4。

表4  GIS在L1～L8工况下仿真结果

通过仿真计算分析可知，该GIS在L1～L8的工况条件下最大应力均满足规范的许用应力要求且具有较大的安全系数，GIS能够满足吊装、运输及长期运行等工况下的海上升压站振动要求。

4  结论

本文根据设计经验并参照相关标准，将海上风电用GIS的受力阶段划分为吊装阶段、运输阶段、运行阶段三个阶段，以及八种受力载荷工况（L1～L8），GIS抗振计算仿真时需要按照各个阶段的不同载荷工况进行加载，只有八种受力载荷工况下的计算结果同时满足要求的安全系数后才可以认为GIS结构合理，能够进行相关试验或投产。

本文编自2022年第8期《电气技术》，论文标题为“海上风电用气体绝缘金属封闭开关设备抗振可靠性研究”，作者为杨勇、史方颖 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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