双鱼网结构

双鱼网结构（精选4篇）

双鱼网结构 篇1

0 引言

随着现代化城市建设的日趋成熟,城市用电负荷不断增长,用户对电能质量的要求也不断提高,现有的交流供电系统越来越难以满足发展的需求。近年来,随着大功率电力电子器件、高压换流技术的高速发展,高压直流输电技术也得到了不断的完善,中国、美国、瑞典等国家已经在建造多端直流输电工程[1,2,3]。

直流配电网是一个具有先进的能源管理系统的智能、稳定的交直流混合广域网络[4]。与交流配电网相比,直流配电网有着一些明显的优点:在绝缘水平相同的情况下,直流配电网的传输功率约为交流配电网的1.5倍;直流配电网能够方便各种分布式电源和电动汽车充电站的接入;不同于交流配电网,直流配电网并不存在涡流损耗以及线路的无功损耗,直流配电网的损耗仅为交流网络的15 % ~ 50 %;理论上直流系统没有频率偏差、三相电压不平衡和无功补偿等问题,因此能够有效避免电压波动与闪变、频率偏移、谐波污染等问题,能够有效地改善电能质量,提高电网可靠性[5,6,7,8,9,10]。

目前,国内外对直流配电网的研究尚处于初级阶段,未来的直流配电网技术仍存在许多挑战。本文首先提出了直流配电网的基本概念,对直流配电网链式结构典型支路的功率方程等进行了推导与求解,并对环状拓扑结构及两端拓扑结构的可行性进行了探讨;然后对分布式电源和储能装置接入直流配电网进行了研究,同时采用混合式直流断路器并且提出了一种直流配电网的控制方式;最后通过直流配电网的建模仿真,获得了一些有益的结论,对直流配电网的进一步研究具有一定的参考价值。

1 直流配电网拓扑结构

多端直流系统是从交流系统引出多个换流站,通过多组点对点直流连接不同的交流系统,没有网格、冗余,当拓扑中任何一个换流站或线路上发生故障时,整条线路及其相连的换流站要退出运行,可靠性较低。直流配电网中,各条直流线路可以自由连接,可以互相作为冗余使用,而不是仅仅作为异步交流电网的连接设备[4]。直流配电网的拓扑结构可以根据用途来决定,常见的直流配电网拓扑结构可以分为:链式拓扑结构、两端拓扑结构和环状拓扑结构。

1.1 链式拓扑结构

常见的直流配电网的链式结构如图1所示。在直流配电网的链式结构中,随着负荷的增加,直流电压将会随着潮流流动的方向下降。

图2为直流配电网的典型支路。其中,Ui、Uj为始、末两端的端直流母线电压;Ib为支路电流;Ri j为线路阻抗;Pj为末端负荷的有功功率。

由图2可得:

由式(1)、式(2),得:

求解式(3),可得:

若式(4)有实数解,则:

考虑式(5)等于0的临界情况,则:

在实际的直流配电网中,由于线路上的阻抗相对较小,正常情况下线路两端的电压相差不大,不会出现如式(6)所示的末端电压只有始端电压一半的情况,即式(3)始终有解。可见直流配电网不存在类似交流配电网的静态电压稳定性问题。

1.2 环状拓扑结构的可行性

环状直流配电网的拓扑结构如图3所示。交流配电网的环状结构,通常采用环状设计、解环运行,从而避免了双电源时电压幅值差、相角差引起的无功环流。由于直流配电网中并不需要考虑无功功率,因此也不需要考虑无功环流问题。在研究直流配电网环状拓扑结构时主要考虑出现短路情况的保护问题。

由于直流配电网系统中线路阻抗较小,当线路上发生短路故障时,短路电流上升速度快、幅值高。如果缺乏实用的直流断路器,通常只能将直流变压器或换流器闭锁,以隔离故障。当采用链式系统时,若末端线路发生故障,将上级直流变压器或换流器闭锁,余下线路仍可以正常运行;当采用环状结构时,只能将全部线路停运,极大地降低了系统的可靠性。因此,制约环状直流配电网可行性的关键技术即为直流断路器的研发。

1.3 两端直流配电网拓扑结构的可行性

为了保障直流配电网的可靠性,在两端直流配电网中通常会有一端的交流接口采用定电压控制,其余交流接口采用定功率控制。直流配电网正常运行时,由于不需考虑无功功率因素,并且整个直流配电系统的电压完全由定电压控制端和负荷决定,从而避免了直流电压差引起的功率环流,常见的两端直流配电网拓扑结构如图4所示。

2 分布式电源与储能接入直流配电网

近年来,分布式电源越来越受到学术界的关注,研究表明:分布式电源具有负荷变动灵活、供电可靠、输电损失小的特点。常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电池、风力发电机等,而这些电源产生的电能均为直流电。因此相较于并入现有的交流电网,直接将其并入直流配电网能够有效减少换流站的投资,同时能够减小换流过程的损耗,均有很大的经济效益[11,12]。

2.1 光伏电池

2.1.1 光伏电池模型

光伏发电存在的主要问题是光伏电池受外界环境影响大,温度和光照辐射强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。因此,为了使光伏电池在不同的光照强度下都能够获得最大的输出功率,通常采用最大功率点跟踪的控制策略[13]。

本文建立光伏发电的模型等效电路如图5所示。图中,IPH为给定光强下的短路电流;I0为二极管饱和电流;RS和RSH为等效电阻;I为电池组件输出电流;U为电池组件终端电压。

考虑到光照强度S和光伏电池温度T的变化,光伏电池输出如下:

其中,K1、K2为常数;ΔT、ΔI、ΔU分别为光伏电池温度、电流、电压的增量;P为输出功率;UM和IM分别为最大电压、电流;UOC为开路电压;ISC为短路电流;Sref和Tref分别为参考光照强度和参考光伏电池温度,通常分别取1 k W / m2 和25℃;参数α和β 分别为参考光照强度下的电流和电压温度系数。

2.1.2 光伏电池并入直流配电网

光伏电池发出的是电压随机波动的直流电,且光伏电池的出口电压相对较低,若想并入交流配电网中首先需要经过DC / DC变压器,再经过DC / AC换流器,同时还需要增设滤波装置,才能有效地并入电网,光伏电池并入交流配电网如图6所示。

若是将光伏电池直接并入直流配电网中,则不需要DC / AC换流器和滤波装置,能够有效地节省设备投入,具有较大的经济意义,光伏电池并入直流配电网如图7所示。直流配电网DCDC光伏阵列

DC直流DC配电网图7光伏接入直流配电网Fig.7 Grid-connection of photovoltaic generation to DC distribution network

2.2 储能装置

2.2.1 储能装置模型

超级电容是一种新型储能元件,是具有超强储电能力、可提供强大脉动功率的物理二次电源。相比于常规的电容,它的容量可达近万法。由于超级电容的充放电过程属于纯物理过程,因此它具有循环次数高、充电过程快、适用于接入直流电网的特点。超级电容具有良好的充放电性能,在额定电压范围内,可以以极快的速度充电至任一电压值,放电时则可以放出所储存的全部电能,而且不存在蓄电池快速充电和放电的损坏问题,并且在瞬间高压和短路大电流情况下有缓冲功能,能量系统较为稳定[14]。

本文所采 用的储能 模型为超 级电容与 双向DC / DC变换器相连接,如图8所示。

2.2.2 储能装置并入直流配电网

如上文所述,含有超级电容的储能装置输出的是直流电,若要并入交流配电网,需要经过DC / AC换流器,同时还需要增设滤波装置,才能有效地并入电网,储能装置并入交流配电网如图9所示。

若是将储能装置直接并入直流配电网中,则不需要DC / AC换流器和滤波装置,能够有效地节省设备投入,具有较大的经济意义,储能装置并入直流配电网如图10所示。

3直流断路器模型与直流配电网控制策略

3.1 混合式高压直流断路器

与传统的交流输电相比,直流输电由于没有电流过零点,因此相较于交流电弧,直流电弧更难以熄灭。现有的高压直流断路器能够在几十毫秒内断开电路,但对于高压直流输电系统,远远不能达到要求。基于半导体的高压直流断路器能够克服动作速度上的问题,但是需要大量电力电子开关器件串并联[15,16,17,18]。本文采用了新型的混合式直流断路器,其拓扑结构如图11所示,能够有效地克服上述缺点。

机械开关S采用高速斥力开关,该装置动作时间短,可以显著缩短直流断路器的开断时间;电力电子复合开关由IGBT阀组T1与晶闸管阀组T2串联构成,由于晶闸管的容量较大,静态电阻也较大,其均压(均流)技术亦较为成熟,因此该复合开关可以有效降低电力电子器件的串(并)联数量及均压(均流)难度;限流电路由限流电感L、晶闸管VDL、V′DL及能量释放电阻RL构成,故障发生时,L用于限制短路电流上升率,故障切除后,L中储存的能量经VDL、V′DL及RL释放,并限制L的感应过电压;续流二极管VD用于释放电源出口与短路点间的线路阻抗中储存的能量,故障切除后,线路阻抗经续流二极管与短路点续流,其感应过电压不会对其他设备产生影响。

3.2 直流配电网的控制策略

直流配电网的控制策略可以分为2层:第一层为配电网上层控制,即系统控制,主要对换流站进行控制,控制直流配电网与交流配电网的功率传输和整个直流配电网的电压;第二层为配电网下层控制,即单元控制,主要对分布式电源的发电、储能元件、直流负荷进行协调控制。

当系统级发生故障时,即交流系统和直流系统连接处或换流站发生故障时,如果与发生故障的线路连接的换流站为一般换流站,只需切除故障线路,将故障的线路与整个直流系统隔离即可;如果与发生故障的线路相连接的换流站为控制直流配电网电压等级的换流站,则应迅速切除故障线路,同时将备用换流站由定功率控制转为定电压控制,来维持直流配电系统电压稳定。

当直流配电网下层发生故障时,如分布式电源发生故障,首先将故障线路切除,为了避免整个直流配电网系统出现短时功率跌落,控制储能单元向直流系统传输功率,维持系统的功率平衡,减小直流系统的电压波动,增加系统的稳定性。

4建模仿真

4.1 光伏电池与直流断路器模型

4.1.1 光伏电池建模

按照2.1.1节所述的光伏电池模型,采用最大功率点跟踪控制,利用PSCAD / EMTDC对光伏模型进行建模仿真,仿真时间为13 s,仿真步长为50μs,仿真系统的环境参数变化和光伏电池向系统输出的功率如图12所示,从图中可以看到随着环境因素的不断变化,光伏电池的输出功率也在不断变化。

4.1.2 断路器建模

利用PSCAD仿真软件对提出的限流式直流断路器进行建模仿真。仿真参数如下:直流电源40 k V;机械开关S为高速开关,电弧模型采用Cassie电弧模型;固态开关开通时间10μs,关断时间400μs(即晶闸管阀组T2的导通时间和零电流下正向阻断能力恢复时间);限流电路L =20 m H、RL= 2Ω;负载电阻R =20Ω,忽略线路阻抗。假设在t=0.5s时发生短路故障,仿真结果如图13所示。

如上所述,0.5s时线路负载发生接地短路故障,由于采用故障预处理控制策略,提前对固态开关阀组施加触发脉冲,故障判断时间几乎可以忽略;机械开关S经过0.3 ms基本完成换流,即电力电子复合开关于0.5003s导通;0.503s时,机械开关S完成零电压下的分闸过程,此时向电力电子复合开关发出关断信号;IGBT阀组迅速断开,约400μs后晶闸管阀组T2亦恢复正向阻断能力,电力电子复合开关完全关断,短路故障被切除。

4.2 系统建模仿真

如1.3节所述,制约环状直流配电网拓扑结构发展的主要技术瓶颈是传统的直流断路器不能够满足开断的要求,如果加入了实用的高压直流断路器,环状直流配电网拓扑结构就能够提供较为稳定的系统。本文在环状直流配电网的拓扑结构中加入上文的混合式高压直流断路器,构建的仿真模型见图14。

图中,交流系统1、2、3的电压等级均为10 k V;直流配电网的电压等级为15 k V;低压直流配电网的电压等级为1 k V;换流站1采用定电压控制,控制整个直流配电系统的电压;换流站2、3采用定电流控制;DCT表示直流变压器。

4.2.1 系统正常情况下仿真

设置中压配电网负荷需求功率为1.2 MW,低压直流配电网需求功率为100 k W,系统环境因素和光伏电池的输出功率的变化如4.1.1节所述,整个直流配电网的电气变化量如图15所示。仿真结果表明:正常情况下,中压直流配电网和低压直流配电网的电压和功率传输都能够稳定在设定的值,不会随着外界环境的不同而产生较大波动。

4.2.2 系统故障情况下仿真

为了验证直流断路器、控制策略的有效性和直流配电系统的可行性,考虑系统发生两相短路故障的情况,设置故障发生在10.5 s,直流断路器检测到故障后自动动作。以光伏系统为例,当光伏系统发生故障时,如果不采用3.2节的控制策略,仅仅是将故障线路切除,则整个直流配电网的电气变化量如图16所示。

当光伏系统发生故障时,如果采用3.2节的控制策略,将故障线路切除,同时储能系统向直流配电系统输出功率,则整个直流配电网的电气变化量如图17所示。

对比图16、17可知,采用3.2节所述的控制策略时,能够在系统发生故障时有效地限制整个直流配电系统的电压和功率的波动幅度,同时能极大地缩短波动时间。图18为15k V配电系统电压波动的过渡过程对比图。

对比图16、17、18可知,光伏电池在10.5 s时发生短路故障,断路器检测到故障后切断故障线路。以15 k V电压为例,如果不采用3.2节所述的控制策略,在发生故障后的过渡过程中系统电压会降至11.5k V,且需要0.3 s系统才能恢复到正常的电压;当采用3.2节所述的控制策略时,在发生故障后的过渡过程中系统的电压仅下降至14 k V,而且仅需要0.01s系统便能恢复到正常的电压。上述仿真结果证明:当系统发生短路故障时,直流断路器能够快速断开故障线路,保障非故障线路正常运行;同时采用本文提出的直流配电网的控制策略,能够有效限制短路故障对系统造成危害,缩短短路时间,使整个直流配电网更加有效稳定地运行。

5结语

本文对直流配电网链式拓扑结构的典型支路的功率方程等进行了推导与求解,并对环状拓扑结构及两端拓扑结构的可行性进行了探讨,接着对分布式能源和储能装置接入直流配电网进行了研究,最后采用了混合式直流断路器模型同时提出了一种新的直流配电网控制策略。仿真结果证明:在正常工况下,中压直流配电系统和低压直流配电系统的电压和功率都可以保持稳定;在故障情况下,直流断路器能够迅速地切断故障线路,同时采用本文提出的控制策略,能够更好地维持系统电压和功率传输的稳定,缩短故障时间,使整个直流配电系统能够更加有效稳定地运行。

摘要：对直流配电网的环状拓扑结构和两端拓扑结构的可行性进行了探讨,对直流配电网链式结构典型支路的功率方程等进行了推导与求解。对分布式能源和储能装置并入交流配电网和直流电网进行了对比研究,研究结果表明相较于接入交流配电网而言,接入直流配电网能够有效节省DC/AC变换器和滤波装置。采用了混合式直流断路器同时提出了一种直流配电网的协调控制模型。利用PSCAD/EMTDC对环状直流配电网结构的正常工况和故障情况进行仿真,仿真结果表明通过有效的控制和分布式能源的合理调度,能够有效限制短路故障对系统造成危害,缩短短路时间,使整个直流配电网更加有效稳定地运行。

关键词：直流配电网,拓扑,混合式直流断路器,分布式电源,控制,模型,仿真

输配网网架结构优化问题研究 篇2

关键词：输配网,网架优化,结构算法

目前我国的电力系统正在稳步向前发展, 电网建设的规模也是越来越大, 庞大的电网系统使得电网的结构日益复杂, 从而也导致了电网系统的安全问题变得更加严重。为了保证我国电力系统的长足发展, 必须高度重视电网的结构安全问题。而且从目前的形势来看, 电力系统的经营和发展越来越与市场接轨, 正在一点点向企业化的经营模式迈进, 因而电力系统的投资成本也成为相关企业极为关注的一个问题, 而如何在保证电力供应的质量的同时还能够降低成本则成为电力企业的关注重点。网架优化问题是十分繁琐和复杂的, 其需要考虑的对象和研究的阶段都很多, 而且在网架优化的过程中遇到的不确定因素也很多, 需要相关的工作人员考虑全面。

1 输配网的网架结构要求

1.1 灵活性

提到输配网的网架结构, 首先应想到的就是网架结构的具体构造的灵活性, 这是一切优化改进的根本之所在。考虑到我国电力系统的现状, 电网建设的规模越来越大, 电网的结构也越来越复杂, 因而当对网架进行优化处理时, 首先需要考虑的就是构造的灵活性。此外, 工业的生产、人民的生活都离不开电力的供应, 这就更加要求电网的可靠程度要得到保障。与此同时, 经济的发展也促进了我国城市的建设, 城市的发展一旦加快, 就会对电力系统有更高的要求, 需要构建的输配网的网架也会更多, 这也要求了输配网的网架必须具备灵活机动的特点。

1.2 经济性

此外, 考虑到现在电力企业的企业性质和发展模式, 网架在优化改良的时候必须把经济性的原则放在极为重要的位置上。因此, 在建设网架时就需要选择性价比高的材料。

1.3 稳定性

对于网架的结构优化来说, 有很多原则需要遵守。因为我国目前大力倡导可持续发展, 所以在构建网架的时候, 必须要保证网架的耐用性能和稳定性能。经济发展是国民发展的命脉, 必须要高度重视, 而电力系统则为促进经济的发展做出了巨大的贡献, 更应该受到人们的关注。

1.4 承受能力

对于城市的电网来说, 因为其承担了城市居民较大的负载, 电力系统相对来说比较脆弱, 所以必须要加强电网方面的建设, 提高输配网的承受能力。考虑到城市的特殊性, 电网的网架还必须具备较强的抗干扰能力。城市的电力系统如果一旦瘫痪, 出现大范围的电力故障, 不仅仅使居民的生活受到困扰, 附近工厂的正常生产、企业公司的正常运行都会受到很大的影响, 带来极为严重的经济损失。

2 输配网的网架优化

2.1 优化原则

输配网的发展和配置水平不仅决定了输配网整体适应性的高低, 还决定了变电站的电网结构, 所以, 对输配网网架结构进行优化, 一定要遵循相应的原则, 在输配网网架结构优化过程中, 应遵循的原则有三种, 分别是:稳定性原则, 适应性原则, 以及可靠性原则。稳定性原则和适应性原则是前提和基础, 而可靠性原则是另一种需要考虑的原则范围。

可靠性原则是指:当电力需求提高时, 为了保证用户能够进行正常的作业、用电, 在线路出现一系列的问题时能够保障应急线路快速的应对响应突发情况。稳定原则是指:当线路的负载增加时, 运用合理的优化配置使得线路的电流分流增加, 从而提高线路的使用率。适应性原则指的是:通过各个地区不同的供电需求设计和分配适宜的供电系统和供电发展模式, 保证相应地区的输配网使用率达到较高水平, 增强供电能力。

2.2 优化内容

对于输配网的优化内容主要包括以下三个方面, 这三个方面分别是:对线路构成的分析, 对主干线路长宽的分析, 以及对相应的输配网网架的使用年限进行分析。对这三个优化内容进行分析, 能够对不同区域的主干线路的使用率以及使用状况进行合理的分析, 对供电线路的稳定性和输配网络的安全性能进行量化, 促进企业对输配网的后续布局和优化, 为企业提高线路的使用率, 降低线路的安全隐患奠定了坚实的基础。

3 输配网的网架优化的实施

3.1 高压输电网的网架优化

根据电网所能承受的最大电压的不同, 优化算法的实施方案也会有很大的差别。对于输电网来说, 如果它能承受的电压比较高, 那么优化算法的重点就要放在高低压的变电站之间的连接上。因为高压的输电网所用的变电站的数量比较少, 所用的变电站的位置也相对比较固定, 而且变电站的位置大多远离市中心, 所以线路连接起来也比较容易。

3.2 中低压配电网的网架优化

对于中、低压配电网来说, 其所用的变电站的位置大多在市区里面, 线路的分布也会受到街道排列的影响, 所以在实际的线路连接过程中会有很大的难度。这种类型的网架优化有它自己的独特性, 具体特点如下: 第一, 中、低压的配电网网架的运行方式为开环, 同时采用分阶段进行联络的方式;第二, 配电网需要承载的负载较多, 而且负载的分布相对不算集中;第三, 变电站的位置大多在市区内部, 线路规划会受到街道排列的影响。正是因为上述这些特点使得中低压配电网网架的优化明显不同与高压输电网。

4 结语

对于电力系统来说, 输配网的网架结构属于极为重要的一个组成部分, 而且平心而论, 目前我国在输配网网架的结构优化方面的水平还不够高, 只是初步应用了信息技术, 还有很多的局限和不足, 现阶段人工智能技术只是使数据的计算变得更加容易, 但是对于算法的挑选还是需要人工设定, 如何智能挑选算法也是今后需要进行研究的一个方向。除此之外, 我国对输配网网架问题的重视程度不够, 对输配网网架的研究力度也不够, 这些都导致了我国网架优化的水平不高。因此, 为了我国电力系统的整体发展, 必须高度重视对网架优化问题的研究。

参考文献

[1]陈小飞.萧山10k V输电网网架结构与经济性、可靠性分析研究[D].浙江大学, 2014.

折叠网壳结构的初步设计评述 篇3

折叠网壳结构是一种新型的空间网壳结构, 具有两种稳定状态:完全折叠状态和完全展开状态。完全折叠时, 折叠结构一般呈捆状, 体积较小, 便于储存和运输;需要时, 折叠结构可以展开到工作状态。在展开 (折叠) 过程中, 折叠结构为可变体系, 是机构;在完全展开状态, 折叠结构是几何不变体系, 可以承受荷载。结构在使用时可在现场迅速、方便地展开成型, 缩短了建造时间。因此在抢险救灾、物流仓储、临时营房等领域有着广阔的应用前景。1960年富勒提出勒折叠网架这种新型的结构形式, 同一时期西班牙建筑师E.P.Pinero成功地把折叠结构的概念应用于跨度为90 m的“可移动剧院”设计中。

为在野外能快速形成稳定的建筑空间, 同时可以重复使用而提出折叠网壳结构的设计, 折叠结构的初步设计包含结构的几何设计、结构选型、节点选择等。

1 折叠网壳的几何设计

折叠网壳结构的几何设计是结构设计的基础, 其主要内容是保证结构能够自由、方便、快速的折叠和伸展, 保证在两种工作状态下均有良好的力学性能。折叠结构的单元类型有剪式单元、可伸直杆单元、被动索单元、主动索单元、折板单元等。这些单元相互组合或与机构单元组合, 也可生成新折叠单元。如剪式单元可以与膜组合成新的工作单元, 与折叠板组合成新的工作单元;张力集成体系和折叠结构的概念结合形成一些新的可展单元类型, 使结构既具有张力集成体系的自支撑、自平衡等特性, 又具有折叠结构的特性。

可展结构单元中, 应用较成熟的是剪式单元 (见图1) , 由剪式单元和索可组成各种形式的二维及三维的结构单元。由剪式单元构成的可展结构其展开过程简洁, 并且可展效率高。

折叠网壳结构的几何设计要保证结构具有可展的性能需满足三个要求:表面的节点需位于几何曲面上, 可以使上下表面其中之一满足该要求;直梁的三个点需要共线;相邻剪式铰之间要满足可展的要求。折叠网壳结构三维单元满足协调条件为:

其中, a, b均是折叠单元厚度方向上的杆长度;c是折叠单元腹杆长度;α1是折叠单元厚度方向上杆之间的夹角;α2是折叠单元腹杆之间的夹角。

折叠网壳结构几何设计时, 首先确定一个方向的几何参数, 然后从内到外逐步设计。所以一般几何设计可遵循以下几个步骤[1]:1) 在几何表面划分网格, 初步确定网格的大小;2) 确定设计部分的未知坐标数;3) 确定设计部分的约束方程数;4) 检验是否满足可展的几何要求;5) 求解非线型方程。

由于要求折叠结构质量轻、截面尺寸小和跨度较大, 宜选用双层网格, 折叠单元为二维剪式铰来提高结构的稳定性。二维剪式铰结构可以采用两向网格或三向网格。圆柱型选用两向网格较合适, 而球壳选用三向网格合适。

2 折叠网壳的结构选型

对折叠网壳结构, 结构选型依据折叠结构获得几何稳定性可以分为外加锁式折叠网壳结构和几何自稳定式折叠网壳结构[2]。

2.1 外加锁式折叠网壳

外加锁式折叠网壳结构在结构展开过程中, 整体上是机构体系, 从收纳到展开的整个过程结构处于无应力状态。展开后外加锁约束, 使其变成静定或超静定的稳定结构。在大型的折叠结构中更加体现它的优势:1) 跨度变化灵活、机动, 如图2a) , 图2b) 所示结构的跨度可以随意改变, 只需要改变附加锁的长度。2) 施工方便, 由于折叠骨架在工厂制造好后, 在现场只需要加附加锁就可以应用。3) 可重复使用。

对于三维剪式单元组成的外加锁, 当网壳展开后需要添加一些支撑。如图2c) 所示, 在网壳展开以后, 添加3支撑, 在节点之间设置固定拉索1, 2, 机构变为结构。该类结构由于是在展开到预定跨度时, 在结构端部附加锁或其他约束而形成的结构, 可实现大跨度。

某研究所根据自锁式折叠网架结构的基本原理改进了剪式单元[3]。在单元两侧都增设钢丝绳, 使其成为稳定的受力构件, 发挥软索的抗拉性能, 避免因杆件中心钻孔造成的应力集中, 有效增加结构的整体刚度。

2.2 几何自稳定式折叠网壳

自锁剪铰式折叠结构本身可以实现展开形态后的自平衡。由剪铰以一定方式连接组成锁铰, 锁铰中每个杆件只有在展开状态和折叠状态时才与结构的几何状态相适应, 杆件应力为零。而在展开过程中其杆件弯曲变形储存外荷能量, 最后反方向释放掉 (见图3) 。状态1为展开的初始阶段, 状态2为杆件内应力较大阶段, 状态3为结构完全展开阶段[4]。

锁铰折叠单元可以构造出多种空间折叠网壳结构, 如图4所示为用四边锁铰构成的球面折叠网壳和柱面折叠网壳。自稳定式折叠网壳设计关键是控制杆件折展过程的应力变化。应力过小, 结构的特性不突出, 而不实用;应力太大, 折展过程中杆件屈服破坏。自稳定折叠网壳结构展开方便、迅速, 但其杆件承受外荷载能力低, 只适合于建造小跨度的结构。

3 折叠网壳节点选型

折叠网壳结构由于要考虑展开和收纳的过程, 使得节点的构造、性能和使用应具有如下的特点:1) 保证连接杆件的自由转动, 折展过程中没有较大的弯矩。2) 结构收纳状态下保证折叠结构呈严密的捆状, 以便保存。3) 具有可靠的传力性能, 能够有效的传递杆件传来的拉、压、剪荷载。4) 保证结构的稳定性和几何不变性。在折叠结构工程实践中, 产生了大量的节点形式。

目前应用的有毂节点、螺栓球节点、螺栓圆柱节点。毂节点属于非偏心节点, 便于储存, 与杆件方便连接。不足是节点构造复杂, 成本高。螺栓球节点及螺栓圆柱节点均属于偏心节点。因其偏心作用使得结构在承受竖向荷载时产生附加弯矩, 在伸出球或圆柱的螺杆产生剪应力。另外球壁厚而增加了节点重量。焊接钢板节点主要适用于弦杆呈两向布置的各类网架。

4 结语

本文基于折叠网壳的不同使用功能要求, 系统综述折叠网壳的各种结构形式、基本单元及节点种类, 全面评述折叠网壳结构初步设计中几何设计、结构选型、节点设计的步骤、设计的具体方法, 各个设计过程中的控制因素, 并总结各种形式的节点或结构形式以及单元形式的优缺点及适用范围。建议对应于不同的结构功能要求而进行折叠结构初步设计, 为折叠网壳结构的设计提供技术参考及理论基础。

参考文献

[1]陈向阳, 关富玲, 陈务军, 等.复杂剪式铰结构的几何分析和设计[J].空间结构, 1998, 4 (1) :45-51.

[2]刘锡良.现代空间结构[M].天津:天津大学出版社, 2003.

[3]向华.折叠式网壳帐篷结构的足尺试验研究[D].西安:长安大学硕士学位论文, 2004.

[4]张毅刚.大跨空间结构[M].北京:机械工业出版社, 2005.

浅谈配电网的类别及结构 篇4

配电网按电压等级分, 有高压配电网、中压配电网、低压配电网、电缆配电网;按所在地域或服务对象分, 有城市配电网和农村配电网;按配电线路型式分, 有架空配电网和电线配电网。不同电压等级的配电网络之间通过变压器连接成一个整体配电系统。

1.1高压配电网。高压配电网的功能是从上一级电源接受电能后, 可以直接向高压用户供电, 也可以通过变压为下一级中压配电网提供电源。高压配电网容量大、负荷重、负荷节点少、重要性较高。高压配电网的电压等级分为110kv、63kv、35kv三个标准, 一般城市配电网采用110k V作为高压配电电压, 在特定供电区63k V作为高压配电电压, 少数地区却以110kv和35k V两种电压等级并存。由于高压配电网要求有高供电可靠性, 所以高压配电变电所的进线通常至少有两回, 每回线来自不同电源点或同一电源点的不同母线段, 也可以采用将几个配电变电所的电源进线串接成环形的接线方式。高压配电变电所一般配置两台或两台以上同容量的主变压器, 其容量与电源进线容量相配合, 主变压器正常运行的利用率是以在一台主变压器停运后, 其余主变压器的短期过负荷能力和变压器二次侧母线上备用联络线所能提供的容量来决定的。配电变电所增加进线回路、相应的变压器台数以及备用联络线容量, 均可以提高主变压器利用率。只有一台变压器的配电变电所, 必须设法提高其二次侧母线上的联络容量。1.2中压配电网。中压配电网的功能是从输电网或高压配电网接受电能, 向中压用户供电, 或向备用电小区负荷中心的配电变电所供电, 再经过变压后向下一组低压配电网提供电源。中压配电网具有供电面广、容量大、配电点多等特点。配电网的形成和发展是从低压到中压, 最后到高压配电网。中压配电网的电压等级也是随着电网的发展和负荷的增长, 从较低电压开始逐步发展较高的电压等级。在我国, 中压配电网采用10kv为标准额定电压, 个别地区还没有6kv电压, 主要用于专用负荷。1.3低压配电网。低压配电网的功能是以中压配电变压器为电源, 将电能通过低压配电线路直接输送给用户。低压配电网的低压配电线路供电距离较近, 低压电源点较多, 一台中压变压器就可作为一个低压配电网的电源, 两个电源之间的距离通常不超过数百米。低压配电线路供电容量不大, 但分布面广, 除少量集中用电的用户外, 大量是供给城乡居民生活用电及分散的街道照明用电等。低压配电网逐渐采用比较经济的三相四线制、单相 (照明、家用电器等) 和子相 (动力) 混合系统。我国规定采用单相220v、三相380v的低压额定电压。低压配电网负荷多而分散, 一般情况下, 用电量较小, 负荷重要性较低, 停电后影响相对较小, 不一定配置备用电源。但对于负荷密度较高, 一旦停电将造成严重影响的地区, 除要求不停电作业外, 还要在接线上考虑检修造成停电的机会。1.4电缆配电网。电线配电网是指以地下配电电缆线路和配电变电所组成的向用户供电的配电网。电缆配电网与架空配电网的功能相同, 但电缆的建设和运行费用昂贵, 因此只为城市景观需求政府规定不准架设架空线和架空走廊有困难的地方, 以及负荷密度高、用架空线不能满足要求时, 才采用电缆线路。原来采用架空配电网的城市, 在发展过程中, 随着负荷密度增高, 会逐步增加电线线路的比重, 并趋向将架空线入地, 成为电线配电网。

2配电网结构

配电网络结构型式基本上分为放射式和网式两大类型。在放射式结构中, 电能只能通过单一路径从电源点送至用电点;在网式结构中, 电能可以通过两个及以上的路径从电源点送至用电点。网式结构又可分为多回线式、环式和网络式三种。

2.1放射式配电网。一路配电线路自配电变电所引出, 按负荷的分布情况, 呈放射状延伸出去, 分布于整个供电区域, 所有用电点的电能只能通过单一的路径供给, 放射式配电网的优点是设施简单、运行维护方便、设备费用低、适用于低负荷密度地区和一级的照明、动力负荷供电。只要不超过线路的额定容量并满足电压质量要求, 放射式的配电线路就可以逐步延伸, 以适应新增加的用电负荷的需要。放射式配电网的缺点是供电可靠性低, 一旦配电设施有故障就会造成大量用户停电。为了弥补这一缺点, 部分用户可以视其对供电可靠性要求的不同, 从邻近配电网取得适当容量的备用电源。在中压和低压的放射式配电网中, 通常还装设分段断路器将线路分成适当的区段, 而且在适当的分段处与相邻线路之间装设联络断路器, 使得放射式配电线路发生故障时的停电区段缩小, 或将部分非故障区段切换到相邻线路, 以保证继续供电。这种形式连接的放射式结构在城市的中、低压配电网中使用较多。2.2多回线式配电网。多回配电线路 (一般是平行敷设的) 自配变电所引出接到受电端, 正常时各条配电线路并列运行, 平均分担全部负荷, 当一条配电线路有故障时, 可自动将其切断隔离, 其余的配电线路有足够容量承担全部负荷。多回线式配电网至少有两回配电线路, 但一般为3-4路或更多回路。多回线式配电网比放射式配电网可靠性高, 一回配电线路故障时, 不会造成用户停电, 有需要时还可达到在第二回配电线路故障时不使用户停电的要求。2.3环式配电网。配电变电所引出的配电线路连接成环形, 每个用电点自环上不同部位接出, 简单的环式配电网是两回配电线路自同一 (或不同) 配电变电所的母线引出, 利用联络断路器 (或分段断路器) 连接成环, 每个用电点自环上T形或H形支接。当环路上某区段发生故障时, 利用分段断路器切换隔离后, 其他区段上的负荷可继续供电, 这是环式配电网的特点。将联络断路器经常断开, 只有当某区段发生故障或停电作业时才倒换闭合的运行方式称为常开环路方式;而将联络断路器经常闭合的运行方式称为常闭环路方式。闭环运行增加装置的复杂性, 但可改善配电网内电流分布, 减少电压降和功率损耗。环式配电网的主要缺点是:若不配置自动化装置, 当线路某一区段发生故障时, 此线路将全部停电, 要先逐段查出故障点, 经隔离后才能恢复供电。2.4网络式配电网。自配电变电所的同一母线引出多回中压配电线路 (一般至少三路) , 配电线路上的各配电变压器低压侧均连接在一起, 形成网络布置, 用电点都自网上接出, 任何一回配电线路或变压器停电时, 用电负荷不会停电。网格式配电网又可分为格网式配电网和点网式配电网两种。2.4.1格网式配电网。用于大城市的低压电缆配电网, 由来自同一电源但不同配电线路的多台变压器的低压电网并联或通过熔断器并联组成, 低压电缆故障时, 瞬时电压下降, 但不影响供电。中压电缆故障时, 电源侧断路器跳闸, 配电变压器的低压侧断路器由反馈的励磁电流使逆功率保护动作跳闸, 实现从高、低压两侧隔离故障, 格网仍维持供电。格网式配电网供电可靠性高, 线损小, 电压质量好, 但保护复杂, 建设费用高。2.4.2点网式配电冈。适用于大城市较大的集中负荷 (如大楼、工厂等) , 由来自同一电源的多回配电线路 (一般是三回) 供电。用电点的每台配电变压器分别接到一回配电线路上, 各变压器的低压侧连接到共同的母线上, 用电负荷自此低压母线上接出, 通常每回配电线路上还直接有本地区的其他点网式供电用户。点网式配电网在运行中, 各配电变压器低压侧并联, 平均分担负荷, 电压变动小, 一台变压器回路故障时, 不会造成停电, 供电可靠性高。但其保护配置比较复杂, 低压侧要装设较灵敏的网络保护器, 而且低压侧的短路容量较大, 因此点网式配电网的容量不能建得太大。

参考文献

[1]章文俊, 程浩忠.配电网优化规划研究综述[J].电力系统及其自动化学报, 2008 (5) .