分布式環(huán)形飛機配電系統設計

摘要：飛機配電系統是現代飛機重要組成部分，對先進(jìn)飛機配電系統的研究能夠提高飛機的供電質(zhì)量、飛機完成任務(wù)的概率以及飛機自身的安全性，減少體積重量及全周期費用。以X型飛機作為平臺進(jìn)行研究，根據其電氣系統的特點(diǎn)，進(jìn)行了詳細的需求分析，確立了總體的設計方案，提出了一種開(kāi)環(huán)運行的分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò )，并在設計中采用了一種新的線(xiàn)路保護方案即配電線(xiàn)路無(wú)通道自動(dòng)繼電保護技術(shù)，很好地解決了目前各種飛機配電系統存在的問(wèn)題，大大提高了飛機配電系統的可靠性和安全性。
關(guān)鍵詞：飛機配電系統；分布式環(huán)形配電；容錯；余度供電

飛機配電系統是飛機供電系統的一個(gè)重要組成部分，由電網(wǎng)、配電裝置和電網(wǎng)保護裝置組成，其功能是實(shí)現電能的傳輸、分配和管理。到目前為止，國內外飛機的配電系統經(jīng)歷了3種結構形式的變化：常規配電系統、遙控配電系統和電氣多路傳輸的飛機配電系統。常規配電系統中，它要求饋電線(xiàn)必須先從發(fā)電機敷設到駕駛艙，再從駕駛艙返回到機身的負載。因此，其主饋電線(xiàn)長(cháng)而且重，需要大量的斷路器、開(kāi)關(guān)
和指示燈，使得飛機駕駛艙內十分擁擠，給維護和檢修工作帶來(lái)很大困難。遙控配電系統采用對不用于座艙的那部分電力進(jìn)行遙控的方法，配電中心位于機身中部，采用遙控斷路器來(lái)轉換負載和配電線(xiàn)，由于大部分電力線(xiàn)不需要敷設到駕駛艙，因而可大大減輕電網(wǎng)重量，但這種配電系統還是一種集中式的結構，存在離散控制線(xiàn)過(guò)多、自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題。電氣多路傳輸系統是一種計算機控制的分布式配電系統，它由數據處理機、總線(xiàn)、發(fā)電機控制裝置、匯流條管理器、負載管理中心、遠置終端、固態(tài)功率控制器、控制顯示負載裝置等部件組成。這種配電系統主要具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1)采用分布式配電，極大減輕配電系統的重量；2)計算機控制技術(shù)的應用，減輕了飛行人員的操作負擔，自動(dòng)化程度較高；3)系統具有較強的容錯和重構能力。但該系統仍存在著(zhù)以下缺點(diǎn)：1)這種容錯和重構能力是沒(méi)有冗余的，在總線(xiàn)被破壞后便喪失；2)其分布式的配電只是相對而言的，分布程度由匯流條管理器的分布和數量決定。針對電氣多路傳輸系統存在的問(wèn)題，對飛機配電系統進(jìn)行研究。本文所研究的新型配電系統采用的是分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò )，而且配電線(xiàn)路無(wú)通道自動(dòng)繼電保護技術(shù)的利用能夠快速恢復非故障區的供電，很好地解決了電氣多路傳輸技術(shù)中存在的問(wèn)題。

1 配電系統總體方案的設計
在充分借鑒和吸收國外先進(jìn)飛機配電系統的技術(shù)的基礎上，針對X型飛機的特點(diǎn)和技術(shù)要求，進(jìn)行分析和論證，從而確立總體的設計方案。配電系統由開(kāi)環(huán)運行的分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò )和配電線(xiàn)路無(wú)通道保護繼電器(DAP)構成。配電系統的開(kāi)環(huán)處設置環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)，用以實(shí)現配電網(wǎng)絡(luò )的重構。在配電線(xiàn)路負載連結點(diǎn)兩側設置斷路器和保護繼電器，用以實(shí)現故障隔離。本文研究過(guò)程中視上述裝置和組件完全可靠。分布式環(huán)形配電方案如圖1所示。



2 用電設備的接入
隨著(zhù)航空技術(shù)的不斷發(fā)展，機載用電設備的種類(lèi)和數量也在不斷增加。按照其所實(shí)現的特定功能，飛機上的用電設備可以分為以下幾類(lèi)：
1)發(fā)動(dòng)機和飛機的操縱控制設備，如發(fā)動(dòng)機的起動(dòng)、噴油、點(diǎn)火設備，發(fā)動(dòng)機推力或轉速控制設備，飛機儀表、飛行控制、導航、通信和燃油控制供給設備，起落架收放和艙門(mén)啟閉系統等；
2)機上人員工作和生活設備，如座艙環(huán)境控制系統、照明與加溫設備、氧氣設備、安全與救生設備等；
3)完成任務(wù)所需的設備，這與飛機的類(lèi)型、用途有關(guān)，如軍用飛機有火力控制設備、投彈瞄準設備、照明偵察設備等，民用飛機有客艙照明和廚房設備等。
用電設備一般按照其實(shí)現功能的性質(zhì)及其重要性進(jìn)行分類(lèi)，以確定其獲得電能的質(zhì)量要求和優(yōu)先等級。按其重要性分可分為3類(lèi)：1)關(guān)鍵用電設備，為保證飛機飛行安全所必需的用電設備。在飛機上飛行關(guān)鍵負載都是冗余的，單個(gè)負載的失效不會(huì )導致系統功能的損失，也不會(huì )對飛機造成威脅；2)重要用電設備，為完成特定飛行任務(wù)所需的用電設備。如機上的雷達設備、通信設備等。飛機上的多數電氣負載都屬于重要用電設備，大多數的重要用電設備是硬件冗余或功能冗余的；3)一般用電設備，飛機上除了關(guān)鍵用電設備和重要用電設備之外的用電設備，如照相閃光燈裝置、尾翼防冰裝置等。
根據X型飛機的平臺系統資料，考慮其負載的供電類(lèi)型以及負載的大小，并結合負載所在的位置，將其主要的用電設備接入配電網(wǎng)中，如圖2所示。圖中虛線(xiàn)框設備為關(guān)鍵用電設備，并采用雙線(xiàn)供電方式。



3 多電源接入點(diǎn)的確定
配電系統網(wǎng)絡(luò )結構形式對整個(gè)電氣系統的體積和重量、繼電器的數量與位置、容錯的等級以及供電系統的穩定性和可靠性都有重要的影響。因此，求解一個(gè)較優(yōu)的容錯供電系統拓撲是配電系統研究中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。按照先進(jìn)飛機系統航空電子計劃的要求，現代飛機要求供電系統在發(fā)生1次故障時(shí)，仍能向任一機上用電設備供電；在發(fā)生2次故障時(shí)，仍能向任一重要用電設備供電；在發(fā)生3次故障時(shí)，仍能向任一關(guān)鍵用電設備供電。這些故障可能發(fā)生在同一供電通道的不同元件上，也可能發(fā)生在不同供電通道上，也可能是上述兩種情況的組合。由此可見(jiàn)，只有四余度的供電系統才能滿(mǎn)足容錯供電的要求。
該平臺機型的直流主電源系統由4臺發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的8臺直流發(fā)電機及其控制裝置構成，單機容量12 kW。交流主電源系統由4臺發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的4臺單相交流發(fā)電機及其控制裝置構成，單機容量lO kW。二次電源系統由2臺單相變流器和l臺三相變流器構成。應急電源由4、5號直流發(fā)電機和4組蓄電池構成。直流配電網(wǎng)絡(luò )電壓為28．5 V，由主電路、備用電路和應急電路3部分組成。蓄電池供電時(shí)，網(wǎng)絡(luò )電壓為24 V。配電采用單線(xiàn)制，飛機機體作為負線(xiàn)回路。單相交流配電網(wǎng)絡(luò )電壓115 V／400 Hz，由主電路和應急電路組成。配電采用單線(xiàn)制，飛機機體作為負線(xiàn)回路。三相交流配電網(wǎng)絡(luò )電壓36 V／400 Hz，三線(xiàn)制供電，飛機機體作為中線(xiàn)回路。由于該機載設備主要以直流形式用電，因此本文主要研究其直流配電系統。
本文將采用多電源分組并聯(lián)的接入方式來(lái)實(shí)現容錯要求。分組并聯(lián)供電運行方式是指主電源正常運行時(shí)，發(fā)電機分組并聯(lián)，各并聯(lián)組之間又可以轉換供電運行方式。這種運行方式的優(yōu)點(diǎn)是：1)電氣負載在并聯(lián)發(fā)電機之間均勻分配，發(fā)電機的容量得到充分利用；2)一臺發(fā)電機故障，不會(huì )引起用電設備斷電和供電中斷，提高了供電可靠性；3)系統容量大，大功率用電設備的通斷造成的擾動(dòng)??；4)并聯(lián)組之間可以相互轉換，便于實(shí)現故障隔離和系統重構。
通過(guò)對該型飛機相關(guān)負載的詳細分析，結合上述內容和發(fā)電機機上安裝位置，從而確定8臺發(fā)電機和4組蓄電池的接入點(diǎn)(圖2)，在發(fā)電機和蓄電池與匯流條之間設置斷路器和DAP，以實(shí)現容錯供電和故障隔離。
圖2中，A、B兩根匯流條對前艙關(guān)鍵用電設備進(jìn)行供電，稱(chēng)之為重要匯流條。重要匯流條供電是保證重要設備獲得電能的供電路徑，飛機上任何通道的主電源都能向重要匯流條供電。對可以轉換供電方式的供電系統，其某一個(gè)主電源發(fā)生故障，與該電源連接的重要匯流條將自動(dòng)轉換到其他正常運行的發(fā)電機供電端。對并聯(lián)供電運行方式的系統，只要飛機還有一臺主電源正常，則重要匯流條仍應具有供電能力。此時(shí)，非重要用電設備則要自動(dòng)或手動(dòng)卸載，以保證重要設備的用電需求。圖中匯流條C即為應急匯流條，它是保證關(guān)鍵設備獲得電能的供電路徑，機上任何電源都能向應急匯流條進(jìn)行供電。當主電源全部失效時(shí)，需工作的關(guān)鍵用電設備將自動(dòng)轉換到應急匯流條，以獲得電能。
由上可知，圖中關(guān)鍵用電設備均各有兩套獨立的電源F2和F5、F3和F8對其進(jìn)行供電，F1、F4、F6、F7為備用電源，當主電源和備用電源均失效時(shí)，應急電源蓄電池保證對其供電?，F就前艙局部電網(wǎng)來(lái)說(shuō)：
1)若F5的輸電線(xiàn)路短路，斷路器1應動(dòng)作，隔離配電網(wǎng)與短路點(diǎn)，A，B線(xiàn)路上的其他斷路器應不動(dòng)作。F2與斷路器5具有相同的工作原理；
2)若線(xiàn)路A短路，斷路器2和3應動(dòng)作，隔離短路點(diǎn)，線(xiàn)路上的其他斷路器應不動(dòng)作；
3)若線(xiàn)路B短路，斷路器3和4應動(dòng)作，隔離短路點(diǎn)，線(xiàn)路上的其他斷路器應不動(dòng)作；
4)若F2、F5停止供電，則前端環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)應閉合，利用F1、F4、F6和F7實(shí)現對前艙用電設備的供電；
5)若F1、F2、F4、F5、F6和F7都停止供電，則后端環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)應閉合，利用F3和F8實(shí)現對前艙用電設備的供電；
6)若所有發(fā)電機都停止供電，6號無(wú)通道保護繼電器在感受到A、B匯流條上無(wú)電壓時(shí)將自動(dòng)接通1號環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)，由應急電源蓄電池實(shí)現對前艙關(guān)鍵用電設備的供電。以上斷路器及環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作均由配電線(xiàn)路無(wú)通道保護系統(DAP)自動(dòng)控制，在此不作詳細介紹。
綜上所述，前艙的關(guān)鍵用電設備達到了四余度的供電要求。同時(shí)，相關(guān)的任務(wù)系統等重要用電設備采用三余度供電方式，由2套主電源和1套備用電源供電，用電設備的供電通道可選擇。尾翼防冰等一般用電設備由主電源供電，一套主電源故障時(shí)可以轉換到另一套主電源供電。

4 結束語(yǔ)
本文所研究的分布式環(huán)形飛機配電系統具有可靠性高，維修性好，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，并很好地解決了電氣多路傳輸技術(shù)中存在的問(wèn)題，使其在未來(lái)的航空工業(yè)中具有很好的發(fā)展前景。在今后的研究工作中，將依據此分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，建立可靠性模型并采用合理的算法進(jìn)行分析計算，驗證其對關(guān)鍵用電設備、重要用電設備和一般用電設備的供電可靠性是否達到規定的要求。