分布式環(huán)形飛機(jī)配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：飛機(jī)配電系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)重要組成部分，對(duì)先進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)的研究能夠提高飛機(jī)的供電質(zhì)量、飛機(jī)完成任務(wù)的概率以及飛機(jī)自身的安全性，減少體積重量及全周期費(fèi)用。以X型飛機(jī)作為平臺(tái)進(jìn)行研究，根據(jù)其電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了詳細(xì)的需求分析，確立了總體的設(shè)計(jì)方案，提出了一種開環(huán)運(yùn)行的分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)，并在設(shè)計(jì)中采用了一種新的線路保護(hù)方案即配電線路無通道自動(dòng)繼電保護(hù)技術(shù)，很好地解決了目前各種飛機(jī)配電系統(tǒng)存在的問題，大大提高了飛機(jī)配電系統(tǒng)的可靠性和安全性。
關(guān)鍵詞：飛機(jī)配電系統(tǒng)；分布式環(huán)形配電；容錯(cuò)；余度供電

飛機(jī)配電系統(tǒng)是飛機(jī)供電系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，由電網(wǎng)、配電裝置和電網(wǎng)保護(hù)裝置組成，其功能是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配和管理。到目前為止，國內(nèi)外飛機(jī)的配電系統(tǒng)經(jīng)歷了3種結(jié)構(gòu)形式的變化：常規(guī)配電系統(tǒng)、遙控配電系統(tǒng)和電氣多路傳輸?shù)娘w機(jī)配電系統(tǒng)。常規(guī)配電系統(tǒng)中，它要求饋電線必須先從發(fā)電機(jī)敷設(shè)到駕駛艙，再從駕駛艙返回到機(jī)身的負(fù)載。因此，其主饋電線長而且重，需要大量的斷路器、開關(guān)
和指示燈，使得飛機(jī)駕駛艙內(nèi)十分擁擠，給維護(hù)和檢修工作帶來很大困難。遙控配電系統(tǒng)采用對(duì)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(jī)身中部，采用遙控?cái)嗦菲鱽磙D(zhuǎn)換負(fù)載和配電線，由于大部分電力線不需要敷設(shè)到駕駛艙，因而可大大減輕電網(wǎng)重量，但這種配電系統(tǒng)還是一種集中式的結(jié)構(gòu)，存在離散控制線過多、自動(dòng)化程度不高等問題。電氣多路傳輸系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)控制的分布式配電系統(tǒng)，它由數(shù)據(jù)處理機(jī)、總線、發(fā)電機(jī)控制裝置、匯流條管理器、負(fù)載管理中心、遠(yuǎn)置終端、固態(tài)功率控制器、控制顯示負(fù)載裝置等部件組成。這種配電系統(tǒng)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(tǒng)的重量；2)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，減輕了飛行人員的操作負(fù)擔(dān)，自動(dòng)化程度較高；3)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)和重構(gòu)能力。但該系統(tǒng)仍存在著以下缺點(diǎn)：1)這種容錯(cuò)和重構(gòu)能力是沒有冗余的，在總線被破壞后便喪失；2)其分布式的配電只是相對(duì)而言的，分布程度由匯流條管理器的分布和數(shù)量決定。針對(duì)電氣多路傳輸系統(tǒng)存在的問題，對(duì)飛機(jī)配電系統(tǒng)進(jìn)行研究。本文所研究的新型配電系統(tǒng)采用的是分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)，而且配電線路無通道自動(dòng)繼電保護(hù)技術(shù)的利用能夠快速恢復(fù)非故障區(qū)的供電，很好地解決了電氣多路傳輸技術(shù)中存在的問題。

1 配電系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)
在充分借鑒和吸收國外先進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)的技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)X型飛機(jī)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(shè)計(jì)方案。配電系統(tǒng)由開環(huán)運(yùn)行的分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)和配電線路無通道保護(hù)繼電器(DAP)構(gòu)成。配電系統(tǒng)的開環(huán)處設(shè)置環(huán)網(wǎng)開關(guān)，用以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。在配電線路負(fù)載連結(jié)點(diǎn)兩側(cè)設(shè)置斷路器和保護(hù)繼電器，用以實(shí)現(xiàn)故障隔離。本文研究過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(shè)備的接入
隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)載用電設(shè)備的種類和數(shù)量也在不斷增加。按照其所實(shí)現(xiàn)的特定功能，飛機(jī)上的用電設(shè)備可以分為以下幾類：
1)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的操縱控制設(shè)備，如發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、噴油、點(diǎn)火設(shè)備，發(fā)動(dòng)機(jī)推力或轉(zhuǎn)速控制設(shè)備，飛機(jī)儀表、飛行控制、導(dǎo)航、通信和燃油控制供給設(shè)備，起落架收放和艙門啟閉系統(tǒng)等；
2)機(jī)上人員工作和生活設(shè)備，如座艙環(huán)境控制系統(tǒng)、照明與加溫設(shè)備、氧氣設(shè)備、安全與救生設(shè)備等；
3)完成任務(wù)所需的設(shè)備，這與飛機(jī)的類型、用途有關(guān)，如軍用飛機(jī)有火力控制設(shè)備、投彈瞄準(zhǔn)設(shè)備、照明偵察設(shè)備等，民用飛機(jī)有客艙照明和廚房設(shè)備等。
用電設(shè)備一般按照其實(shí)現(xiàn)功能的性質(zhì)及其重要性進(jìn)行分類，以確定其獲得電能的質(zhì)量要求和優(yōu)先等級(jí)。按其重要性分可分為3類：1)關(guān)鍵用電設(shè)備，為保證飛機(jī)飛行安全所必需的用電設(shè)備。在飛機(jī)上飛行關(guān)鍵負(fù)載都是冗余的，單個(gè)負(fù)載的失效不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功能的損失，也不會(huì)對(duì)飛機(jī)造成威脅；2)重要用電設(shè)備，為完成特定飛行任務(wù)所需的用電設(shè)備。如機(jī)上的雷達(dá)設(shè)備、通信設(shè)備等。飛機(jī)上的多數(shù)電氣負(fù)載都屬于重要用電設(shè)備，大多數(shù)的重要用電設(shè)備是硬件冗余或功能冗余的；3)一般用電設(shè)備，飛機(jī)上除了關(guān)鍵用電設(shè)備和重要用電設(shè)備之外的用電設(shè)備，如照相閃光燈裝置、尾翼防冰裝置等。
根據(jù)X型飛機(jī)的平臺(tái)系統(tǒng)資料，考慮其負(fù)載的供電類型以及負(fù)載的大小，并結(jié)合負(fù)載所在的位置，將其主要的用電設(shè)備接入配電網(wǎng)中，如圖2所示。圖中虛線框設(shè)備為關(guān)鍵用電設(shè)備，并采用雙線供電方式。



3 多電源接入點(diǎn)的確定
配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)的體積和重量、繼電器的數(shù)量與位置、容錯(cuò)的等級(jí)以及供電系統(tǒng)的穩(wěn)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(cuò)供電系統(tǒng)拓?fù)涫桥潆娤到y(tǒng)研究中需要解決的關(guān)鍵問題之一。按照先進(jìn)飛機(jī)系統(tǒng)航空電子計(jì)劃的要求，現(xiàn)代飛機(jī)要求供電系統(tǒng)在發(fā)生1次故障時(shí)，仍能向任一機(jī)上用電設(shè)備供電；在發(fā)生2次故障時(shí)，仍能向任一重要用電設(shè)備供電；在發(fā)生3次故障時(shí)，仍能向任一關(guān)鍵用電設(shè)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，只有四余度的供電系統(tǒng)才能滿足容錯(cuò)供電的要求。
該平臺(tái)機(jī)型的直流主電源系統(tǒng)由4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的8臺(tái)直流發(fā)電機(jī)及其控制裝置構(gòu)成，單機(jī)容量12 kW。交流主電源系統(tǒng)由4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的4臺(tái)單相交流發(fā)電機(jī)及其控制裝置構(gòu)成，單機(jī)容量lO kW。二次電源系統(tǒng)由2臺(tái)單相變流器和l臺(tái)三相變流器構(gòu)成。應(yīng)急電源由4、5號(hào)直流發(fā)電機(jī)和4組蓄電池構(gòu)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(yīng)急電路3部分組成。蓄電池供電時(shí)，網(wǎng)絡(luò)電壓為24 V。配電采用單線制，飛機(jī)機(jī)體作為負(fù)線回路。單相交流配電網(wǎng)絡(luò)電壓115 V／400 Hz，由主電路和應(yīng)急電路組成。配電采用單線制，飛機(jī)機(jī)體作為負(fù)線回路。三相交流配電網(wǎng)絡(luò)電壓36 V／400 Hz，三線制供電，飛機(jī)機(jī)體作為中線回路。由于該機(jī)載設(shè)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(tǒng)。
本文將采用多電源分組并聯(lián)的接入方式來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)要求。分組并聯(lián)供電運(yùn)行方式是指主電源正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)分組并聯(lián)，各并聯(lián)組之間又可以轉(zhuǎn)換供電運(yùn)行方式。這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是：1)電氣負(fù)載在并聯(lián)發(fā)電機(jī)之間均勻分配，發(fā)電機(jī)的容量得到充分利用；2)一臺(tái)發(fā)電機(jī)故障，不會(huì)引起用電設(shè)備斷電和供電中斷，提高了供電可靠性；3)系統(tǒng)容量大，大功率用電設(shè)備的通斷造成的擾動(dòng)??；4)并聯(lián)組之間可以相互轉(zhuǎn)換，便于實(shí)現(xiàn)故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)。
通過對(duì)該型飛機(jī)相關(guān)負(fù)載的詳細(xì)分析，結(jié)合上述內(nèi)容和發(fā)電機(jī)機(jī)上安裝位置，從而確定8臺(tái)發(fā)電機(jī)和4組蓄電池的接入點(diǎn)(圖2)，在發(fā)電機(jī)和蓄電池與匯流條之間設(shè)置斷路器和DAP，以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)供電和故障隔離。
圖2中，A、B兩根匯流條對(duì)前艙關(guān)鍵用電設(shè)備進(jìn)行供電，稱之為重要匯流條。重要匯流條供電是保證重要設(shè)備獲得電能的供電路徑，飛機(jī)上任何通道的主電源都能向重要匯流條供電。對(duì)可以轉(zhuǎn)換供電方式的供電系統(tǒng)，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(zhuǎn)換到其他正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)供電端。對(duì)并聯(lián)供電運(yùn)行方式的系統(tǒng)，只要飛機(jī)還有一臺(tái)主電源正常，則重要匯流條仍應(yīng)具有供電能力。此時(shí)，非重要用電設(shè)備則要自動(dòng)或手動(dòng)卸載，以保證重要設(shè)備的用電需求。圖中匯流條C即為應(yīng)急匯流條，它是保證關(guān)鍵設(shè)備獲得電能的供電路徑，機(jī)上任何電源都能向應(yīng)急匯流條進(jìn)行供電。當(dāng)主電源全部失效時(shí)，需工作的關(guān)鍵用電設(shè)備將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到應(yīng)急匯流條，以獲得電能。
由上可知，圖中關(guān)鍵用電設(shè)備均各有兩套獨(dú)立的電源F2和F5、F3和F8對(duì)其進(jìn)行供電，F(xiàn)1、F4、F6、F7為備用電源，當(dāng)主電源和備用電源均失效時(shí)，應(yīng)急電源蓄電池保證對(duì)其供電?，F(xiàn)就前艙局部電網(wǎng)來說：
1)若F5的輸電線路短路，斷路器1應(yīng)動(dòng)作，隔離配電網(wǎng)與短路點(diǎn)，A，B線路上的其他斷路器應(yīng)不動(dòng)作。F2與斷路器5具有相同的工作原理；
2)若線路A短路，斷路器2和3應(yīng)動(dòng)作，隔離短路點(diǎn)，線路上的其他斷路器應(yīng)不動(dòng)作；
3)若線路B短路，斷路器3和4應(yīng)動(dòng)作，隔離短路點(diǎn)，線路上的其他斷路器應(yīng)不動(dòng)作；
4)若F2、F5停止供電，則前端環(huán)網(wǎng)開關(guān)應(yīng)閉合，利用F1、F4、F6和F7實(shí)現(xiàn)對(duì)前艙用電設(shè)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)開關(guān)應(yīng)閉合，利用F3和F8實(shí)現(xiàn)對(duì)前艙用電設(shè)備的供電；
6)若所有發(fā)電機(jī)都停止供電，6號(hào)無通道保護(hù)繼電器在感受到A、B匯流條上無電壓時(shí)將自動(dòng)接通1號(hào)環(huán)網(wǎng)開關(guān)，由應(yīng)急電源蓄電池實(shí)現(xiàn)對(duì)前艙關(guān)鍵用電設(shè)備的供電。以上斷路器及環(huán)網(wǎng)開關(guān)的動(dòng)作均由配電線路無通道保護(hù)系統(tǒng)(DAP)自動(dòng)控制，在此不作詳細(xì)介紹。
綜上所述，前艙的關(guān)鍵用電設(shè)備達(dá)到了四余度的供電要求。同時(shí)，相關(guān)的任務(wù)系統(tǒng)等重要用電設(shè)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(shè)備的供電通道可選擇。尾翼防冰等一般用電設(shè)備由主電源供電，一套主電源故障時(shí)可以轉(zhuǎn)換到另一套主電源供電。

4 結(jié)束語
本文所研究的分布式環(huán)形飛機(jī)配電系統(tǒng)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)中存在的問題，使其在未來的航空工業(yè)中具有很好的發(fā)展前景。在今后的研究工作中，將依據(jù)此分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立可靠性模型并采用合理的算法進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證其對(duì)關(guān)鍵用電設(shè)備、重要用電設(shè)備和一般用電設(shè)備的供電可靠性是否達(dá)到規(guī)定的要求。