分布式環(huán)形飛機配電系統(tǒng)設(shè)計

摘要：飛機配電系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機重要組成部分，對先進飛機配電系統(tǒng)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型飛機作為平臺進行研究，根據(jù)其電氣系統(tǒng)的特點，進行了詳細的需求分析，確立了總體的設(shè)計方案，提出了一種開環(huán)運行的分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)，并在設(shè)計中采用了一種新的線路保護方案即配電線路無通道自動繼電保護技術(shù)，很好地解決了目前各種飛機配電系統(tǒng)存在的問題，大大提高了飛機配電系統(tǒng)的可靠性和安全性。
關(guān)鍵詞：飛機配電系統(tǒng)；分布式環(huán)形配電；容錯；余度供電

飛機配電系統(tǒng)是飛機供電系統(tǒng)的一個重要組成部分，由電網(wǎng)、配電裝置和電網(wǎng)保護裝置組成，其功能是實現(xiàn)電能的傳輸、分配和管理。到目前為止，國內(nèi)外飛機的配電系統(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)電機敷設(shè)到駕駛艙，再從駕駛艙返回到機身的負(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，使得飛機駕駛艙內(nèi)十分擁擠，給維護和檢修工作帶來很大困難。遙控配電系統(tǒng)采用對不用于座艙的那部分電力進行遙控的方法，配電中心位于機身中部，采用遙控斷路器來轉(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、自動化程度不高等問題。電氣多路傳輸系統(tǒng)是一種計算機控制的分布式配電系統(tǒng)，它由數(shù)據(jù)處理機、總線、發(fā)電機控制裝置、匯流條管理器、負(fù)載管理中心、遠置終端、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：1)采用分布式配電，極大減輕配電系統(tǒng)的重量；2)計算機控制技術(shù)的應(yīng)用，減輕了飛行人員的操作負(fù)擔(dān)，自動化程度較高；3)系統(tǒng)具有較強的容錯和重構(gòu)能力。但該系統(tǒng)仍存在著以下缺點：1)這種容錯和重構(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。針對電氣多路傳輸系統(tǒng)存在的問題，對飛機配電系統(tǒng)進行研究。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繼電保護技術(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
在充分借鑒和吸收國外先進飛機配電系統(tǒng)的技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對X型飛機的特點和技術(shù)要求，進行分析和論證，從而確立總體的設(shè)計方案。配電系統(tǒng)由開環(huán)運行的分布式環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)和配電線路無通道保護繼電器(DAP)構(gòu)成。配電系統(tǒng)的開環(huán)處設(shè)置環(huán)網(wǎng)開關(guān)，用以實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。在配電線路負(fù)載連結(jié)點兩側(cè)設(shè)置斷路器和保護繼電器，用以實現(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，機載用電設(shè)備的種類和數(shù)量也在不斷增加。按照其所實現(xiàn)的特定功能，飛機上的用電設(shè)備可以分為以下幾類：
1)發(fā)動機和飛機的操縱控制設(shè)備，如發(fā)動機的起動、噴油、點火設(shè)備，發(fā)動機推力或轉(zhuǎn)速控制設(shè)備，飛機儀表、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，這與飛機的類型、用途有關(guān)，如軍用飛機有火力控制設(shè)備、投彈瞄準(zhǔn)設(shè)備、照明偵察設(shè)備等，民用飛機有客艙照明和廚房設(shè)備等。
用電設(shè)備一般按照其實現(xiàn)功能的性質(zhì)及其重要性進行分類，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：1)關(guān)鍵用電設(shè)備，為保證飛機飛行安全所必需的用電設(shè)備。在飛機上飛行關(guān)鍵負(fù)載都是冗余的，單個負(fù)載的失效不會導(dǎo)致系統(tǒng)功能的損失，也不會對飛機造成威脅；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。如機上的雷達設(shè)備、通信設(shè)備等。飛機上的多數(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型飛機的平臺系統(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 多電源接入點的確定
配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式對整個電氣系統(tǒng)的體積和重量、繼電器的數(shù)量與位置、容錯的等級以及供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性都有重要的影響。因此，求解一個較優(yōu)的容錯供電系統(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。按照先進飛機系統(tǒng)航空電子計劃的要求，現(xiàn)代飛機要求供電系統(tǒng)在發(fā)生1次故障時，仍能向任一機上用電設(shè)備供電；在發(fā)生2次故障時，仍能向任一重要用電設(shè)備供電；在發(fā)生3次故障時，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)才能滿足容錯供電的要求。
該平臺機型的直流主電源系統(tǒng)由4臺發(fā)動機驅(qū)動的8臺直流發(fā)電機及其控制裝置構(gòu)成，單機容量12 kW。交流主電源系統(tǒng)由4臺發(fā)動機驅(qū)動的4臺單相交流發(fā)電機及其控制裝置構(gòu)成，單機容量lO kW。二次電源系統(tǒng)由2臺單相變流器和l臺三相變流器構(gòu)成。應(yīng)急電源由4、5號直流發(fā)電機和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，網(wǎng)絡(luò)電壓為24 V。配電采用單線制，飛機機體作為負(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，飛機機體作為負(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，飛機機體作為中線回路。由于該機載設(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)的接入方式來實現(xiàn)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，發(fā)電機分組并聯(lián)，各并聯(lián)組之間又可以轉(zhuǎn)換供電運行方式。這種運行方式的優(yōu)點是：1)電氣負(fù)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小；4)并聯(lián)組之間可以相互轉(zhuǎn)換，便于實現(xiàn)故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)。
通過對該型飛機相關(guān)負(fù)載的詳細分析，結(jié)合上述內(nèi)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(圖2)，在發(fā)電機和蓄電池與匯流條之間設(shè)置斷路器和DAP，以實現(xiàn)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(shè)備進行供電，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，飛機上任何通道的主電源都能向重要匯流條供電。對可以轉(zhuǎn)換供電方式的供電系統(tǒng)，其某一個主電源發(fā)生故障，與該電源連接的重要匯流條將自動轉(zhuǎn)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(tǒng)，只要飛機還有一臺主電源正常，則重要匯流條仍應(yīng)具有供電能力。此時，非重要用電設(shè)備則要自動或手動卸載，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，機上任何電源都能向應(yīng)急匯流條進行供電。當(dāng)主電源全部失效時，需工作的關(guān)鍵用電設(shè)備將自動轉(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)備均各有兩套獨立的電源F2和F5、F3和F8對其進行供電，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，應(yīng)急電源蓄電池保證對其供電?，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)動作，隔離配電網(wǎng)與短路點，A，B線路上的其他斷路器應(yīng)不動作。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)動作，隔離短路點，線路上的其他斷路器應(yīng)不動作；
3)若線路B短路，斷路器3和4應(yīng)動作，隔離短路點，線路上的其他斷路器應(yīng)不動作；
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實現(xiàn)對前艙用電設(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實現(xiàn)對前艙用電設(shè)備的供電；
6)若所有發(fā)電機都停止供電，6號無通道保護繼電器在感受到A、B匯流條上無電壓時將自動接通1號環(huán)網(wǎng)開關(guān)，由應(yīng)急電源蓄電池實現(xiàn)對前艙關(guān)鍵用電設(shè)備的供電。以上斷路器及環(huán)網(wǎng)開關(guān)的動作均由配電線路無通道保護系統(tǒng)(DAP)自動控制，在此不作詳細介紹。
綜上所述，前艙的關(guān)鍵用電設(shè)備達到了四余度的供電要求。同時，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)形飛機配電系統(tǒng)具有可靠性高，維修性好，質(zhì)量輕等優(yōu)點，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行分析計算，驗證其對關(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到規(guī)定的要求。