分布式環形飛機配電系統設計

姜忠山，于開民，張樹團

（海軍航空工程學院 山東 煙臺264001）

飛機配電系統是飛機供電系統的一個重要組成部分，由電網、配電裝置和電網保護裝置組成，其功能是實現電能的傳輸、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，它要求饋電線必須先從發電機敷設到駕駛艙，再從駕駛艙返回到機身的負載。因此，其主饋電線長而且重，需要大量的斷路器、開關和指示燈，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換負載和配電線，由于大部分電力線不需要敷設到駕駛艙，因而可大大減輕電網重量，但這種配電系統還是一種集中式的結構，存在離散控制線過多、自動化程度不高等問題。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、發電機控制裝置、匯流條管理器、負載管理中心、遠置終端、固態功率控制器、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點：1）采用分布式配電，極大減輕配電系統的重量；2）計算機控制技術的應用，減輕了飛行人員的操作負擔，自動化程度較高；3）系統具有較強的容錯和重構能力。但該系統仍存在著以下缺點：1）這種容錯和重構能力是沒有冗余的，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量決定。針對電氣多路傳輸系統存在的問題，對飛機配電系統進行研究。本文所研究的新型配電系統采用的是分布式環形配電網絡，而且配電線路無通道自動繼電保護技術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中存在的問題。

1 配電系統總體方案的設計

在充分借鑒和吸收國外先進飛機配電系統的技術的基礎上[1]，針對X型飛機的特點和技術要求，進行分析和論證，從而確立總體的設計方案。配電系統由開環運行的分布式環形配電網絡和配電線路無通道保護繼電器（DAP）構成[2]。配電系統的開環處設置環網開關，用以實現配電網絡的重構。在配電線路負載連結點兩側設置斷路器和保護繼電器，用以實現故障隔離。本文研究過程中視上述裝置和組件完全可靠。分布式環形配電方案如圖1所示。

圖1 無通道繼電保護的直流配電系統總體方案Fig.1 General planning of direct current electrical power system without channel relay protection

2 用電設備的接入

隨著航空技術的不斷發展，機載用電設備的種類和數量也在不斷增加。按照其所實現的特定功能，飛機上的用電設備可以分為以下幾類：

1）發動機和飛機的操縱控制設備，如發動機的起動、噴油、點火設備，發動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，起落架收放和艙門啟閉系統等；

2）機上人員工作和生活設備，如座艙環境控制系統、照明與加溫設備、氧氣設備、安全與救生設備等；

3）完成任務所需的設備，這與飛機的類型、用途有關，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現功能的性質及其重要性進行分類，以確定其獲得電能的質量要求和優先等級。按其重要性分可分為3類：1）關鍵用電設備，為保證飛機飛行安全所必需的用電設備。在飛機上飛行關鍵負載都是冗余的，單個負載的失效不會導致系統功能的損失，也不會對飛機造成威脅；2）重要用電設備，為完成特定飛行任務所需的用電設備。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[3]，考慮其負載的供電類型以及負載的大小，并結合負載所在的位置，將其主要的用電設備接入配電網中，如圖2所示。圖中虛線框設備為關鍵用電設備，并采用雙線供電方式。

圖2 無通道繼電保護的直流配電網絡示意圖Fig.2 Schematic diagram of direct current electrical power system without channel relay protection

3 多電源接入點的確定

配電系統網絡結構形式對整個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[4]。因此，求解一個較優的容錯供電系統拓撲是配電系統研究中需要解決的關鍵問題之一。按照先進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生1次故障時，仍能向任一機上用電設備供電；在發生2次故障時，仍能向任一重要用電設備供電；在發生3次故障時，仍能向任一關鍵用電設備供電。這些故障可能發生在同一供電通道的不同元件上，也可能發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才能滿足容錯供電的要求[5]。

該平臺機型的直流主電源系統由4臺發動機驅動的8臺直流發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臺發動機驅動的4臺單相交流發電機及其控制裝置構成，單機容量10 kW。二次電源系統由2臺單相變流器和1臺三相變流器構成。應急電源由4、5號直流發電機和4組蓄電池構成。直流配電網絡電壓為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，網絡電壓為24 V。配電采用單線制，飛機機體作為負線回路。單相交流配電網絡電壓115 V/400 Hz，由主電路和應急電路組成。配電采用單線制，飛機機體作為負線回路。三相交流配電網絡電壓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的接入方式來實現容錯要求[6]。分組并聯供電運行方式是指主電源正常運行時，發電機分組并聯，各并聯組之間又可以轉換供電運行方式。這種運行方式的優點是：1）電氣負載在并聯發電機之間均勻分配，發電機的容量得到充分利用；2）一臺發電機故障，不會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小；4）并聯組之間可以相互轉換，便于實現故障隔離和系統重構。

通過對該型飛機相關負載的詳細分析，結合上述內容和發電機機上安裝位置，從而確定8臺發電機和4組蓄電池的接入點（圖2），在發電機和蓄電池與匯流條之間設置斷路器和DAP，以實現容錯供電和故障隔離。

圖2中，A、B兩根匯流條對前艙關鍵用電設備進行供電，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，其某一個主電源發生故障，與該電源連接的重要匯流條將自動轉換到其他正常運行的發電機供電端。對并聯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，非重要用電設備則要自動或手動卸載，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行供電。當主電源全部失效時，需工作的關鍵用電設備將自動轉換到應急匯流條，以獲得電能。

由上可知，圖中關鍵用電設備均各有兩套獨立的電源F2和 F5、F3 和 F8 對其進行供電，F1、F4、F6、F7 為備用電源，當主電源和備用電源均失效時，應急電源蓄電池保證對其供電。現就前艙局部電網來說：

1）若F5的輸電線路短路，斷路器1應動作，隔離配電網與短路點，A，B線路上的其他斷路器應不動作。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應動作，隔離短路點，線路上的其他斷路器應不動作；

3）若線路B短路，斷路器3和4應動作，隔離短路點，線路上的其他斷路器應不動作；

4）若F2、F5停止供電，則前端環網開關應閉合，利用F1、F4、F6和F7實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，則后端環網開關應閉合，利用F3和F8實現對前艙用電設備的供電；

6）若所有發電機都停止供電，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號環網開關，由應急電源蓄電池實現對前艙關鍵用電設備的供電。以上斷路器及環網開關的動作均由配電線路無通道保護系統 （DAP）自動控制，在此不作詳細介紹。

綜上所述，前艙的關鍵用電設備達到了四余度的供電要求。同時，相關的任務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，一套主電源故障時可以轉換到另一套主電源供電。

4 結束語

本文所研究的分布式環形飛機配電系統具有可靠性高，維修性好，質量輕等優點，并很好地解決了電氣多路傳輸技術中存在的問題，使其在未來的航空工業中具有很好的發展前景。在今后的研究工作中，將依據此分布式環形配電網絡的拓撲結構，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。

[1]馬常偉.先進飛機電氣負載管理技術研究[D].西安：西北工業大學，2007.

[2]趙文珂.大型飛機電氣負載管理中心的設計[D].西安：西北工業大學，2006.

[3]楊偉.運X飛機電氣負載管理中心的設計[D].西安：西北工業大學，2005.

[4]陳偉.基于多電飛機的先進供電技術研究[J].飛機設計，2006（4）：64-73.CHEN Wei.Research on advanced technologies for electric power systems for more electric aircraft[J].Aircraft Design，2006（4）：64-73.

[5]張宏鵬，陳明，謝拴勤.軍用飛機電氣系統控制與管理技術概述[J].計測技術,2006，26（3）：1-5.ZHANG Hong-peng,CHEN Ming,XIE Shuan-qin.The summarization ofcontroland managementtechnologyof military avion’s electrical system[J].Metrology&Measurement Technology，2006，26（3）：1-5.

[6]周素瑩.多電飛機電氣系統的研究[D].西安：西北工業大學，2003.