民航飛機電源系統的保護方案研究

徐 信，陳 聰，鄭志營

（江蘇航空職業技術學院<航空工程學院> 江蘇 鎮江 212134）

1 引言

飛機電源系統主要由電源、控制及保護裝置和供配電網絡等幾大部分組成。為了確保飛機在各類正常或非正常情況下都能夠可靠供電，飛機電源系統根據用途可分為：主電源（主要供電設備產生的電源）、輔助電源（輔助主電源使用的電源）、二次電源（經轉化后使用的電源）、應急電源（緊急情況下確保正常供電的電源）以及地面電源（飛機在地面時使用的電源）5種形式[1]。本文主要針對大中型民航飛機的主電源進行分析，而大中型民航飛機基本上都是使用交流電源作為主要電源。

航空在快速發展，飛機中采用的各項技術也愈來愈自動化、智能化，這對飛機電源系統的要求也變得越來越高。而交流發電機采用無刷發電機，無刷交流發電機的容量大，目前的單機容量已經超過了250 kV·A。由于交流電源優點突出，因此現代大中型飛機大都采用交流電源作為主電源。飛機交流電源的電壓等級有115/200 V和230/400 V兩種，以波音飛機為例，根據電壓大小而言，目前除了B787飛機的主發電機采用230/400 V外，其余機型的主發電機都是115/200 V。再根據頻率劃分，交流電源又可以劃分為變頻和恒頻兩種交流電，恒頻的額定頻率是固定的400 Hz，變頻的頻率是個范圍，一般為360 Hz～800 Hz[2]。

2 電源系統的控制與保護

飛機交流供電系統的控制與保護也是整個飛機系統中必不可少的重要部分。通常的做法是在監測環節的檢測作用之下，在收到自動保護裝置反饋傳輸來的信號時，能夠保證電源輸出裝置（發電機）與飛機電網安全地接通或者斷開。

2.1 對電源系統的控制

飛機電源系統的控制包含對發電機輸出的控制、對發電機進行調壓以及對匯流條的控制等。控制裝置主要依據供電方式控制電網或發電機有關的開關元件，如發電機接觸器(generator contactor，GC)、匯流條連接斷路器（bus tie breaker，BTB）、發電機勵磁控制繼電器(generator control relay，GCR)等，從而控制電網主回路和發電機之間的通斷或切換。

2.2 對電源系統的保護

飛機電源系統保護裝置的主要功能是監測電源系統中發電機或電網的故障，快速切斷發電機的勵磁和輸出，從而將故障區域與整個電源系統分開，進而防止損壞負載設備和整個電源系統，以保證安全可靠地供電及飛行。當發電系統出現故障時，根據故障情況，由發電機控制組件(generator control unit，GCU)分別斷開發電機勵磁繼電器和發電機輸出斷路器(generator circuit breaker，GCB)。GCR串聯在發電機勵磁電路中，當GCR斷開時，發電機沒有輸出電壓。如發生過壓故障時，必須斷開勵磁，以保護發電機和調壓器。GCB可以將發電機與飛機電網斷開，用于保護負載設備。例如：交電為主電的飛機電源系統包含的保護項目有欠電壓保護、過電壓保護、欠頻率保護、過頻率保護、差動保護、過電流保護、過載荷保護、開相保護、逆相序保護和欠速保護等[3]。

3 電源系統的具體保護控制類型

3.1 典型的機載電源系統控制保護裝置

早期，國內外一般使用的飛機電源控制與保護裝置多為繼電器型、磁放大器型及晶體管型3種。繼電器型裝置是最原始的一種控制與保護裝置，其優勢是結構簡易，但容易受到飛機的振動、沖擊和加速度等飛行條件和飛行工作環境等因素的干擾，可靠性低、靈敏度小、功耗大，不易維護，故現代飛機中使用較少。磁放大器型的控制與保護裝置是一種靜止式裝置。該型裝置解決了前者裝置易受飛行條件和飛行環境影響的缺點，但其需要使用一個獨立的交流電源來完成功能，這使得設備變得更加復雜，造成體積重量增大，制造工藝也隨之變得復雜，故該型裝置的應用也不甚理想。晶體管型的控制與保護裝置同前者一樣也是一種靜止式裝置。早前應用得最為廣泛，被許多大中型飛機采用。它具有前兩種裝置都不具備的諸多優點，但也會存在受溫度和過電壓的影響大、線路繁雜等缺點[3]。

絕大多數的現代飛機從適航安全性角度考慮，都會采用過壓、過流、過載等保護裝置，形成冗余保護結構，以輔助GCU實現相應的保護功能。典型的做法是在發電機輸出端增加電源保護控制裝置，該裝置利用電力電子裝置實現對發電機的輸出限制，同時使用發電機勵磁接觸器、發電機輸出接觸器的冗余控制電路，配合完成對飛機電源的各項保護。根據SAE ARP 4754A設備設計保證等級要求的確定和分配原則，A級設備可以由兩個獨立非相似設計的B級設備實現，因此是符合要求的[4]。

3.2 對控制保護裝置的要求

鑒于飛機電源系統的故障形式繁多，而且必須采取各類相對應的保障措施。而有時多種原因引起的故障的表現形式是類似的，有時相同原因引起的故障在不同配電系統中的表現形式又是多樣的。如欠速故障或是發電機激磁回路產生短路，在單發電機系統和多發電機單獨供電系統中，故障形式為發電機欠電壓，而在多發電機并聯供電系統中，故障形式則為故障發電機處承受的無功電流減小。再或者，有的情況下作動器應當立即動作；而有的情況下卻又要延時動作等等。總之，應當視具體情況判斷做出具體反應。以上情況都為飛機電源系統的保護加大了復雜性[5]。

為了符合航空設備能保障安全性的一般要求，除此之外，關于保護裝置的一些其他要求還有以下幾點[6]：（1）保護裝置應當精準動作：該動作時及時做出動作，不該動作時不能誤動作。（2）區域故障絕不能引起整個飛機電源系統的崩潰，保護裝置要能夠立即反應或者延時動作，并能將故障點與系統有效地隔離開，以保障整個電源系統有效率地正常供電。（3）始終保持對重要負載的持續供電。（4）電源系統即使萬一出現故障，也不應當影響到備用系統的正常供電，即主電與備用電之間互不干涉。

3.3 關鍵控制與保護類型

3.3.1 過壓保護電路

電源的過電壓危害是極大的，它可能使電動機過速、過載，會使機載電子負載設備的使用壽命降低，嚴重時甚至燒毀設備。過電壓值越高，破壞力就越大。

圖1是一種典型的采用集成運算放大器的過電壓保護電路，它可以分為兩個部分：敏感電路以及反延時、放大電路。敏感電路的電壓是發電機三相電壓平均值，整流后經分壓后濾波，與穩壓管進行比較。反延時及放大電路是一個由集成運算放大器組成的比例積分電路。

圖1 典型過電壓保護電路原理圖

3.3.2 欠壓保護電路

兩種情況會引起飛機電源系統欠壓：一是負載突然加大時，調壓器滯后所造成的瞬時電壓下降；二是由于激磁系統故障，例如由于激磁回路斷路而引發的。或者也會由于恒速傳動裝置的欠速關聯引起發電機的欠速，進而造成低電壓。前一種情況產生的瞬時低電壓屬于發電機運行過程中的正常低電壓，保護裝置是不應有所動作的；后一種情況則是系統的故障狀態，保護裝置應當立即行動，進行保護[7]。

欠壓故障的危害不如過電壓嚴重，但是若是長時間的低電壓也會造成負載設備失效，甚至損壞。例如，在低電壓時三相電機起動困難，電源系統無法正常輸出有效電壓，嚴重時還可能燒壞電機[8]。

3.3.3 頻率采集和保護電路

在電力系統中，頻率參數也是非常重要的指標，當頻率越限或者異常的情況下，用電設備非常容易損壞。本文在設計中通過過零檢測來采集頻率，并通過對采集值進行低通濾波和均值處理來測算實際電網頻率是不是超過保護限值，當超過上下死區時，啟動保護機制，及時保護電路設備，頻率采集電路見圖2。

圖2 頻率采集和保護電路

4 電源系統保護仿真

本文通過使用TI公司專用仿真軟件Tina-TI來對保護和測控電路進行在線仿真，通過仿真結果指導接下來的實際設計。

通過軟件繪制原理圖，并配置好元器件參數，運行輸出報警信號和中間信號，通過邏輯分析來判定，仿真結果是否和設計一致。圖3中，電壓正常范圍內，過壓報警輸出信號為低，無過壓報警產生，符合設計要求。

圖3 電壓在正常范圍內

圖4中，電壓過高，過壓報警輸出信號為高，符合設計要求。在仿真中也可以發現，從電壓正常到過壓變化的過程中，積分負反饋也起到了延時作用，可以很好地防止電力系統振蕩，損壞用電設備。

圖4 電壓超過正常電壓上限

在對頻率的分析中我們應用過零檢測電路，為防止混淆，在前端使用低通濾波器，仿真結果將原始波形和同向端波形進行分析對比，輸出的頻率方波可以直接連接MCU進行測量，見圖5。

圖5 頻率輸出仿真圖

5 結語

本文主要對飛機電源系統進行了介紹，總結了現階段電源測量和保護的一些設計方案，在硬件設計過程中，使用專業的仿真軟件對電路進行仿真驗證，使設計效果達到最佳，仿真結果與設計一致。

后期主要改進的地方在頻率測量電路，在過零點會有振蕩產生，后期使用高頻隔離和帶滯回窗口的設計電路，優化保護電路設計。