機場配電方案探討

薛海龍, 白雪婧

(中國航空規劃設計研究總院有限公司 飛機工程設計研究院, 北京 100120)

0 引 言

近些年,隨著我國經濟實力的不斷增強和經濟全球化發展趨勢的深入,各個地區或國家之間的經濟文化交流日益增多,作為最快捷的交通運輸工具,飛機在當今世界發揮著不可替代的作用。民用機場作為重要的交通基礎設施,近些年得到井噴式的發展,并且其潛在需求依然巨大[1-3]。

機場供電系統作為機場基礎設施的重要組成部分,其可靠性、安全性及穩定性事關國家經濟、政治及軍事層面的安全與穩定。一個可靠的供電系統是機場正常、安全、穩定運行的有力保障[4-5]。

民航機場是一個龐大的基礎設施和建筑群,本文著重于機場飛行區的供配電系統進行探討。對我國現行的民、軍用機場建設常見做法中對于供配電系統章節進行對比分析,并對幾種典型的機場中心變電站一次系統方案進行剖析,著重從方案本身及運維的角度解析其可靠性[6]。

1 現行機場建設常見做法對比解析

機場供配電系統主要由電源系統和輸配電系統組成,供配電系統的設計注重其可靠性、安全性、經濟性及靈活性,并從運行和維護的角度考慮其整體運行的安全、可靠。供配電系統方案的設計除了應按照GB 50052—2009《供配電系統設計規范》[1]、GB 50053—2013《20 kV及以下變電所設計規范》、GB 50059—2011《35 kV～110 kV變電站設計規范》等通用型的現行國家規范,更應按照IB-TM-2015-005《民航空管通信導航監視設施設備供配電配置指導材料》[2]及《xx機場供電設施建設標準》等行業標準來進行。

1.1 民航機場常見做法解析

1.1.1 負荷分級及供電要求

GB 50052—2009《供配電系統設計規范》按照中斷供電在對人身安全、經濟損失上所造成的影響程度,將用電負荷劃分為一級、一級中特別重要、二級、三級等4個等級。

IB-TM-2015-005《民航空管通信導航監視設施設備供配電配置指導材料》中將相關負荷按照負荷保障等級劃分為空管一級供電保障和空管二級供電保障。

空管一級供電保障是指從2個穩定可靠的獨立電源分別引入一路供電專線(市電進線在前一級變電站為不同線路),每一路供電容量均需滿足臺站所有負荷需求,且留有冗余。處于機場地區的設備臺站一般采用空管一級供電,并由機場地區的變電站供電。

空管二級供電保障是指從一個穩定、可靠的獨立電源引入一路供電線路,該電源可從2個以上獨立電源構成的穩定、可靠供電環網引接,路供電容量均需滿足臺站所有負荷需求,且留有冗余。

因此,空管一級供電保障比空管二級供電保障意味著更可靠的市政電源。

1.1.2 電源配置及要求

按IB-TM-2015-005中各用電等級負荷要求,市電電源和柴油發電機組要求如下。

(1)管制中心、一、二級管制單位對應的航管樓、塔臺應滿足空管一級供電保障要求。應急電源應至少由1套柴油發電機組提供保障,可根據需求增加1套冗余配置。

(2)三級及以下管制單位對應的航管樓和塔臺應至少滿足空管二級供電保障要求,應急電源應由2套柴油發電機組提供保障。條件允許時,可按照一、二級管制單位的供電保障要求進行配置。

(3)如機場供電站已配備為航管樓和塔臺提供應急電源保障的發電機組,在航管樓和塔臺可不再重復配置柴油發電機組。

管制單位的等級劃分參見《中國民用航空空中交通管理規則(CCAR-93TM-R2)中有關內容。

對于管制單位等級較高的一、二級單位,其市電必須要求最高的等級,應配置至少1套柴油發電機組作為應急電源;對于管制單位等級略低的三級及以下管制單位,其市電要求同時也允許降低,但對于作為應急電源的柴油發電機組套數比管制單位等級較高的單位要多。

尤其值得關注的是(3),這是有別于軍用機場常見做法的一種做法。軍用機場常見做法中不管中心供電站是否配備了柴油發電機組,航管樓和塔臺都應在本地設置柴油發電機組。

根據IB-TM-2015-005中對飛行區各臺站的市電及柴油發電機組配置要求,各臺站電源配置及要求如表1所示。

表1 各臺站電源配置及要求

由表1可知,對市電要求最高的臺站是精密進近導航設施臺站;柴油發電機組的套數受市電可靠性的影響,一般市電為空管一級供電保障時,設置1套柴油發電機組即可,市電為空管二級供電保障時,則需設置2套柴油發電機組。

軍用機場常見的做法中,只有航站樓、塔臺及精密進近導航設施臺站在機場電站設置柴油發電機組的前提下,在臺站內可不再單獨設置柴油發電機組,其余臺站均未提及該做法。上述規定過于死板,應根據設置有柴油發電機組的機場電站距相關臺站的電氣距離,確定相關臺站內是否再單獨設置柴油發電機組為宜。作為一種應急電源,單從供電可靠性的角度來講,柴油發電機組越接近供電負荷,其供電方案越可靠。但是從整個機場供電系統的架構來看,其方案應采取簡單、成本較低的接線方式,要考慮整個系統建設、運行及維護的經濟性。所以,在機場電站距相關臺站距離較近且供電線路安全、可靠地前提下,可以考慮將相關臺站的應急柴油發電機組集中設置于機場電站內。

1.2 軍用機場常見的做法解析

1.2.1 負荷分級及供電要求

與GB 50052—2009《供配電系統設計規范》中的分級方法類似,軍用機場常見的做法中也是將負荷等級按照中斷供電在對戰斗值班、飛行安全、人員生命上所造成的影響程度,將用電負荷劃分為一級、一級中特別重要、二級、三級等4個等級,與每一等級用電負荷匹配的供電要求基本上與規范GB 50052—2009中的一致。

1.2.2 機場供電電源

軍用機場常見的做法中,根據機場的地位作用、中斷供電造成的軍事經濟損失和安全影響程度,將機場供電類別分為三類,并對每類機場的電源提出了相應的要求。軍用機場供電類別及電源要求如表2所示。

表2 軍用機場供電類別及電源要求

軍用機場常見的做法中要特別注意以下方面。

(1)機場助航燈光、指揮控制、通信導航等特別重要負荷,除應由市電供電外,還應在機場中心變電站設置柴油發電機組備用電源。當市電故障時,備用電源應保障飛行指揮專線上全部負荷的供電需求。

(2)指揮所、飛行管制室、發信臺、對空臺、導航臺、燈光站等應就地設置獨立的應急電源,容量按實際需要確定。對允許中斷供電時間為15～30 s的重要用電負荷,應采用快速自起動的發電機組作應急電源。對允許中斷供電時間小于15 s的重要用電負荷,還應設置符合要求的其他類型應急電源。

綜上所述,中心變電站一定要設置柴油發電機組;指揮所、飛行管制室、發信臺、對空臺、導航臺、燈光站等就地也應設置柴油發電機組,必要時還需要增設UPS等其他應急電源。其中并沒有提及將(2)中所提及的相關臺站柴油發電機組在一定前提條件下設置于中心變電站的說法,這是有別于民航常見做法的規定。該條值得商榷,在中心變電站距相關臺站距離較近且供電線路安全可靠地前提下,可以考慮將相關臺站的應急柴油發電機組集中設置于機場電站內。這樣在保障供電可靠性不受損的前提下,既簡化整個機場配電系統的結構,同時也可以大大降低機場的建設和運行成本。

2 典型中心變電站方案

2.1 方案介紹

兩路高壓市電進線,一路低壓柴油發電機組。高壓分段單母線接線,兩路電源同時工作、母聯斷路器分閘;或一路市電工作、母聯斷路器合閘。柴油發電機組通過升壓變壓器接入高壓母線段,中心變電站一次系統(方案)示意圖如圖1所示。

圖1 中心變電站一次系統(方案)示意圖

2.2 方案缺陷分析

方案中采用升壓變壓器作為應急柴油發電機組的接入設備,且柴油發電機組不兼作電氣距離較近的機場臺站末端應急電源。

在市電供電可靠性較高,停電概率、頻率較低的情況下,升壓變壓器長期處于閑置狀態,增加了中心變電站運營維護的難度和成本。根據變壓器的運維手冊,變壓器安裝完成后如果長期閑置(一般為3個月),變壓器再次通電投入使用前必須重新進行相關檢測。

為了保證在市電全部失電情況下,作為應急電源的柴油發電機組可以及時地投入使用,升壓變壓器就必須隨時處于允許通電狀態,故升壓變壓器必須定期進行維護檢測(費用高)。

2.3 方案改進建議

為了降低不必要的日常運維開銷,建議上述方案改為采用高壓柴油發電機組作為應急電源。中心變電站一次系統(改進方案)示意圖如圖2所示。由圖2可見,改進后的方案接線更簡單,不僅節約升壓變壓器運維成本,而且供電可靠性較原方案沒有降低,應急電源投入可以更加迅速。

圖2 中心變電站一次系統(改進方案)示意圖

3 中心變電站柴發設置原則的思考

由軍用機場常見可知,軍用機場不管中心變電站是否設置有柴油發電機組,需要設置應急電源的臺站內都必須再單獨設置本地柴油發電機組;民用標準當中航管樓、塔臺及精密進近導航設施臺站在中心變電站已配備為上述臺站提供應急電源保障的發電機組前提下,臺站內可不再重復配置柴油發電機組。

基于上述規定,軍用機場中心變電站的柴油發電機組應優先考慮高壓設備。

民用機場中心變電站的柴油發電機組在考慮兼作相關臺站應急電源的情況下可選用低壓柴油發電機組,除此外也應優先考慮高壓設備。

4 結 語

隨著我國經濟、科技實力的提升及國防建設的客觀需求,近些年我國機場建設出現了井噴式發展,并仍有巨大的潛在需求。本文對機場飛行區的供配電系統進行了探討,分析了典型中心變電站方案,提出軍用機場中心變電站的柴油發電機組應優先考慮高壓設備,民用機場中心變電站的柴油發電機組在考慮兼作相關臺站應急電源的情況下可選用低壓柴油發電機組。