分布式环形飞机配电系统设计

摘要：飞机配电系统是现代飞机重要组成部分，对先进飞机配电系统的研究能够提高飞机的供电质量、飞机完成任务的概率以及飞机自身的安全性，减少体积重量及全周期费用。以X型飞机作为平台进行研究，根据其电气系统的特点，进行了详细的需求分析，确立了总体的设计方案，提出了一种开环运行的分布式环形配电网络，并在设计中采用了一种新的线路保护方案即配电线路无通道自动继电保护技术，很好地解决了目前各种飞机配电系统存在的问题，大大提高了飞机配电系统的可靠性和安全性。
关键词：飞机配电系统；分布式环形配电；容错；余度供电

飞机配电系统是飞机供电系统的一个重要组成部分，由电网、配电装置和电网保护装置组成，其功能是实现电能的传输、分配和管理。到目前为止，国内外飞机的配电系统经历了3种结构形式的变化：常规配电系统、遥控配电系统和电气多路传输的飞机配电系统。常规配电系统中，它要求馈电线必须先从发电机敷设到驾驶舱，再从驾驶舱返回到机身的负载。因此，其主馈电线长而且重，需要大量的断路器、开关
和指示灯，使得飞机驾驶舱内十分拥挤，给维护和检修工作带来很大困难。遥控配电系统采用对不用于座舱的那部分电力进行遥控的方法，配电中心位于机身中部，采用遥控断路器来转换负载和配电线，由于大部分电力线不需要敷设到驾驶舱，因而可大大减轻电网重量，但这种配电系统还是一种集中式的结构，存在离散控制线过多、自动化程度不高等问题。电气多路传输系统是一种计算机控制的分布式配电系统，它由数据处理机、总线、发电机控制装置、汇流条管理器、负载管理中心、远置终端、固态功率控制器、控制显示负载装置等部件组成。这种配电系统主要具有以下突出优点：1)采用分布式配电，极大减轻配电系统的重量；2)计算机控制技术的应用，减轻了飞行人员的操作负担，自动化程度较高；3)系统具有较强的容错和重构能力。但该系统仍存在着以下缺点：1)这种容错和重构能力是没有冗余的，在总线被破坏后便丧失；2)其分布式的配电只是相对而言的，分布程度由汇流条管理器的分布和数量决定。针对电气多路传输系统存在的问题，对飞机配电系统进行研究。本文所研究的新型配电系统采用的是分布式环形配电网络，而且配电线路无通道自动继电保护技术的利用能够快速恢复非故障区的供电，很好地解决了电气多路传输技术中存在的问题。

1 配电系统总体方案的设计
在充分借鉴和吸收国外先进飞机配电系统的技术的基础上，针对X型飞机的特点和技术要求，进行分析和论证，从而确立总体的设计方案。配电系统由开环运行的分布式环形配电网络和配电线路无通道保护继电器(DAP)构成。配电系统的开环处设置环网开关，用以实现配电网络的重构。在配电线路负载连结点两侧设置断路器和保护继电器，用以实现故障隔离。本文研究过程中视上述装置和组件完全可靠。分布式环形配电方案如图1所示。



2 用电设备的接入
随着航空技术的不断发展，机载用电设备的种类和数量也在不断增加。按照其所实现的特定功能，飞机上的用电设备可以分为以下几类：
1)发动机和飞机的操纵控制设备，如发动机的起动、喷油、点火设备，发动机推力或转速控制设备，飞机仪表、飞行控制、导航、通信和燃油控制供给设备，起落架收放和舱门启闭系统等；
2)机上人员工作和生活设备，如座舱环境控制系统、照明与加温设备、氧气设备、安全与救生设备等；
3)完成任务所需的设备，这与飞机的类型、用途有关，如军用飞机有火力控制设备、投弹瞄准设备、照明侦察设备等，民用飞机有客舱照明和厨房设备等。
用电设备一般按照其实现功能的性质及其重要性进行分类，以确定其获得电能的质量要求和优先等级。按其重要性分可分为3类：1)关键用电设备，为保证飞机飞行安全所必需的用电设备。在飞机上飞行关键负载都是冗余的，单个负载的失效不会导致系统功能的损失，也不会对飞机造成威胁；2)重要用电设备，为完成特定飞行任务所需的用电设备。如机上的雷达设备、通信设备等。飞机上的多数电气负载都属于重要用电设备，大多数的重要用电设备是硬件冗余或功能冗余的；3)一般用电设备，飞机上除了关键用电设备和重要用电设备之外的用电设备，如照相闪光灯装置、尾翼防冰装置等。
根据X型飞机的平台系统资料，考虑其负载的供电类型以及负载的大小，并结合负载所在的位置，将其主要的用电设备接入配电网中，如图2所示。图中虚线框设备为关键用电设备，并采用双线供电方式。


3 多电源接入点的确定
配电系统网络结构形式对整个电气系统的体积和重量、继电器的数量与位置、容错的等级以及供电系统的稳定性和可靠性都有重要的影响。因此，求解一个较优的容错供电系统拓扑是配电系统研究中需要解决的关键问题之一。按照先进飞机系统航空电子计划的要求，现代飞机要求供电系统在发生1次故障时，仍能向任一机上用电设备供电；在发生2次故障时，仍能向任一重要用电设备供电；在发生3次故障时，仍能向任一关键用电设备供电。这些故障可能发生在同一供电通道的不同元件上，也可能发生在不同供电通道上，也可能是上述两种情况的组合。由此可见，只有四余度的供电系统才能满足容错供电的要求。
该平台机型的直流主电源系统由4台发动机驱动的8台直流发电机及其控制装置构成，单机容量12 kW。交流主电源系统由4台发动机驱动的4台单相交流发电机及其控制装置构成，单机容量lO kW。二次电源系统由2台单相变流器和l台三相变流器构成。应急电源由4、5号直流发电机和4组蓄电池构成。直流配电网络电压为28．5 V，由主电路、备用电路和应急电路3部分组成。蓄电池供电时，网络电压为24 V。配电采用单线制，飞机机体作为负线回路。单相交流配电网络电压115 V／400 Hz，由主电路和应急电路组成。配电采用单线制，飞机机体作为负线回路。三相交流配电网络电压36 V／400 Hz，三线制供电，飞机机体作为中线回路。由于该机载设备主要以直流形式用电，因此本文主要研究其直流配电系统。
本文将采用多电源分组并联的接入方式来实现容错要求。分组并联供电运行方式是指主电源正常运行时，发电机分组并联，各并联组之间又可以转换供电运行方式。这种运行方式的优点是：1)电气负载在并联发电机之间均匀分配，发电机的容量得到充分利用；2)一台发电机故障，不会引起用电设备断电和供电中断，提高了供电可靠性；3)系统容量大，大功率用电设备的通断造成的扰动小；4)并联组之间可以相互转换，便于实现故障隔离和系统重构。
通过对该型飞机相关负载的详细分析，结合上述内容和发电机机上安装位置，从而确定8台发电机和4组蓄电池的接入点(图2)，在发电机和蓄电池与汇流条之间设置断路器和DAP，以实现容错供电和故障隔离。
图2中，A、B两根汇流条对前舱关键用电设备进行供电，称之为重要汇流条。重要汇流条供电是保证重要设备获得电能的供电路径，飞机上任何通道的主电源都能向重要汇流条供电。对可以转换供电方式的供电系统，其某一个主电源发生故障，与该电源连接的重要汇流条将自动转换到其他正常运行的发电机供电端。对并联供电运行方式的系统，只要飞机还有一台主电源正常，则重要汇流条仍应具有供电能力。此时，非重要用电设备则要自动或手动卸载，以保证重要设备的用电需求。图中汇流条C即为应急汇流条，它是保证关键设备获得电能的供电路径，机上任何电源都能向应急汇流条进行供电。当主电源全部失效时，需工作的关键用电设备将自动转换到应急汇流条，以获得电能。
由上可知，图中关键用电设备均各有两套独立的电源F2和F5、F3和F8对其进行供电，F1、F4、F6、F7为备用电源，当主电源和备用电源均失效时，应急电源蓄电池保证对其供电。现就前舱局部电网来说：
1)若F5的输电线路短路，断路器1应动作，隔离配电网与短路点，A，B线路上的其他断路器应不动作。F2与断路器5具有相同的工作原理；
2)若线路A短路，断路器2和3应动作，隔离短路点，线路上的其他断路器应不动作；
3)若线路B短路，断路器3和4应动作，隔离短路点，线路上的其他断路器应不动作；
4)若F2、F5停止供电，则前端环网开关应闭合，利用F1、F4、F6和F7实现对前舱用电设备的供电；
5)若F1、F2、F4、F5、F6和F7都停止供电，则后端环网开关应闭合，利用F3和F8实现对前舱用电设备的供电；
6)若所有发电机都停止供电，6号无通道保护继电器在感受到A、B汇流条上无电压时将自动接通1号环网开关，由应急电源蓄电池实现对前舱关键用电设备的供电。以上断路器及环网开关的动作均由配电线路无通道保护系统(DAP)自动控制，在此不作详细介绍。
综上所述，前舱的关键用电设备达到了四余度的供电要求。同时，相关的任务系统等重要用电设备采用三余度供电方式，由2套主电源和1套备用电源供电，用电设备的供电通道可选择。尾翼防冰等一般用电设备由主电源供电，一套主电源故障时可以转换到另一套主电源供电。

4 结束语
本文所研究的分布式环形飞机配电系统具有可靠性高，维修性好，质量轻等优点，并很好地解决了电气多路传输技术中存在的问题，使其在未来的航空工业中具有很好的发展前景。在今后的研究工作中，将依据此分布式环形配电网络的拓扑结构，建立可靠性模型并采用合理的算法进行分析计算，验证其对关键用电设备、重要用电设备和一般用电设备的供电可靠性是否达到规定的要求。