波音787飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)分析

王宏霞 孫 良

( 中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

波音787飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)分析

王宏霞 孫 良

( 中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

介紹了波音787飛機(jī)的供電系統(tǒng)類型及供電特性標(biāo)準(zhǔn)要求，對比分析了波音787飛機(jī)的供電特性要求與ISO 1540等標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)的差異，為我國民用飛機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

飛機(jī)；供電特性；標(biāo)準(zhǔn)

飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了機(jī)載用電設(shè)備端的供電特性要求，是飛機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)性標(biāo)準(zhǔn)，也是供電系統(tǒng)和用電設(shè)備的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，在飛機(jī)電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系中占有重要地位。國際上存在很多飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)，包括國際標(biāo)準(zhǔn)和各個(gè)國家的各級各類的飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)，其中在民機(jī)研制領(lǐng)域國際上比較認(rèn)可和采用比較多的標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 1540:2006《航空航天-飛機(jī)電氣系統(tǒng)特性》、RTCA DO-160《機(jī)載用電設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》和MIL-STD-704《飛機(jī)供電特性》系列標(biāo)準(zhǔn)。飛機(jī)研制公司依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合各型飛機(jī)不同的供電需求，均編制有各型飛機(jī)的供電特性標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括波音公司技術(shù)文件B787B3-0147《B787飛機(jī)供電品質(zhì)和設(shè)計(jì)要求》、空客公司的ABD0100.1.8等。

B787B3-0147由波音電氣分系統(tǒng)編制，并得到包括ECE、ELdec、Goodrich、Hamilton Sundstrand、Honeywell、Smiths Aerospace和Thale等供應(yīng)商的支持，規(guī)定了飛機(jī)供電品質(zhì)的術(shù)語定義、波音787飛機(jī)供電品質(zhì)參數(shù)體系和指標(biāo)要求，以及對電氣、電子設(shè)備設(shè)計(jì)要求，包括各項(xiàng)具體要求、相應(yīng)的驗(yàn)證要求和設(shè)計(jì)者注意事項(xiàng)等。B787B3-0147對大型客機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)極具參考價(jià)值。

1 標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

B787B3-0147編制的目的是保證波音787飛機(jī)電氣、電子設(shè)備與機(jī)上及地面供電系統(tǒng)之間的兼容性，并保證波音787飛機(jī)所要求的性能、可靠性和維修性。本標(biāo)準(zhǔn)共分5章和1個(gè)附錄，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：

第3章“電氣系統(tǒng)供電品質(zhì)”規(guī)定了施加在負(fù)載設(shè)備端的供電特性、用電設(shè)備的要求和用電設(shè)備的試驗(yàn)要求。其中3.4節(jié)為用電設(shè)備設(shè)計(jì)的一般要求，包括了控制用電設(shè)備對飛機(jī)供電系統(tǒng)影響的設(shè)計(jì)要求和驗(yàn)證方法。

第4章“通用設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要求”規(guī)定了電氣和電子設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造過程中用到的工藝、包裝、材料、部件和元器件等方面的要求。

第5章“電氣設(shè)計(jì)資料要求”規(guī)定了電氣和電子設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)提供的設(shè)計(jì)資料要求。

2 主要技術(shù)內(nèi)容分析

B787B3-0147的主要技術(shù)內(nèi)容集中在第3章和第4章，其每項(xiàng)要求的編寫基本上都是按設(shè)計(jì)要求、驗(yàn)證要求、設(shè)計(jì)者注意事項(xiàng)進(jìn)行編排。

B787B3-0147中的驗(yàn)證要求與設(shè)計(jì)要求相對應(yīng)，設(shè)計(jì)者注意事項(xiàng)中描述該項(xiàng)要求相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以及相關(guān)型號的情況等，以指導(dǎo)型號研制和設(shè)計(jì)。這種編排方式應(yīng)該說更便于標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和實(shí)施，在我國的型號標(biāo)準(zhǔn)編制中也是值得借鑒的。

2.1 術(shù)語

B787B3-0147的術(shù)語共25個(gè)，基本可分為基本術(shù)語、狀態(tài)術(shù)語和參數(shù)術(shù)語3類?；拘g(shù)語包括負(fù)載設(shè)備（也稱“用電設(shè)備”）、 短時(shí)負(fù)載、供電品質(zhì)接口；狀態(tài)術(shù)語包括正常工作、非正常工作、待機(jī)、不安全條件；參數(shù)術(shù)語包括穩(wěn)態(tài)值、交流電壓、電壓調(diào)制、脈動電壓、三相平均電壓、頻率、頻率調(diào)制、相位差、相電壓不平衡、總諧波含量、單次諧波分量、瞬態(tài)、電壓浪涌、電壓尖峰、功率因數(shù)、差動電壓、共模電壓等。

B787B3-0147大部分術(shù)語的定義與ISO 1540:2006基本一致，但對波形考核，采用了傳統(tǒng)的總諧波含量和單次諧波分量進(jìn)行考核，在ISO 1540:2006中則采用畸變系數(shù)和畸變頻譜。單從電源角度分析，采用總諧波含量和單次諧波分量考核沒有問題，但要考慮用電設(shè)備的影響尤其是大功率非線性負(fù)載對系統(tǒng)的影響，僅對諧波進(jìn)行規(guī)定是不夠的，必須對非諧波含量進(jìn)行限制。供電特性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是用電設(shè)備端的電能品質(zhì)要求，因此ISO 1540:2006的指標(biāo)要求更全面、合理。分析來看，作為型號標(biāo)準(zhǔn)，B787B3-0147全面系統(tǒng)地規(guī)定了對用電設(shè)備的限制性要求，并規(guī)定了相應(yīng)的試驗(yàn)要求和方法，可能認(rèn)為不需再對非諧波含量進(jìn)行限制了。就標(biāo)準(zhǔn)本身而言，我們?nèi)越ㄗh采用畸變進(jìn)行考核，而不是諧波。

差動電壓和共模電壓是針對±270V和±130V直流系統(tǒng)的特有規(guī)定，目前在其他供電特性標(biāo)準(zhǔn)中均沒有涉及到。2.2 供電電源

B787B3-0147規(guī)定的供電電源的類型包括以下幾類：

2.2.1 交流供電

● 相電壓235V（線電壓407V）、頻率范圍為360Hz～800 Hz的三相四線制交流系統(tǒng)；

● 相電壓115V（線電壓200V）、頻率范圍為360Hz～800 Hz的三相四線制交流系統(tǒng)。

2.2.2 直流供電，分6種類型

圖1 標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

● I類直流供電：由兩線的變壓整流器（TRU）提供的28V直流供電，且不帶備用蓄電池，該TRU由交流系統(tǒng)供電。TRU負(fù)線連接到電流返回網(wǎng)絡(luò)，且電流返回網(wǎng)絡(luò)作為第二根線。

● II類直流供電：正常時(shí)由I型直流電源供電，且?guī)в幸粋€(gè)28V（額定值）蓄電池系統(tǒng)作為備份電源。

● III類直流供電：由28V（額定值）蓄電池系統(tǒng)供電，并帶有蓄電池充電器作備份。

● IV類直流供電：正常時(shí)由專用永磁發(fā)電機(jī)（PMG）供電的28V（額定值）變換調(diào)壓器（電源模塊）提供，該永磁發(fā)電機(jī)在每個(gè)變頻起動發(fā)電機(jī)（VFSG）上安裝一個(gè)。為變換調(diào)壓器供電的備份電源包括：I型直流供電和飛行控制電子柜蓄電池，或者是II型直流供電和III直流供電。IV型直流供電專為電傳飛控系和獨(dú)立設(shè)備供電。

● V類高壓直流供電：是由相電壓235V（線電壓407V）的主交流系統(tǒng)供電的兩線自耦變壓整流裝置（ATRU）系統(tǒng)來提供±270V（額定值）的系統(tǒng)。系統(tǒng)的兩個(gè)輸出端相對電流返回網(wǎng)絡(luò)的電壓分別應(yīng)為+270V和-270V，所有±270V設(shè)備應(yīng)連接在+270V和-270V端之間。

● VI類直流供電：是由I型直流供電或III型直流供電系統(tǒng)供電的一個(gè)為兩線電動剎車供電裝置（EBPSU）系統(tǒng)提供±130V （額定值）的系統(tǒng)。系統(tǒng)的兩個(gè)輸出端相對電流返回網(wǎng)絡(luò)的電壓分別應(yīng)為+130V和-130V，所有±130V設(shè)備應(yīng)連接在+130V和-130V端之間。VI型直流供電專為起落裝置電動剎車系統(tǒng)供電。

由上述規(guī)定可以看出，B787飛機(jī)供電電源類型劃分較多，必然增加供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。其交流供電系統(tǒng)同時(shí)采用了115V相電壓和230V倍電壓兩種電壓等級、頻率范圍為360Hz～800 Hz的三相四線制變頻交流系統(tǒng)，這也是230V倍電壓交流供電體制在民用飛機(jī)研制中的首次應(yīng)用，其供電特性規(guī)定和應(yīng)用實(shí)踐也為其他機(jī)型的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)和參考。2.3 供電特性

B787B3-0147規(guī)定了B787飛機(jī)供電系統(tǒng)正常工作狀態(tài)和非正常工作狀態(tài)下負(fù)載設(shè)備端的供電特性的極限要求，以及相應(yīng)的驗(yàn)證要求和提起設(shè)計(jì)者注意的事項(xiàng)。這些特性適用于地面模式和飛行模式。通過對B787B3-0147技術(shù)內(nèi)容的初步分析，其供電特性參數(shù)體系與ISO 1540:2006基本一致，增加了直流270V、130V供電特性要求，并且分類更加細(xì)化，充分體現(xiàn)了型號技術(shù)規(guī)范的特點(diǎn)。下面就115V變頻交流系統(tǒng)的主要供電特性參數(shù)與ISO 1540:2006作一對比，見表1。

表1 115V變頻交流系統(tǒng)主要供電特性對比

由表1可以看出：

在正常穩(wěn)態(tài)特性中，B787B3-0147加嚴(yán)了相位差、電壓不平衡、電壓調(diào)制的指標(biāo)，相位差與電壓不平衡相關(guān)，指標(biāo)的加嚴(yán)，說明波音公司對用電設(shè)備的負(fù)載特性的控制較好，在供電系統(tǒng)與負(fù)載的匹配性設(shè)計(jì)上具有較高的水平，能夠?qū)⑷嘭?fù)載的平衡度進(jìn)行較好的控制。

正常電壓瞬變是由于電氣負(fù)載變化或發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化等原因引起的正常范圍內(nèi)的電壓變化，在ISO 1540:2006對最大電壓瞬變規(guī)定為70V～170V，而B787B3-0147規(guī)定為80V～134V，也是非常嚴(yán)格的。

另外，B787B3-0147對非正常供電指標(biāo)放得比較寬，包括非正常穩(wěn)態(tài)電壓范圍、電壓瞬變特性、直流分量等，分析來看主要是考慮飛機(jī)的安全性，以最大程度地保證飛機(jī)供電能力，但對用電設(shè)備的承受能力來說提出了更高的要求。

2.4 負(fù)載設(shè)備的電氣設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要求

對用電設(shè)備的要求有助于保證用電設(shè)備、飛機(jī)電源和配電設(shè)備在系統(tǒng)工作時(shí)，不會導(dǎo)致任何用電設(shè)備端的供電特性超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限范圍，以保證系統(tǒng)的正常工作。在飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)中均會從用電設(shè)備對供電系統(tǒng)的影響方面對用電設(shè)備提出要求。

B787B3-0147的“負(fù)載設(shè)備的電氣設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要求”包括：三相電動機(jī)的交流電動機(jī)起動性能、直流反極性、負(fù)載對飛機(jī)供電電源的影響（包括最大功率需求（沖擊）、雙余度供電輸入、負(fù)載開關(guān)特性、負(fù)載需求變化、電流諧波、相不平衡、功率因數(shù)、輸入電容、穩(wěn)定性要求、輸入電流畸變頻譜、電氣故障或過載保護(hù)等）、閃電傳導(dǎo)瞬變、三相共芯負(fù)載中線、功率線頻差、交流斷開相等方面的要求。B787B3-0147對負(fù)載設(shè)備的要求是非常全面的，在ISO 1540:2006中也提出了類似的要求，包括功率因數(shù)、負(fù)載切換瞬變、沖擊電流、輸入電流調(diào)制、電流畸變、輸入電容等。

在型號標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，應(yīng)綜合分析供電系統(tǒng)的特性以及各類負(fù)載特性，依據(jù)飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，有針對性地提出對用電設(shè)備的具體要求。

3 結(jié)論和建議

從上述分析可以看出，在供電特性參數(shù)指標(biāo)上，B787B3-0147與ISO 1540:2006存在一定的差異，在相位、電壓不平衡、電壓調(diào)制等指標(biāo)上B787B3-0147要求較高，尤其是電壓不平衡，同時(shí)放寬了直流分量的要求。電壓不平衡主要與各相用電負(fù)載的均衡、電網(wǎng)設(shè)計(jì)等相關(guān)，該指標(biāo)的加嚴(yán)，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

鑒于目前我國電源技術(shù)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的水平有限，建議在我國大型運(yùn)輸機(jī)和大型客機(jī)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)參考B787B3-0147的要求，在GJB 181B-2012《飛機(jī)供電特性》（等效MIL-STD-704F）和GB/T 30203-2013《飛機(jī)電氣系統(tǒng)特性》（修改采用ISO 1540:2006）等標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整個(gè)別供電特性指標(biāo)要求，編制有特色的飛機(jī)型號供電特性標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)具體機(jī)型的研制。

（編輯：雨晴）

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C

1003–6660（2014）05–0046–04

10.13237/j.cnki.asq.2014.05.013

[收修訂稿日期] 2014-06-18