民用飛機用電設備供電線路壓降計算與分析方法研究

胡璇　楊溢煒　劉麥玲

【摘 要】機載用電設備供電線路的壓降計算與分析在民用飛機電氣線路設計及符合性驗證中發(fā)揮著重要的作用，保障了飛機各用電設備和系統(tǒng)在各種飛行條件下的安全運行。本文介紹了相關適航條款要求及壓降計算與分析的意義和內容，在此基礎上研究了直流、交流供電線路的壓降計算方法和輸入輸出，提出了壓降計算結果分析與校核的基本思路和要求。

【關鍵詞】民用飛機；供電線路；壓降計算；分析與校核

隨著航空電子、電氣設備的日益發(fā)展，機載用電設備的數(shù)量在迅速地增加。與此同時，由用電設備供電故障導致設備或系統(tǒng)功能失效的風險概率也相應提高。為保證用電設備和系統(tǒng)能夠在飛機各種飛行條件下正常、安全地運行，需對其供電線路的壓降進行多輪計算與分析，以使電能得以可靠而有效地被輸送到各個用電設備或系統(tǒng)的輸入端。

本文基于相關適航條款要求介紹了用電設備供電線路壓降計算與分析在民用飛機電氣線路設計和符合性驗證中的重要意義，重點對供電線路壓降計算與分析的基本方法和思路進行了研究。

1 適航條款要求

民用飛機機載用電設備的供電線路設計應滿足CCAR-25-R4《運輸類飛機適航標準》[1]中第25.1351（b）（3）項條款的要求，即在任何可能的運行條件下，所有重要負載設備端的系統(tǒng)電壓和頻率（如果適用）均能保持在該設備的設計限制范圍之內。其中，重要負載設備指的是為完成正常飛行任務所需要的機載用電設備。而飛機上大部分的用電設備都屬于重要負載的范疇。[2]

2 壓降計算與分析

為滿足適航條款的要求，需保證從飛機匯流條端（即配電點）到用電設備端之間供電線路上的壓降限定在可接受的范圍內，以滿足機載用電設備的用電需求，從而使得用電設備和系統(tǒng)可以完成其預定的功能。用電設備供電線路壓降的計算與分析，在民用飛機各系統(tǒng)電氣線路設計和符合性驗證的過程中都發(fā)揮著重要的作用：

（1）在系統(tǒng)電氣線路設計的過程中，根據(jù)已知的用電設備工作電流和線纜機械強度要求完成供電線纜的初步設計選型后，需要通過供電線路的壓降計算與分析來校核用電設備供電線路的設計是否合理。若壓降計算結果在允許的范圍內，則該用電設備的供電線路設計可視為滿足要求；若壓降的計算結果超出了允許的范圍，則應對該用電設備的供電線路設計采取相應的改進和優(yōu)化措施，如調整供電線纜的線規(guī)大小或敷設路徑。

（2）在系統(tǒng)電氣線路符合性驗證的過程中，則需采用壓降計算與分析的方法表明各系統(tǒng)用電設備供電線路的設計符合相關適航條款要求。

3 壓降計算基本方法

飛機匯流條端到用電設備端之間的供電線路（包括地回路）示意圖如圖1所示，供電線路壓降ΔV是由其間各個傳導部件上產生的壓降總和組成，且為匯流條端輸出電壓V1與用電設備輸入端電壓V2之差。在進行壓降計算時，應考慮在飛機電源系統(tǒng)各種工作狀態(tài)下匯流條端輸出電壓的不同，包括正常供電狀態(tài)、非正常供電狀態(tài)和應急供電狀態(tài)。

圖1 用電設備供電線路示意圖

在飛機各系統(tǒng)用電設備的供電線路設計中，除了線纜還可能會有繼電器、接觸器、連接器、接線模塊等電氣元器件，但由于電阻值較小其壓降可以忽略不計。因此，本文在計算用電設備供電線路壓降時，僅考慮線纜（包括接地線）處產生的壓降。由于直流和交流供電線路中導線的阻抗組成部分不同，導致其壓降計算方法也有所區(qū)別，接下來將分別進行介紹。

3.1 直流供電線路壓降計算

直流供電時，供電線路壓降ΔV的計算方法如式（1）所示：

ΔV=R×I （1）

式中：

R——導線總電阻，？贅；

I——用電設備工作電流，A。

整個供電線路中可能選用不同型號的線纜，故需分別計算線路中各段導線的電阻，導線總電阻為各段導線電阻之和。因此，式（1）中導線總電阻R的計算方法如式（2）所示：

R=ΣR0=Σr0×l （2）

式中：

R0——各分段導線的電阻，？贅；

r0 ——導線單位長度電阻，？贅/mm；

l——各分段導線的長度，mm。

導線電阻是溫度的函數(shù)，將隨著導體溫度的升高而變大。式（2）中導線的單位長度電阻r0的計算方法如式（3）所示[3]：

r0=r1×（234.5+T0）/（234.5+20℃） （3）

式中：

r1——導線在溫度為20℃時的單位長度電阻，？贅/mm；

T0——導線的導體溫度，℃。

而導線的導體溫度則與導線所處環(huán)境溫度和電流引起的導體溫升有關。式（3）中導線導體溫度T0的計算方法如式（4）所示[3]：

T0=T1+[（T2-T1）×（I/Imax）2] （4）

式中：

T1——導線所處環(huán)境溫度，℃；

T2——導線溫度等級，℃；

Imax——導線額定載流量，A。

3.2 交流供電線路壓降計算

交流供電時，供電線路壓降ΔV的計算方法如式（5）所示：

ΔV=|Z|×I （5）

式中：

Z——導線總阻抗，？贅；

I——用電設備工作電流，A。

交流供電回路中，導線的阻抗由電阻和電抗兩部分組成。公式（5）中導線總阻抗Z的計算方法如式（6）所示：

Z=R+jX （6）

式中：

R——導線總電阻，？贅；

X——導線總電抗，？贅。

其中，公式（6）中導線總電阻R的計算方法如式（2）所示，總電抗X的計算方法如式（7）所示：

X=ΣX0=Σx0×l （7）endprint

式中：

X0——各分段導線的電抗，？贅；

x0——導線單位長度電抗，？贅/mm；

l——各分段導線的長度，mm。

因非電源系統(tǒng)機載用電設備工作電流較小，在計算該用電設備供電線路導線電抗時不考慮與其他供電線路的互感部分。公式（7）中導線單位長度電抗x的計算方法如式（8）所示[2]：

x0=2πf （4.6lgD/r+0.5μr）×10-10 （8）

式中：

f——交流電網(wǎng)基波頻率，Hz；

D——在單相交流電路中為導線與飛機機殼間距離的兩倍，在三相交流電路中為三相導線間的幾何平均距離（DAB×DBC×DCA）1/3，mm；

r——導線導體截面半徑，mm；

μr——導線材料相對導磁系數(shù)，銅導線或鋁導線的μr=1。

3.3 輸入輸出

用電設備供電線路壓降計算的主要輸入有：

（1）供電性能參數(shù)：各種電源系統(tǒng)工作狀態(tài)下匯流條端輸出電壓、交流電網(wǎng)基波頻率；

（2）用電設備信息：負載類型及用電需求、正常工作電壓范圍、工作電流、機上安裝位置；

（3）導線性能參數(shù)：單位長度阻抗、溫度等級、額定載流量、導體截面半徑、導體材料相對磁導系數(shù)；

（4）導線敷設信息：導線長度及所處環(huán)境溫度、導線與飛機機殼間距、三相供電線的間距。

用電設備供電線路壓降計算的主要輸出有：

（1）匯流條端到用電設備端之間供電線路的壓降值；

（2）各種電源系統(tǒng)工作狀態(tài)下用電設備供電輸入端的電壓值。

4 計算結果分析與校核

為滿足適航條款的要求，在完成各用電設備供電線路壓降計算之后，需要對計算結果進行分析以校核飛機用電設備供電線路的設計是否合理，以及是否需要采取進一步改進和優(yōu)化的措施。壓降計算結果分析與校核的主要內容和要求為：

（1）判斷壓降計算結果是否滿足供電線路最大允許壓降的要求，即計算得到的壓降值是否小于最大允許壓降值。在民用飛機系統(tǒng)電氣線路設計中，通常對匯流條端到用電設備端之間的供電線路有最大允許壓降的要求。對此，AC43.13-1B Acceptable Methods， Techniques and Practices-Aircraft Inspection and Repair中給出了不同供電電壓下供電線路的最大允許壓降值如表1所示[4]。

表1 不同供電電壓下的最大允許壓降

（2）判斷壓降計算結果是否滿足用電設備的用電需求，即用電設備輸入端的電壓值是否在用電設備的正常工作電壓范圍之內。

（3）如壓降計算結果滿足以上最大允許壓降要求和用電設備的用電需求，則可認為用電設備供電線路的設計是合理并符合要求的；如不滿足則需對當前用電設備供電線路的設計進行優(yōu)化，比如在合理范圍內選用導體截面更大的供電線纜或縮短線纜的敷設路徑，來降低用電設備供電線路上的壓降。

5 結論

為保證飛機各用電設備安全運行并實現(xiàn)其預期功能，用電設備端的輸入電壓應保持在該設備的設計限制范圍之內。為此，需要通過供電線路壓降計算與分析對各用電設備供電線路設計的合理性進行校核。本文對飛機匯流條端至用電設備端的直流、交流供電線路壓降計算方法和輸入輸出進行了研究，給出了壓降計算結果分析與校核的基本思路和要求。

【參考文獻】

[1]CCAR-25-R4.中國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機適航標準[S].中國民航總局，2009.

[2]馬述訓.飛機設計手冊[M].航空工業(yè)出版社，1999.

[3]SAE ARP4404C， Aircraft Electrical Installations[S].SAE International，2013.

[4]AC43.13-1B， Acceptable Methods， Techniques and Practices - Aircraft Inspection and Repair， Federal Aviation Administration， 1998.

[責任編輯：張濤]endprint