靜態(tài)切換開關(guān)在航管樓供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張正東

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院新津分院， 四川 成都 611431）

引言

新津機(jī)場(chǎng)建立于1957年，地處四川盆地西部，是中國(guó)民用航空飛行學(xué)院重要的訓(xùn)練基地，為我國(guó)民航事業(yè)發(fā)展培養(yǎng)了大量人才。歷史原因，機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)原有的供電線路單一，僅配備一條市電進(jìn)線，單套30 kVA的UPS。近年來，在上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)支持下，空管部門優(yōu)化了塔臺(tái)電源配置，更新了40 kVA的UPS一套。由于指揮塔臺(tái)修建時(shí)間較早，當(dāng)時(shí)機(jī)房及指揮室供電只敷設(shè)有一條總線，條件限制，短期難以新增一條總線，只能考慮通過增強(qiáng)UPS供電穩(wěn)定性提升設(shè)備供電穩(wěn)定性。常見的辦法是通過UPS并聯(lián)，使多套UPS形成一個(gè)總UPS供電系統(tǒng)，以提升供電系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間（MTBF）實(shí)現(xiàn)。如何在現(xiàn)有條件下更有效地提升電源保障能力成為這類機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)供電的關(guān)鍵。

1 冗余并聯(lián)和主從并聯(lián)

UPS并聯(lián)系統(tǒng)可根據(jù)各單套設(shè)備之間連接方式的不同，分為冗余并聯(lián)和主從并聯(lián)系統(tǒng)。冗余并聯(lián)由兩個(gè)及以上的單套UPS組成，各單機(jī)UPS加裝并機(jī)卡并通過數(shù)據(jù)線相互連接，UPS輸出端子并聯(lián)，連接到一個(gè)共用的配電系統(tǒng)。主從并聯(lián)系統(tǒng)是在兩套及以上的UPS單機(jī)之間加裝自動(dòng)切換開關(guān)，在額定工作狀態(tài)下，負(fù)載一直連接于主用UPS。當(dāng)主用UPS發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)利用自動(dòng)切換開關(guān)切換到備用UPS工作，主用UPS恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動(dòng)切換到主用UPS。冗余并聯(lián)和主從并聯(lián)兩種方式各有優(yōu)劣。冗余并聯(lián)系統(tǒng)的各單套UPS電池有平均的充電和放電過程，在長(zhǎng)期市電供應(yīng)的情況下便于進(jìn)行定期的放電維護(hù)操作；主從并聯(lián)UPS系統(tǒng)的主用UPS電池消耗較多，次級(jí)UPS的電池很少使用，并且次級(jí)UPS的電池不便進(jìn)行放電操作，同時(shí)長(zhǎng)期不接負(fù)載，對(duì)負(fù)載的承受能力存在不確定[1]。

僅針對(duì)UPS供電故障導(dǎo)致設(shè)備斷電的概率情況進(jìn)行可靠性分析。對(duì)于主從并聯(lián)UPS，系統(tǒng)的單一故障點(diǎn)出現(xiàn)在切換開關(guān)，對(duì)于冗余并聯(lián)UPS，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于并機(jī)板的穩(wěn)定性。冗余并聯(lián)需要兩路交流電的電壓、相位和頻率保持同步，3個(gè)參數(shù)的任意偏差都將導(dǎo)致環(huán)流的產(chǎn)生；而主從并聯(lián)可以與不同規(guī)格、不同廠家的UPS進(jìn)行連接。新津機(jī)場(chǎng)某部門曾安裝一套小型的UPS冗余并聯(lián)系統(tǒng)，在實(shí)際使用過程中，由于冗余并聯(lián)需要增加一塊并機(jī)卡，增加了故障點(diǎn)，并機(jī)卡機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，保護(hù)性設(shè)計(jì)較少，出現(xiàn)過由于環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的并機(jī)卡故障?？紤]到塔臺(tái)自身情況，從充分利用原有設(shè)備，經(jīng)濟(jì)節(jié)約的角度出發(fā)，搭建主從UPS并聯(lián)系統(tǒng)是更好的選擇。根據(jù)上文分析，UPS系統(tǒng)在滿足需求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇可靠性更好的切換開關(guān)。

2 自動(dòng)切換開關(guān)

UPS并聯(lián)系統(tǒng)的核心組件是自動(dòng)切換開關(guān)（ATS）。ATS適用于負(fù)載不超過1 000 V（直流1 500 V）的小型供電系統(tǒng)。當(dāng)主用供電端口故障時(shí)，ATS自動(dòng)把負(fù)載切換至備用供電端口；當(dāng)主用端口恢復(fù)供電后,ATS又自動(dòng)把負(fù)載切換至主用端口。由于交流電存在相序，ATS開關(guān)切換操作時(shí)有一定延時(shí)，可以保證切換前后的交流電各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，避免出現(xiàn)環(huán)流。ATS開關(guān)按驅(qū)動(dòng)模式分為PC級(jí)和CB級(jí)，PC級(jí)切換時(shí)間為 120～250 ms，CB級(jí)切換時(shí)間為1 000～2 500 ms。新津機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)原配備有自動(dòng)切換開關(guān)系統(tǒng)一套。但由于航管電子設(shè)備一般供電不間斷時(shí)間在一個(gè)周期20 ms左右，現(xiàn)有ATS開關(guān)參數(shù)顯然不能滿足要求，需進(jìn)一步降低電源的切換時(shí)間。經(jīng)過查詢，靜態(tài)切換開關(guān)能夠滿足目前要求。

3 靜態(tài)切換開關(guān)

靜態(tài)切換開關(guān)（STS），是一種能實(shí)現(xiàn)電源二選一的自動(dòng)切換開關(guān)。當(dāng)主用電源出現(xiàn)故障，STS會(huì)馬上切換，由備用電源向設(shè)備供電，而一旦出現(xiàn)線路短路，STS可以切斷故障線路，確保不會(huì)影響到備用電源，從而保證負(fù)載正常供電。STS內(nèi)部主要由斷路器、控制板、可控硅等部件構(gòu)成。與傳統(tǒng)的ATS開關(guān)不同，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換速度很快，一般為1/4個(gè)交流周期，可以保證精密的電子設(shè)備不間斷工作。通過翻閱技術(shù)手冊(cè)可知，某型號(hào)STS開關(guān)其標(biāo)稱切換時(shí)間≤6 ms，最大切換時(shí)間≤11 ms，符合設(shè)備運(yùn)行要求。因此，在條件受限的通航機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)，利用STS切換開關(guān)搭建主從UPS并聯(lián)系統(tǒng)，可以在較低成本下實(shí)現(xiàn)較好的設(shè)備供電保障。

4 雙總線供電系統(tǒng)

鑒于空管設(shè)備對(duì)飛行保障工作的重要性，在整個(gè)塔臺(tái)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)特別是機(jī)房設(shè)備供電設(shè)計(jì)中，應(yīng)防止出現(xiàn)“單點(diǎn)阻塞”故障隱患。充分利用STS開關(guān)的特性，新津機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有塔臺(tái)UPS供電系統(tǒng)可以進(jìn)行進(jìn)一步的改造，增加為雙總線供電系統(tǒng)，同時(shí)配置STS開關(guān)，可以更有效的提升塔臺(tái)供電保障能力。

目前，高可靠性設(shè)備配置雙電源已成為主流，但本案例機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)由于設(shè)備類型繁多，設(shè)備使用年限參差不齊，部分設(shè)備如服務(wù)器等配置了雙電源，一般類型的設(shè)備如交換機(jī)等還是單電源設(shè)計(jì)?；诂F(xiàn)狀構(gòu)建了此次改造方案。該系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，主用UPS和備用UPS從不同總線接入負(fù)載，其中雙電源數(shù)據(jù)設(shè)備由主用UPS和備用UPS共同承擔(dān)供電任務(wù)。單電源數(shù)據(jù)設(shè)備接在STS的輸出端，STS的輸入端分別接在主用UPS和備用UPS上。當(dāng)主用UPS正常工作時(shí)，通過STS向負(fù)載供電。當(dāng)主用UPS電源出現(xiàn)故障時(shí)，STS自動(dòng)斷開，接通備用UPS電源，送到負(fù)載的輸入端[2]。為進(jìn)一步增加此供電系統(tǒng)穩(wěn)定性，還需要：在主備兩套UPS設(shè)備之間增加同步控制器LBS，保證兩路UPS工作時(shí)同步，使得STS能夠穩(wěn)定可靠地轉(zhuǎn)換；制定STS失效時(shí)單套設(shè)備的應(yīng)急保障計(jì)劃，例如VHF應(yīng)定時(shí)檢查電池情況，確保單供電設(shè)備的安全穩(wěn)定。雙總線供電方式為雙電源設(shè)備和單電源設(shè)備均提供了足夠的供電安全和可靠性保障，非常適合中小型機(jī)場(chǎng)雙電源負(fù)載和單電源設(shè)備混合存在的機(jī)房。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著航管設(shè)備不斷升級(jí)完善，為了提高通信導(dǎo)航等設(shè)備的綜合保障能力，需要更合理的供配電模式。必須認(rèn)真審視目前的供電方式，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而找到一個(gè)高可靠性的UPS供電方案，這直接關(guān)系到機(jī)場(chǎng)及航路空中交通指揮工作能否正常開展，對(duì)保證飛行安全具有至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 郎定川，李高平.雙電源在線自動(dòng)切換裝置的研制[J].中國(guó)設(shè)備工程，2008（10）：56-58.

[2] 朱曉明.交流電源冗余切換裝置的研制[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.