飛機維修機庫中頻電源供電系統(tǒng)分析

王 燁

(中國航空國際建設投資有限公司, 北京 100120)

0 引 言

在民用飛機上,多電飛機技術得到了廣泛的應用,是航空發(fā)展的必然趨勢。多電飛機就是用電能代替集中式的液壓能源和氣壓能源,使各種二次能源統(tǒng)一為電能。通常多電飛機電源系統(tǒng)由主電源系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、應急電源系統(tǒng)、二次電源系統(tǒng)和地面電源系統(tǒng)組成。飛機在地面通電檢查、起動以及設備維護時需115/200 V、400 Hz制式的外部供電電源[1]。目前,民用機場通常配置90～180 kVA功率等級的外部電源以滿足飛機供電要求[2-3]。

400 Hz中頻電源的供電方案可采用點對點式供電或并聯(lián)式集中供電。本文對這兩種供電方案進行分析。

1 點對點式供電

點對點式供電結(jié)構(gòu)的中頻電源和供電點一一對應,點對點式供電方案單線圖如圖1所示。目前業(yè)內(nèi)提供的點對點式供電方案中,取消中頻電源分配柜和壓降補償器(LDC),一臺90 kVA電源對應一個插頭輸出,設計更加簡潔,無被動元件,不為其他因素影響,可實現(xiàn)“即插即用”[4-7]。

圖1 點對點式供電方案單線圖

中頻電源和為其供電的工頻配電箱宜優(yōu)先放在就近的專用房間內(nèi),當機房面積緊張時,也可在機庫大廳內(nèi)就近地井設置,選擇的位置不應影響飛機進出。

根據(jù)規(guī)范要求,飛機庫內(nèi)爆炸危險區(qū)域的劃分應符合下列規(guī)定:飛機停放和維修區(qū)地面以下與地面相通的地溝、地坑及與其相通的地下區(qū)域為爆炸危險區(qū)域1區(qū);飛機停放和維修區(qū)及與其相通而無隔斷的地面區(qū)域,其空間高度到地面上0.5 m處,及飛機停放和維修區(qū)內(nèi)距飛機發(fā)動機或飛機油箱水平距離1.5 m,并從地面上向上延伸到機翼和發(fā)動機外殼表面上方1.5 m處為爆炸危險區(qū)域2區(qū);除上述1區(qū)和2區(qū)以外的區(qū)域為無危險區(qū)。一般情況下,機庫大廳內(nèi)的工頻配電箱和中頻電源下方設置不低于0.5 m高的設備基礎,以保證電氣元件安裝在無危險區(qū)。中頻電源輸出電纜通過電纜槽盒或地下管道連到固定的地井中,從地井引出帶插頭電纜與飛機相連。點對點式供電效果如圖2所示。

圖2 點對點式供電效果

2 并聯(lián)式集中供電

2.1 并聯(lián)式集中供電的工作原理

并聯(lián)式集中供電方案的中頻電源輸出端并聯(lián),形成大功率集中供電系統(tǒng)。通過分配柜為各地井供電,并通過壓降補償器實現(xiàn)各路的線纜壓降補償,保證飛機端的供電品質(zhì)滿足需求。

系統(tǒng)支持多臺并機,并機時不需要設置主從機,先啟動的電源為主機,后啟動的為從機。智能管理下,可根據(jù)負載的實際需求功率大小或用電地井飛機的數(shù)量自動啟動或停止N臺中頻電源,并能平均分配負載電源。當一臺中頻電源出故障,該電源自動脫離系統(tǒng),進行維護,而其他設備能保持正常運行,維持系統(tǒng)的正常工作,從而提高供電可靠性。

2.2 中頻電源數(shù)量和輸出控制

中頻電源的數(shù)量與同時使用的地井數(shù)量以及中頻電源的單機容量有關,同時使用的地井數(shù)量乘以每個地井所需的容量即為中頻電源的總?cè)萘?。中頻電源的總?cè)萘砍灾蓄l電源的單機容量并取整即為中頻電源的數(shù)量。假設機庫內(nèi)設置4個地井,每個地井所需的容量為90 kVA計算,同時使用系數(shù)為0.5,則設置2臺單機容量為90 kVA的中頻電源即可。集中式供電單線圖如圖3所示。

圖3 集中式供電單線圖

集中式供電方案需考慮中頻電源的輸出控制系統(tǒng),做到無人值班。當沒有地井使用時,不僅各個地井的中頻輸出不帶電,而且中頻電源也應處于關閉狀態(tài)。當啟用某個地井時,應能自動啟動對應的中頻電源,并接通對應的輸出回路。如果中頻電源配置的容量和臺數(shù)可以滿足地井同時工作的要求,則控制線路比較簡單,否則應考慮各地井輸出回路之間的聯(lián)鎖措施,即同時使用的地井達到設計規(guī)定的數(shù)量時,為了防止中頻電源過負荷,應自動限定后續(xù)回路的輸出。當先前使用的地井退出使用后,應能自動接通后續(xù)回路的輸出,為了方便機務人員對系統(tǒng)工作狀態(tài)的了解,在地井適當位置設置一個信號顯示裝置,以便顯示系統(tǒng)處于“閉鎖”或“開放”狀態(tài)。

集中式供電方案需設置專用的中頻電源間,預留中頻電源安裝空間及檢修通道。由于室內(nèi)環(huán)境密閉,中頻電源發(fā)熱量較大,一般還需要布置空調(diào)通風系統(tǒng)。中頻電源間平面布置及地溝剖面如圖4所示。并聯(lián)式集中供電效果如圖5所示。

圖4 中頻電源間平面布置及地溝剖面圖

圖5 并聯(lián)式集中供電效果

3 點對點式和集中式供電系統(tǒng)方案對比

點對點式供電方案適用于電氣源地井點位少,機房面積緊張的場所。各供電端之間相互影響小,配置靈活,可為不同型號飛機提供相應功率等級的電力,電源可靈活布置,就近地井或通過移動式就近為飛機供電,最大程度減少中頻輸出電纜的長度。設備故障時,故障排查容易、效率高,如有需要,可利用備用設備直接進行替換。

單臺中頻電源存在故障的可能性較高,點對點式供電將導致中頻電源的供電可靠性降低,當一臺中頻電源發(fā)生故障時,所供電的地井將無法使用。當?shù)鼐當?shù)量較多時,點對點方案存在中頻電源數(shù)量多,設備使用率低的問題,造成工頻電力系統(tǒng)容量浪費,增加設備購置和維護成本。在機庫大廳設置中頻電源的通風降溫環(huán)境較好,但相對的工頻配電箱和中頻電源的防水、防塵能力應提高。機庫大廳內(nèi)0.5 m以下為機庫爆炸性氣體危險區(qū)域,工頻配電箱和中頻電源需抬高基礎或設備箱體內(nèi)0.5 m以下不應安裝電氣設備,對機庫運行和中頻電源操作維修帶來不利影響。中頻專用電纜及埋管長度減少,但相對的220/380 V工頻電纜長度增加,埋管路由非集中敷設,不易于施工。

并聯(lián)式集中供電方案主要應用于?？看罅匡w機,可集中供電的場所。通過中頻電源的冗余,有效地提高供電可靠性,故障電源可單獨退出系統(tǒng),進行維護,系統(tǒng)繼續(xù)工作。電源既可以單機工作,也可以并機工作,提升供電系統(tǒng)的性價比和靈活性。各電源均可作為主機,延長電源的使用壽命。

并聯(lián)時最大控制難點在于各逆變器之間流動的并聯(lián)“環(huán)流”。并聯(lián)環(huán)流的存在不僅浪費電能,還可能危及并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性,因此對系統(tǒng)技術水要求高。2個中頻電源并聯(lián)應滿足同頻率、同幅值、同相位的限制條件,需要采用并聯(lián)控制來保證各單元之間具有相同的輸出電壓幅值,同時還要保證相位上的一致,即電壓瞬時值相同,以達到消除環(huán)流的目的。2臺中頻電源并聯(lián)時一定會存在環(huán)流,只要環(huán)流控制允許范圍內(nèi)就可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。根據(jù)中頻電源廠家測算,一般90 kVA電源,并聯(lián)環(huán)流控制在10 A以下,180 kVA電源并聯(lián)環(huán)流控制在15 A以下,即可保證電源正常運行。此外,中頻電源各單元之間需要通信連線,不利于實現(xiàn)冗余系統(tǒng),又會引入各種干擾,降低系統(tǒng)可靠性。集中式供電需要設置中頻電源間,要挖基坑,室內(nèi)要布置插座、燈光照明、空調(diào)風機等配套設施。

4 結(jié) 語

400 Hz航空地面電源在維修機庫中應用廣泛,電氣設計時如何選擇合適的供電方案,做到供電系統(tǒng)安全可靠、節(jié)約投資、減少能耗、管理方便,需要設計人員經(jīng)過綜合比較后才能確定。