艦用航空中頻電源諧波標準適用性分析與制定

張志強，董恩慶，孫桂才

（1.海軍裝備研究院，北京 100161；2. 海軍青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東 青島 266002）

艦用航空中頻電源諧波標準適用性分析與制定

張志強1，董恩慶2，孫桂才1

（1.海軍裝備研究院，北京 100161；2. 海軍青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東 青島 266002）

本文介紹了國內(nèi)外相關(guān)中頻電源諧波標準，不同標準在具體指標上差異明顯。文中對不同中頻電源標準的諧波限值指標進行了適用性分析，提出了制定艦用航空中頻電源系統(tǒng)諧波標準的思路。

航空中頻電源 諧波 標準 適用性分析

0 引言

艦面航空中頻電源系統(tǒng)（以下簡稱中頻電源）是艦載飛機保障系統(tǒng)的重要組成部分。早期飛機的外部電源，主要是用來啟動飛機發(fā)動機，一般不直接并入機上電網(wǎng)。由于航空技術(shù)的發(fā)展和高性能飛機的出現(xiàn)，地面電源不再僅作為飛機發(fā)動機起動電源，同時也作為機載設(shè)備地面預熱和起飛前性能檢查電源。隨著機載設(shè)備的電子化和電氣化發(fā)展趨勢，越來越多的非線性負載將接入中頻電源系統(tǒng)。一方面，對中頻電源的電能質(zhì)量提出了更高的要求；另一方面，這些非線性航空設(shè)備將大量諧波注入中頻電源系統(tǒng)中，會造成中頻電源系統(tǒng)波形畸變，影響其他航空裝備和系統(tǒng)的正常運行，因此必需制定相關(guān)諧波標準來規(guī)范各設(shè)備諧波發(fā)射水平，保障整個中頻電源系統(tǒng)具有良好的供電質(zhì)量。

1 航空中頻電源相關(guān)諧波標準適用性分析

目前國內(nèi)還沒一個專門為艦載航空中頻電源系統(tǒng)制定的相關(guān)標準，筆者將現(xiàn)有國內(nèi)外涉及飛機用中頻電源標準進行梳理，將其中涉及到諧波的相關(guān)條款列于表1中。

對表1所列標準大致可分為三類：一類艦船界面供電特性標準，屬于艦船標準類，如GJB4000和美軍標STD-1399；二類是飛機供電系統(tǒng)和飛機外部電源的特性要求標準，屬于飛機標準類，如GJB181、美軍標STD-704和 GJB572等；三類專用設(shè)備設(shè)計規(guī)范，屬于設(shè)備規(guī)范類。三類類標準考慮內(nèi)容和出發(fā)點各不相同，指標上也有所差異，甚至出現(xiàn)矛盾的地方。下面將對每一類諧波特性標準進行適用性分析。

1）艦船界面供電特性標準

對于艦船界面特性標準的品質(zhì)界面置于設(shè)備（負載）的輸入端，一般是負載配電板或配電箱入口處，涉及的面廣包括了艦船各個系統(tǒng)和設(shè)備，包含的電壓種類全，供電線制也從單相、三相和飛機專用的115/200 V三相四線中性點接地系統(tǒng)?？梢砸源藶榛A(chǔ)，建立適用于艦船航空電源系統(tǒng)的諧波標準。但是，艦船界面標準涉及的面太廣，指標顯得過于籠統(tǒng)，操作使用不便，尤其是指標上存在相互矛盾的地方，造成使用人員的無措。例如GJB4000中將品質(zhì)界面分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三類分別設(shè)定指標限值。按此分類艦載航空電源系統(tǒng)機端115/200 V、400 Hz電壓應采用Ⅲ型指標要求，諧波總畸變率和單次諧波含有量不超3%和2%。對于390 V、400 Hz網(wǎng)絡(luò)電壓應采用Ⅱ型指標要求，諧波總畸變率和單次諧波含有量不超5%和3%。一般來講電壓諧波總畸變率隨著電壓等級的升高會減小，反過來就是電壓等級低的系統(tǒng)畸變更嚴重?，F(xiàn)在矛盾是：按照Ⅱ型界面指標設(shè)計的390 V電壓等級系統(tǒng)很可能在115/200 V電壓等級上超出指標要求。

表1 中頻電源諧波相關(guān)標準對比表[1-10]

MIL-STD-704F Aircraft electrical power characteristics 115/200 V 畸變頻譜 ≤5% 飛機電源系統(tǒng)類GJB181A-2003飛機供電特性 115/200 V 最大畸變頻譜，圖2 ≤5% GJB181-1986飛機供電特性及對用電設(shè)備要求 115/200 V 單次不超過4% ≤5%飛機電源系統(tǒng)類（未經(jīng)許可，交流設(shè)備總諧波電流的方均根值不超過基波電流有效值的10%）HB 5623飛機400Hz交流發(fā)電系統(tǒng)通用技術(shù)條件 115/200 V 單次不超過基波有效值2%≤基波有效值3% 飛機電源系統(tǒng)類GJB572-1988 飛機地面電源供電特性及一般要求 115/200 V 單次不大于4% ≤5% 飛機地面電源類GJB572A-2006 飛機外部電源供電特性及一般要求 115/200V 最大畸變頻譜 ≤4% 飛機地面電源類GJB3706-1999 軍用直升機地面電源供電特性一般要求 115/200 V 單次不超過3% ≤4% 飛機地面電源類GJB1910-1994 飛機地面電源車通用規(guī)范 208 V 單次不超過4% ≤5% 飛機地面電源類HB 6167.18 民用飛機機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法電源輸入試驗115 V 單次不超過基波4% ≤5% 飛機地面電源類三相發(fā)電機，單次不超過2% ≤3% GJB399A-1999艦船電動交流發(fā)電機組通用規(guī)范12 V、230 V 、400 V、390 V 單相發(fā)電機，單次不超過3% ≤5%設(shè)備規(guī)范類HB 5962飛機靜止變流器通用技術(shù)條件 115/200 V 單次不超過基波4%≤基波5% 設(shè)備規(guī)范類GJB3279-1998 飛機靜止變流器通用規(guī)范115 V單相，115/200 V三相 單次不超過4% ≤5% 設(shè)備規(guī)范類注：a本表稱為總諧波畸變率，在其他標準中名稱不同，如正弦性畸變率，畸變系數(shù)等。b諧波頻譜：交流畸變通過每一頻譜分量幅值的量化表示，頻率低于1 MHz包括基波的整數(shù)倍的諧波和非整數(shù)倍的諧波分量。

2）飛機供電系統(tǒng)的特性要求標準

飛機供電特性標準如MIL-STD-704F、ГOCT 19705、GJB181，該類標準更強調(diào)其協(xié)調(diào)性，即作為飛機電源系統(tǒng)與機載設(shè)備之間的協(xié)調(diào)使用，可作為編制電源設(shè)備和用電設(shè)備產(chǎn)品規(guī)范的依據(jù)。其只規(guī)定了115/200 V、400 Hz三相四線中性點接地系統(tǒng)的特性要求，對無中線的390V、400 Hz系統(tǒng)不能直接使用，只能分析參照執(zhí)行。近年來飛機地面電源的特性要求越來越趨向等同采用飛機供電特性指標要求，如GJB572中指標基本與GJB181相同。另外，飛機供電特性諧波標準今年來有越來越嚴格的趨勢，可能跟高性能戰(zhàn)機研制過程中大量采用電氣傳動設(shè)備和大功率雷達及電子設(shè)備的使用有關(guān)。如MIL-STD-704A升級F版總諧波畸變率限值由8%降為5%，GJB572-2006版替代了1988版時將總諧波畸變率限值由5%改為4%。多個飛機特性標準除采用規(guī)定了波形畸變系數(shù)和單次諧波含有量，還借鑒了電磁兼容的概念，提出了諧波最大畸變頻譜，如圖1是GJB181A中規(guī)定的交流電壓最大畸變頻譜。頻率從10 Hz到500 kHz范圍內(nèi)給出了限值曲線，用畸變率和畸變頻譜來度量波形的好壞顯得更加直觀、細致、全面，將諧波分量、非諧波分量以及幅值和頻率調(diào)制引起的分量都包括在內(nèi)。單次畸變率、總畸變率和畸變頻譜共同約束了飛機供電系統(tǒng)諧波特性，能更好的反映出整體諧波情況。

3）專用設(shè)備設(shè)計規(guī)范

根據(jù)設(shè)備使用對象、采用原理和實現(xiàn)方法的不同，諧波指標設(shè)定也不完全一樣。總體上電源設(shè)備標準不能低于飛機特性指標要求，因為電源設(shè)備在測量時一般不考慮配電網(wǎng)絡(luò)和負載設(shè)備的影響，所以要求更顯嚴格?？紤]的電源產(chǎn)生方式的不同，靜止變頻電源相比旋轉(zhuǎn)設(shè)備電源的諧波指標更為寬松。

圖1 GJB181A規(guī)定的交流電壓最大畸變頻譜

除以上對諧波電壓指標有具體要求外，有些標準還對注入諧波電流作出規(guī)定，如GJB181和GJB4000。GJB181對單個機載設(shè)備規(guī)定總畸變電流方均根值不超過基波電流有效值的10%，GJB4000規(guī)定400 Hz系統(tǒng)，額定容量大于或等于0.2 kVA的三相用電設(shè)備和額定容量大于或等于0.23 kVA的單相用電設(shè)備，其正常工作不應導致在輸入電流的2次～32次之間存有大于設(shè)備滿載基波電流3%的單次諧波線電流，且在32次～50次（對400 Hz用電設(shè)備）之間不應存有大于其滿載基波電流（100/n）%（n為諧波次數(shù)）的單次諧波線電流。兩項標準雖然做出了規(guī)定但不便執(zhí)行。如GJB181中的規(guī)定沒有對基波電流是否指設(shè)備滿載工況下給出明確說明，這樣就有可能出現(xiàn)當很多設(shè)備處于上電暖機過程其功率低但電流畸變非常嚴重，出現(xiàn)超過10%的限值的情況。但當設(shè)備額定工況工作時，電流波形相對較好可以滿足不超過10%的限值。使用者對設(shè)備考核時就會出現(xiàn)有些工況指標合格有些工況不合格，無法對設(shè)備注入諧波情況做出明確判斷。GJB4000規(guī)定基波電流為滿載時，只規(guī)定了單次諧波的百分含量，對總畸變電流沒有給出限值，這樣就留下了隱患，即使不考慮32次以上的單次諧波含量，總畸變電流方均根值都可能超過滿載基波電流有效值的16%。這樣大的總諧波電流畸變值會影響到其他設(shè)備正常工作。

2 艦用航空中頻電源系統(tǒng)諧波標準制定

2.1 電壓諧波限值

艦用航空中頻電源系統(tǒng)分為兩級，對電壓諧波限值設(shè)置應有區(qū)分。115/200 V機端電壓等級與飛機供電系統(tǒng)的電壓、電制等要求完全一樣，應采用飛機供電特性的要求。目前國外、國內(nèi)軍用標準及行業(yè)標準大部分將115/200 V、400 Hz電壓總諧波畸變定為不超過5%，單次畸變率不超過3%。除了對總諧波畸變率和單次諧波畸變率做出規(guī)定外還可引入交流畸變頻譜對每一頻率分量進行量化考核。

390 V電壓等級與115/200 V等級有明顯不同。一方面，飛機從115/200 V的母線取電，諧波電流直接注入115/200 V系統(tǒng)中，隨著電壓升高系統(tǒng)容量增大，電壓總諧波畸變率應逐漸降低。另一方面，整個航空中頻供電系統(tǒng)通過390 V母線相連，如果390 V的電壓畸變過大將對整個網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備造成不良影響，因此390 V的電壓畸變率設(shè)定應較115/200 V電壓等級的指標嚴格?？紤]到為將來應用靜止變頻航空中頻電源系統(tǒng)留有余量，建議將電壓總諧波畸變定為不超過4%，單次畸變率不超過3%。為了全面的判斷波形的好壞建議390 V電壓等級增加畸變頻譜的考核，其譜線在圖1的譜線基礎(chǔ)上相應調(diào)整。

綜上所述，建議艦用航空中頻電源系統(tǒng)電壓諧波限值在115/200 V機端電壓等級上總諧波畸變不超過5%，單次畸變率不超過3%，390 V電壓等級上總諧波畸變不超過4%，單次畸變率不超過3%，同時還要滿足相應的諧波頻譜要求。

2.2 電流諧波注入限值

忽略電網(wǎng)的背景諧波，諧波電壓是由于諧波電流在阻抗上產(chǎn)出諧波壓降而來，因而對注入電網(wǎng)的諧波電流量值應有限值，即應對用電設(shè)備的諧波發(fā)射允許值進行分配。限值的大小與系統(tǒng)承受騷擾能力有關(guān)，還跟設(shè)備的特征諧波有關(guān)。在具體分配諧波發(fā)送限值時，先按照用戶接入系統(tǒng)的公共連接點處供電容量和用戶協(xié)議容量之比，決定分配給用戶的總諧波畸變率值，然后根據(jù)用戶特征諧波具體情況再對每次諧波電流限值進行分配。將系統(tǒng)簡化為一個2端口網(wǎng)絡(luò)，圖2所示，則端口處的總諧波電壓畸變率等于用戶總諧波電流畸變率乘以系統(tǒng)阻抗。

圖2 2端口網(wǎng)絡(luò)

由于艦用航空中頻電源系統(tǒng)特殊用途，其每一路用電負荷分配的諧波電路限值應該相同，即將艦載機設(shè)計容量和每支路的供電容量（變壓器容量）之比代入式（1）求得每支路分配的總諧波電流畸變率，然后根據(jù)艦載機特征諧波具體情況進行單次諧波電流值的分配。考核時以該支路實際最大負荷電流（或滿載電流）的基波IL1為基值，計算各次諧波電流（Ih）畸變率和總畸變率。

單次諧波電流畸變率：

式（1）只是一個理想分配模型，得到的值是一個理論最大分配值，實際還必須考慮系統(tǒng)阻抗和諧波源的不確定性，諧波電壓和諧波電流的相互關(guān)聯(lián)性等因數(shù)影響，以實際測試結(jié)果修正理論計算值并留有必要的裕度。綜合考慮以上因素設(shè)定一個合理的總諧波電流畸變率值THDI。

3 結(jié)論

本文在航空中頻電源諧波標準適用性分析的基礎(chǔ)上對制定相應的諧波標準提出了初步的看法。制定出完善的諧波標準需要在很多方面進行研究和論證，如當前技術(shù)水平和經(jīng)濟可承受能力、諧波測量方法和數(shù)據(jù)處理、多諧波源疊加問題、背景諧波問題、不同設(shè)備的準許注入電網(wǎng)的諧波電流值等等。諧波標準指標制定原則不能過松，過松會帶來超過電網(wǎng)承受能力的諧波含量，造成嚴重的電能質(zhì)量問題；也不能過嚴，指標過高過嚴超過的當前技術(shù)水平，就會造成不必要的浪費。

[1] MIL-HDBK-740，Test procedures for demonstration of utilization equipment compliance to aircraft electrical power characteristics [S].USA: Department of defense handbook, 2004.

[2] MIL-STD-740F, Aircraft electrical power characteristics [S]. USA: Department of defense interface standard, 2004.

[3] GJB 181A-2003, 飛機供電特性 [S]. 北京: 中國人民解放軍總裝備部, 2003.

[4] GJB 4000-2000, 艦船通用規(guī)范 [S]. 北京: 中國人民解放軍總裝備部, 2000.

[5] GJB 572A-2006, 飛機地面電源供電特性及一般要求 [S]. 北京: 國防科學技術(shù)工業(yè)委員會, 2006.

[6] 飛機供電系統(tǒng)設(shè)計通用要求編寫組. 飛機供電系統(tǒng)設(shè)計通用要求（編制說明） [z]. 北京：中華人民共和國航空航天工業(yè)部, 1991.

[7] 王宏霞, 王守方. 俄羅斯飛機供電特性標準簡介[J].航空標準化與質(zhì)量, 1999, (4): 20-25.

[8] 王德心, 郝世勇. 國外飛機供電標準（規(guī)范）的差異與發(fā)展[J]. 中國標準化, 2001, (2): 47-48.

[9] 王守方. 美國軍用標準《飛機供電特性》分析（一）[J]. 航空標準化與質(zhì)量, 1996, (4): 38-41.

[10] 王守方. 美國軍用標準《飛機供電特性》分析（二）[J]. 航空標準化與質(zhì)量, 1996, (5): 39-43.

Applicability Analysis and Formulation of Aircraft Medium-Frequency Power Harmonic Standard for a Ship

Zhang Zhiqiang1, Dong Enqing2, Sun Guicai1
(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. Naval Supervision Office for Armaments Repair in Qingdao District, Qingdao 266002, China)

This paper introduces domestic and international aircraft medium-frequency power system harmonic standards, which have obvious differences on specific indicators. This paper compares and analyzes several commonly indicators of the standards, and gives a preliminary study on drawing up the aviation medium frequency power system harmonic standard.

aircraft medium-frequency power system; harmonic; standard; applicability analysis

TM71

A

1003-4862（2015）06-0010-05

2015-01-12

張志強（1977-），男，博士，工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)及標準化。