民用飛機(jī)變頻發(fā)電系統(tǒng)主饋電線分析與設(shè)計(jì)研究

劉偉　趙健

【摘 要】在民用飛機(jī)領(lǐng)域，大功率變頻發(fā)電逐漸成為民用飛機(jī)電源系統(tǒng)主流技術(shù)，繼而影響變頻發(fā)電供電品質(zhì)的主饋電線的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得日益重要。本文通過理論分析，基于主饋電線工作環(huán)境、空間布局、提高供電品質(zhì)及優(yōu)化重量指標(biāo)等方面的考慮，給出了一種新型的主饋電線構(gòu)型及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。最后，通過發(fā)動機(jī)吊掛段主饋線的設(shè)計(jì)實(shí)例，驗(yàn)證了本文給出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可在饋電線重量和影響供電品質(zhì)的參數(shù)等方面獲得更優(yōu)。

【關(guān)鍵詞】電源；變頻發(fā)電；民用飛機(jī)；主饋電線；優(yōu)化

【Abstract】In the civil aircraft field， high power capacity variable frequency（VF）generation has been a more famous technology， and the optimized design for VF generation main power feeder associated with the power quality becomes more and more critical. This paper presents a new type of main power feeder configuration and its optimizing design method based on theoretical analysis and consideration of main power feeder operation environment，spatial layout，enhancing power quality and optimizing weight and etc..At last，it also provides a design example for main power feeder section in Pylon of Engine，the result verified that the method stated herein can lead optimized weight of power feeder and parameters associated with power quality.

【Key words】Electrical Power；Variable Frequency Generation；Civil Aircraft；Main Power Feeder；Optimization

0 引言

目前，出于對變頻發(fā)電系統(tǒng)在成本、重量、能量可逆性等方面的優(yōu)勢[1-2]，全球飛機(jī)制造商們越來越青睞變頻發(fā)電系統(tǒng)，目前在役的新機(jī)型A380，在研機(jī)型B787、A350及C系列均選用了變頻發(fā)電系統(tǒng)。相對于恒頻電源系統(tǒng)，變頻電源系統(tǒng)由于供電頻率范圍較寬及發(fā)電機(jī)容量的增加，變頻發(fā)電機(jī)（VFG）主饋電線的壓降和熱載荷、環(huán)境溫度影響、蒙皮效應(yīng)及隨之帶來的供電品質(zhì)等問題[3-5]均將更加突出，從而對VFG主饋電線的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更加嚴(yán)格的要求。本文從基于VFG主饋電線工作環(huán)境、空間布局、阻抗及其重量等方面的分析，優(yōu)化VFG主饋電線的設(shè)計(jì)，繼而優(yōu)化變頻發(fā)電系統(tǒng)的性能。

變頻發(fā)電系統(tǒng)的功率流圖如圖1所示，其中XF和RF分別表示主饋電線阻抗的電抗和電阻，發(fā)電系統(tǒng)的特性考核體現(xiàn)在調(diào)壓點(diǎn)（POR）處，由圖1可知主饋電線為連接VFG和POR處的功率回路，其阻抗對于優(yōu)化發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及提高發(fā)電系統(tǒng)在POR處的供電品質(zhì)至關(guān)重要[5]，此外還須考慮饋線重量的優(yōu)化。影響?zhàn)侂娋€的主要因素主要包括線纜的工作環(huán)境溫度、容量需求及空間布局等。

1 主饋電線阻抗的定義

主饋電線的阻抗值對負(fù)載不平衡引起的不平衡電壓特性，系統(tǒng)峰值電壓特性及大負(fù)載切換導(dǎo)致的系統(tǒng)瞬態(tài)特性等有至關(guān)重要的影響。

主饋電線阻抗值由電纜直徑、長度、溫度、每相電纜的個數(shù)以及電纜空間布局的決定，其正序電抗值決定了非線性負(fù)載工作時POR點(diǎn)電壓波形的畸變程度、系統(tǒng)峰值電壓值（需考慮由于饋電線阻抗引起的壓降，繼而保證POR點(diǎn)的調(diào)壓特性）及系統(tǒng)瞬態(tài)特性（主要是大負(fù)載的卸載或切除及短路故障移除等情況，由于饋電線阻抗的增加引起了對發(fā)電機(jī)容量需求的增加，故需更大勵磁要求，從大負(fù)載到輕載勵磁變化較大，繼而影響了系統(tǒng)瞬態(tài)特性），故在設(shè)計(jì)過程應(yīng)盡量減小正序阻抗值。

零序阻抗在電網(wǎng)中出現(xiàn)不平衡負(fù)載和相間短路時，對電能品質(zhì)有一定的影響。同時，對EMI和Lightning抑制有較大影響，故在設(shè)計(jì)過程也應(yīng)盡量優(yōu)化與零序阻抗相關(guān)的參數(shù)，以減小零序阻抗值，保證電能品質(zhì)。

主饋電線空間對稱式布局可以消除在布置過程中，飛機(jī)金屬蒙皮對主饋電線阻抗的影響，消除蒙皮效應(yīng)的影響；在復(fù)合材料機(jī)身情況下，由于機(jī)體為復(fù)材結(jié)構(gòu)，無法承擔(dān)電流回路，即地回路的作用，空間對稱式布局可以達(dá)到既能優(yōu)化電能品質(zhì)，又能解決發(fā)電系統(tǒng)地回路的問題。

隨著飛機(jī)多電技術(shù)的發(fā)展，越來越多的飛機(jī)系統(tǒng)采用電能作為主要能源，對于變頻發(fā)電系統(tǒng)的容量需求越來越大，繼而主饋電線承載的電流越來越大，主饋電線的線徑越來越粗，其布置過程中的可操作性及其重量都將相應(yīng)增加。為了解決這一問題，需要采用每相多根較細(xì)電纜并聯(lián)的方法來弱化電流容量增加引起的饋電線問題。同時，每相饋電線的多股并聯(lián)走線方式，可以降低線路阻抗，優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)電能品質(zhì)?？湛凸続380飛機(jī)150kVA變頻發(fā)電系統(tǒng)即采用了每相三根電纜并聯(lián)且空間對稱的布線方法。

由于空間對稱布局構(gòu)型下主饋電線間相對位置固定，須采用專用的電纜定位和固定支架進(jìn)行固定和敷設(shè)，在飛機(jī)設(shè)計(jì)初期即要考慮相關(guān)布置通道空間及定位問題，在后續(xù)的試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)中盡量采用與飛機(jī)構(gòu)型一致的布局。

此外，部分民用飛機(jī)僅采用部分復(fù)合材料機(jī)身，在綜合權(quán)衡考慮重量和變頻發(fā)電系統(tǒng)性能的情況下，可在飛機(jī)復(fù)合材料部分采用空間對稱式布局；在金屬機(jī)身部分采用中線直接接機(jī)體金屬結(jié)構(gòu)，以機(jī)體金屬結(jié)構(gòu)作為電流回路的載體，而相線扭絞布置到配電中心的方式，這樣既省去了機(jī)身部分主饋電線中線的重量，又部分優(yōu)化了主饋電線的阻抗值，達(dá)到重量和變頻發(fā)電系統(tǒng)性能的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 環(huán)境因素對主饋電線設(shè)計(jì)的影響

由于布線路徑中環(huán)境因素（振動、溫度和材料特性等）的不同，還需要根據(jù)主饋電線布置的路徑分段優(yōu)化設(shè)計(jì)主饋電線，按目前民用飛機(jī)的組成部分，可以按短艙、吊掛、機(jī)翼及機(jī)身等進(jìn)行分段優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 振動因素

重量對民用飛機(jī)來說至關(guān)重要，為了滿足減重要求，采用鋁或鋁合金材料主饋電線越來越廣泛，但鋁材料主饋電線的使用具有嚴(yán)格的要求，航空線纜標(biāo)準(zhǔn)[7]中規(guī)定鋁導(dǎo)線必須在按如下規(guī)定使用：

1）在發(fā)動機(jī)安裝的附件區(qū)及其它強(qiáng)振動區(qū)域不得使用；

2）經(jīng)常拆裝的部位不得使用。

按照以上規(guī)定，鋁或鋁合金材料的導(dǎo)線不推薦在短艙、吊掛和機(jī)翼等強(qiáng)振動環(huán)境中使用。

3.2 溫度因素

由于發(fā)電機(jī)主饋電線隨著環(huán)境溫度的變化，考慮主饋電線熱容限的要求，其電流容量會相應(yīng)發(fā)生變化[7]。環(huán)境溫度與主饋電線最大工作溫度差值越小，主饋電線的電流容量越小，故隨著環(huán)境溫度的升高，主饋電線的電流容量會相應(yīng)下降。因此，不同環(huán)境溫度下，主饋電線的選擇需要多次迭代，以平衡電流容量、阻抗值及重量等參數(shù)的需求，本文給出了主饋電線設(shè)計(jì)迭代過程如圖4所示。

由于主饋電線電阻值為溫度的函數(shù)，隨著電纜溫度的變化，其電阻變換規(guī)律見式（5）：

主饋電線電阻為主饋電線發(fā)熱的主要原因，故在主饋電線選擇時，應(yīng)使饋電線極限工作溫度與環(huán)境溫度有足夠的差值，以保證主饋電線發(fā)熱與環(huán)境散熱的熱平衡溫度值在容許的范圍內(nèi)，確保主饋電線不會燒斷導(dǎo)致相應(yīng)發(fā)電通道功能的失效，降低電源系統(tǒng)安全裕度。

此外，由于采用空間對稱式布局，使主饋電線相線及中線不可捆扎在一起布置，保證了通過大電流時電纜的散熱需求，繼而航空線纜標(biāo)準(zhǔn)[7]中關(guān)于線纜捆扎導(dǎo)致線纜載流量降低系數(shù)的要求不適用于空間對稱式布局的主饋電線。目前，尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義空間對稱式布局線纜的間距要求，但可通過相關(guān)試驗(yàn)和熱場仿真分析來保證主饋電線工程設(shè)計(jì)的可行性。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例-民用飛機(jī)吊掛主饋電線設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合前文的定性分析，利用電磁場有限元分析方法，對不同構(gòu)型下主饋電線進(jìn)行分析，可以得到不同構(gòu)型下的主饋電線阻抗值，同時考慮不同構(gòu)型下饋電線重量因素，對變頻發(fā)電系統(tǒng)的主饋電線進(jìn)行優(yōu)化選擇，以支持變頻發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。本節(jié)以民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)吊掛段主饋電線的設(shè)計(jì)為例，對不同環(huán)境溫度、不同構(gòu)型下的主饋電線參數(shù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證環(huán)境溫度及構(gòu)型選擇對主饋電線相關(guān)參數(shù)的影響，支持變頻發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)輸入如下：

1）吊掛環(huán)境溫度分別為100°C和150°C；

2）吊掛中主饋電線長度為3.6m；

3）主饋電線選取260°C高溫銅導(dǎo)線；

4）120kVA連續(xù)容量下每相電流為347.8A。

采用電磁場有限元方法分別對兩種環(huán)境溫度下每相單股電纜和每相雙股電纜空間對稱式布局進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示，表1中同時給出了不同構(gòu)型下壓降和重量參數(shù)對比。兩種空間布局分別如圖5（a）和圖5（b）所示。

圖5中N為中線，圖5（a）中A、B及C為三相電纜，圖5（b）中A1和A2為A相電纜，B1和B2為B相電纜，C1和C2為C相電纜。

由表1可知，在100°C和150°C兩種環(huán)境下，雙股空間對稱式布局方案在阻抗值、壓降特性及重量方面均為較優(yōu)方案。同時，可以看出不同環(huán)境溫度下，線徑選擇也不同，繼而引起了主饋電線重量的變化，環(huán)境溫度越低，線徑越小，重量就相對較小。

5 結(jié)論

本文通過理論分析和實(shí)際工程分析，基于主饋電線工作環(huán)境、空間布局、提高電能品質(zhì)及優(yōu)化重量指標(biāo)等方面的考慮，給出了民用飛機(jī)變頻發(fā)電系統(tǒng)主饋電線的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并基于設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明本文提出的主饋電線優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對于優(yōu)化民用飛機(jī)變頻發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高供電品質(zhì)及降低線纜重量等方面有較大的工程意義。

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