第4章 飞机输配电系统的控制及保护

第四章飞机输配电系统的控制及保护,本章内容,一、电网的构造形式二、飞机配电方式三、并联供电四、飞机交流电源的控制五、直流电源的故障与保护六、飞机交流发电机的故障及其保护,3,第一节电网的构造形式,一、直流电网,直流电网低压直流电源系统，单线制、双线制单线制：直流发电机的负线接到机体上优点：电网质量轻、电压损失小、便于连接使用和维护缺点：容易短路、对罗盘和无线电接收机干扰大双线制：电源的正极与用电设备正极连接，负极与负极连接优点：可靠性高，对飞机仪表和无线电接收机影响小,4,二、交流电网,交流电网：单相交流电源系统、三相交流电源系统单相交流电源系统：以一根馈线将电源连接到汇流条另一根利用飞机机体形成回路缺点：发电机利用率低，使用少,三相交流电源系统,三相四线制三相三线制三角形三相制,优点：电网轻；可提供两种电压；控制、保护设备较简单。,缺点：单相用电设备的电压波形失真较大。,以机体为中线的三相四线制,飞机机体,优点：电网轻电压波形失真小机上人员安全性高。,缺点：只能提供一种电压某一相断路时，会发生“串联”故障。,不接中线的三相三线制供电系统,优点：节省导线缺点：较少使用,以单相为主而兼有三相的供电系统,10,第二节飞机配电方式,概述,飞机供电系统由电源系统和输配电系统构成输配电系统：实现电能到用电设备的输送、分配和控制保护。输配电系统（配电系统、飞机电网）由导线或电缆、配电装置、保护装置及检测仪表等构成,供电网：从飞机电源、电源汇流条到用电设备汇流条间的部分配电网：从用电设备汇流条到用电设备间的部分,一、输配电形式,飞机直流电网分为：供电网和配电网两部分,集中式分散式混合式,集中式配电,15,中央集中配电方式：飞机只有一个电源中心，每个负载都有专用的供电导线和控制导线，用跳开关作为保护器件，用继电器或接触器控制负载的工作。,集中配电系统特点：,结构简单设备电压稳定、可靠易于检查和排查故障配电导线重量较大适用于用电量不大的小型飞机,分散式配电(独立式),18,分散管理配电方式：除了一个电源中心外，还有若干个分中心，每个电源分中心由电源二次分配组件进行控制。负载的通断用固态电源控制器进行远程控制，一般采用远程控制开关作为保护器件。,ICC:IntegratedContralCenter综合控制中心SPDA：SecondPowerDistributionAssembly二次配电装置,独立配电系统特点：,控制设备复杂局部电网电压波动和变化不会影响整个电网局部电网电压变化时波动大电源转换需一定时间，会导致供电中断大大减轻了配电导线的重量,混合式配电,混合配电系统特点：,结构简单、功能分散易于检查和排查故障配电导线质量轻但用电设备端电压随用电设备个数和负载变化适用于中型或者中大型飞机,开式（辐射式）电能只能从一个方向传送到用电设备汇流条。结构简单、电网质量轻闭式（环形）由两个或者两个以上方向向用电设备汇流条供电。可靠性高,供电网分类,常规式遥控式固态式,配电系统的控制方式,电源线和用电设备输电线都集中于座舱内由飞行员控制电源和用电设备电路的接通或断开,配电汇流条设于用电设备附近飞行员在座舱内通过继电器或接触器接通或断开电路,特点：座舱内只有控制线，没有供电线。,应用微型计算机和分时多路传输总线来控制电源和用电设备的通或断减轻了飞行人员的负担，降低了飞机电网的重量，提高了电网的可靠性和维修性,特点：既有遥控式的特点，又简化了控制线。,二、飞机电气综合控制系统,27,（一）概述飞机综合控制系统：以计算机为中心的通过多路数据总线和固态混合式功率控制器构成的新型配电系统。特点：电网质量轻具备容错供电能力负载自动管理（功率分配、有秩序加卸载）采用固体功率控制器资源共享具有自检测功能,航空电气综合系统结构框图,基本思想,使用分布式计算机系统实现电气设备的综合管理使用双余度数据总线完成电气控制系统间的数据交流与信息共享通过电子信息处理机进行信息的综合与管理,优点：,信息综合、资源共享，实现电气系统管理的高度自动化电源出现故障，系统报告、显示、存储故障，还可通过功能转移、系统降级等完成电气系统重组根据电源状态及用电设备的优先级实现梯次供电系统控制即可自动控制也可进行人工干预具有地面维护自检和运行自检能力,电气负载管理中心方框图,配电中心智能终端固态功率控制器,1、配电中心,配电中心有直流汇流条、交流汇流条和蓄电池汇流条汇流条采用自动后备方案（基本电源、备用电源）为负载提供电源监控电源、汇流条工作状态完成电源的切换,2、固态功率控制器（SSPCSolid-StatePowerController）,无触点开关电器，由半导体器件构成的智能开关可替代传统的机械开关、断路器、继电器和接触器，用于控制负载电路的通断，实现电路保护和对负载的控制向处理器提供：正常、故障、跳闸三种状态接受主机的控制命令功能：根据指令接通或断开负载远程控制能力过载保护限流控制,功率小、寿命长、无电磁干扰、灵敏度高,3、智能终端,电气管理系统的中枢相对于常规飞机的配电盒监控电源系统各汇流条的情况、采集SSPC状态实施电路控制故障信息存储、上传,（二）电气负载管理系统（B777）,电气负载管理系统（ELMSElectricalLoadManagementSystem）完成汇流条的转换用电设备的控制电气负载的监控,电气管理系统,用电设备接通电源控制EEU（ElectricalElectronicUnit电气负载管理系统的电子单元）控制外部控制远距控制负载管理危机时卸去次要负载：厨房负载、普通用电汇流条上的负载、厕所与厂房的风扇、液压泵、座椅电子设备,37,第三节并联供电,38,并联供电优点可实现不中断供电，可靠性高系统容量大，供电质量高,一、概述,供电系统要求：两台发电机的负载分配，在总负载接近两台发电机额定负载之和时，要求能够接近于均衡状态,39,直流电源投入电网的条件,电源极性和电网极性相同电源电压和电网电压相同,二、直流电源并联供电,两台直流发电机并联原理图,要求：I=I1-I2=0,41,负载均衡的概念,两台发电机并联，如果两台发电机的输出电流相等，各为负载电流的一半，则称负载分配是均衡的。,42,负载均衡的条件,两个调压器所保持的电压相等，即U1=U2两台发电机的正线电阻相等，即R+1=R+2,（二）提高负载分配均衡性的措施,两台发电机的转速不可能完全相同，引起U1与U2不可能完全相同各导线连接情况（拧紧、清洁状况等）不同，接触器电阻不同，引起R+1与R+2不可能完全相同,44,1、炭片调压器的均衡电路,碳片调压器,碳片调压器采用均衡线圈提供负载分配的均衡性均衡线圈减少电流差的实质是将与电流有关的信号反馈到调压器的检测电路，改变调节点的电压，提高负载分配的均衡性,2、发电机与蓄电池的并联运行,发电机投入已有蓄电池的飞机直流电网，需满足的条件：发电机极性必须与电网极性相同发电机电压略高于电网电压（低于电网会有反流，使发电机断开）,发电机蓄电池并联运行原理图,47,发电机与蓄电池电流分配图,1,2,3,30,25,如果电网中没有负载，则发电机仅对蓄电池充电；如果接有负载，则发电机对负载供电，对蓄电池充电；如果负载加大到一定值，发电机仅对负载供电，充电电流为0；负载进一步加大，电网电压低于蓄电池电压，蓄电池转为放电状态,注意,48,1）通常将调节点压降限制在0.25伏以内。2）调节点调定电压的高低对蓄电池的工作影响很大。如果调定电压过低，蓄电池会在负载电流较小的情况下就开始放电。这样会使电池容量减小，失去应急电源的作用。反之，调定电压太高，蓄电池一直处于充电状态，造成能量浪费。3）蓄电池的充放电程度对负载分配影响较大，在调定电压不变时，充电不足的蓄电池与发电机并联，充电电流会很大。这不仅会降低电池寿命，而且会在负载较小时就使发电机过载。一旦发电机故障不能供电，蓄电池也不能起应急电源的作用。因此，未充足电的蓄电池不应装机使用。,三、交流发电机的并联运行,恒速传动装置之间不需要设置功率自动均衡装置，降低了系统的复杂性；电气系统中某一部分的扰动仅影响到与该台发电机有关的那一部分系统；由于不需要考虑发电机负载均衡的问题，可以充分利用单台发电机的全部容量调节、控制与保护设备简单，有利于提高系统的可靠性,交流发电机不并联运行的优点,交流发电机并联运行的优点,电压负载在供电的各发电机之间均匀分配；多发电机系统中，一台发电机发生故障不会导致主系统停止供电；在某些使用条件下，安装容量在给定的时间-电压干扰特性下，能满足更大的起动电流和尖峰负载的要求，同时能更有效地利用发电机的安装容量；并联系统可以使反延时的过流保护装置动作更迅速。,交流发电机并联运行的条件,发电机的电压波形应与电网电压波形一致，为正弦波；发电机的相序应与电网电压的相序一致；发电机的频率应与电网频率相近（频差越大同步时间会越长）；发电机电压应与电网电压相近；发电机电压与电网电压间的相位差应小，以减小投入时的冲击,并联要求:电压差不超过额定电压的510%；频率差不超过额定频率的0.51%；相位差不超过90。(电压波形和相序已经确定),不满足并联条件时，发电机投入电网将引起很大的电流、电压和功率冲击，以致电网上并联发电机解列，退出并联,交流发电机的并联运行,电网电压检测电路,检测电网上有无电压当电网上无电压时，即没有其它发电机连接在电网上，发电机可以立即投入电网当电网上有电压时它不会输出合闸信号,自动并联检测电路,通过敏感发电机与电网之间的差值电压来判断是否满足并联条件当并联条件满足时，就会发出令发电机并网的合闸信号,或门鉴压电路,对电网电压检测电路和自动并联检测电路输出信号进行“或”运算即：电网无电压或符合并联条件时输出合闸信号,自触发电路,对合闸信号进行放大，以便有足够的功率推动大功率晶体管，进行合闸,控制执行电路,由大功率晶体管和发电机断路器GB组成，控制发电机是否投入电网,自动并联装置原理方框图,检测电网上有无电压,检测发电机与电网之间的电压差,进行或运算产生合闸信号,对合闸信号放大,控制发电机投入电网,自动并联装置原理电路,可控硅(SCR:SiliconControlledRectifier),（二）交流负载的自动均衡,保证并联运行的各发电机间负载相等即：各台发电机输出的有功功率和无功功率相等,无功负载均衡(reactiveloadsharing),保持并联交流电源系统中各发电机的无功负载电流彼此平衡,基本方法：调节发电机的励磁电流,62,无功电流均衡装置原理,63,有功负载均衡(realloadsharing),保持并联交流电源系统中各发电机的有功负载电流彼此平衡,基本方法：,调节恒速传动装置的转速调节器来调整发电机输出有功功率,64,有功电流均衡装置原理,65,第四节飞机交流电源的控制,66,一、概述,1.发电机励磁控制继电器(GCR)：GeneratorControlRelay控制发电机励磁电路的接通与断开，即决定发电机是否能够励磁发电；2.发电机断路器(GB)(又称为发电机接触器GC或发电机控制断路器GCB)：GeneratorBreaker/GeneratorControlBreaker控制发电机能否投入电网并向各自的发电机汇流条供电，即决定发电机是否输出；,67,3.汇流条连接断路器(又称并联断电器)(BTB)：BusTieBreaker它可将各发电机汇流条与同步汇流条或连接汇流条接通与断开，即决定发电机是否并联供电或发电机汇流条之间是否交互供电；4.外电源接触器(EPC)：ExternalPowerContactor飞机停在地面，接上外电源时，它决定外电源是否向机上电网供电。,68,控制保护装置的作用:人工或自动地接通、断开或转换开关装置。控制:主要是根据供电方式的需要及一定的逻辑关系，控制发电机和电网的开关元件，以完成发电机和电网主要汇流条的接通、断开或转换工作。保护:在发电机或电网局部出现故障时，有选择性地自动断开某些开关装置，使故障部分与正常供电系统隔离，防止故障扩大，保证系统正常供电。,69,飞机电源系统的控制保护器,继电器型磁放大器型晶体管型,70,二、单独供电的控制关系,（一）简化原理图,71,（二）工作概况1.地面外电源供电,72,2.APU发电机供电,73,3.主发电机供电,74,4.故障状态(G1故障),75,单独供电的控制特点,对每一汇流条而言，任一时刻只能有一种电源供电，后者供电时前者自动断开不是连续供电，其供电可靠性较差（与并联供电相比）控制保护比较简单,76,三、关联供电的控制关系,（一）简化原理图,77,（三）工作概况-并联,78,工作概况-故障状态1G1,79,故障状态2汇流条,80,3、单独供电与并联供电的混合状态,通过GCB和BTB不同组合控制,81,并联供电的控制特点,通过同步汇流条实现并联供电连续供电，供电可靠性高控制保护复杂,82,主要控制的逻辑关系,83,（一）GCR的控制逻辑,84,（二）GB的控制逻辑,85,（三）BTB的控制逻辑,86,（四）EPC的控制逻辑,四、飞机交流电源的不中断供电转换控制,航空技术发展，微处理器的大量使用，要求不间断供电普遍采用的技术：电源正常转换时，把各电源进行短时间并联，再断开电源，由新电源承担供电任务。并联条件：电压波形、相序、频率、电源值与投入并联瞬间的相位差都要求在规定的范围内保证并联瞬间冲击电流与冲击功率不超过允许范围,不中断供电,（一）主发电机之间实现不中断供电(二）外电源/APU发电机与IDG之间实现不中断供电（三）APU发电机与外电源之间实现不中断供电,外接电源,APU,IDG,IDG,GPCU,GPCU地面电源控制装置,A340供电系统简图,外电源A供电,外电源A和APU共同供电,A340供电系统简图,A340不中断供电控制方框图,92,本章英文缩写,BTB:BusTieBreaker汇流条连接断路器(又称并联断电器)BTC：BusTieContactor汇流条连接接触器CMC：CentralMaintenanceComputer中央维护计算机DP：DifferentialProtection差动保护ECMU:ElectricalContactorManagementUnit电源接触器管理组件EPC：ExternalPowerContactor外电源接触器FMC:FlightManagementComputer飞行管理计算机GCR：GeneratorControlRelay发电机励磁控制继电器GB：GeneratorBreaker发电机断路器GC：GeneratorContactor发电机接触器GCU：GeneratorControlUnit发电机控制装置GCCU：GeneratorChangeControlUnit发电机变换控制装置GCB：GeneratorControlBreaker发电机控制断路器GLC:GeneratorLineContactor发电机主接触器GPCU:GroundPowerControlUnit地面电源控制单元SIC:SystemIsolationContactor系统隔离接触器,93,第五节直流电源的故障与保护,主电源的控制应急电源的控制地面电源的控制起动发电机的控制,发电机反流保护过电压与过励磁保护发电机反极性保护过载保护短路保护,控制,保护,控制与保护,一、直流发电机的反流保护,反流：流入发电机的电流,反流的危害,白白地消耗蓄电池或发电机的电能过大的反流还会烧坏蓄电池或发电机,反流切断继电器工作原理,现在一般采用在直流发电机的输出端串联二极管，限制反流,二、过电压与过励磁故障的保护,持续过压：由发电机励磁电路或调压器故障，引起，持续时间较长可将蓄电池充爆，也可能烧坏发电机，危害大。瞬时过压：电源系统在调压过程中会引起，瞬时过压，持续时间极短，危害较小。,应具有反延时特性,对过电压保护装置的要求:,作用：当发电机出现过压时，迅速将过压发电机的励磁磁场消除（或者减小到安全程度），同时把该发电机的输出电路断开。瞬时过压，电压保护不应动作,过压继电器过压保护电路图,在过压继电器动作后，自锁机构使它的触点保持在断开状态，必须在查明原因、排除故障后，方可按压恢复按钮使其恢复正常状态。,过压时,101,第六节飞机交流发电机的故障与保护,102,一、飞机交流发电机的故障种类,发电机相断路故障发电机电压故障发电机频率故障发电机欠速故障旋转整流器短路故障副励磁机短路故障馈电线短路故障,103,1、发电机相断路故障,定义：发电机的某一相负载电流远小于其它两相电流保护指标：当检测到负载最小相电流还不足其它两相中负载较轻相电流的15%时，应在4秒内断开GCR延时方式：固定延时方式,104,2、发电机电压故障,过压故障（OV）欠压故障电压不稳定故障,105,电压故障原因,发电机励磁电路不正常，如旋转整流器短路或开路、励磁机电枢绕组短路等由调压器故障导致当发电机输出电压幅值波动时，很可能是由于调压器或CSD中的调速器的工作不稳定造成的,106,过压的种类,瞬时过电压持续过电压,107,持续过压故障危害,容易损坏灯光照明与电子设备过压愈高，造成损坏所需时间愈短,108,敏感电路鉴压电路反延时电路,过压保护电路的主要组成,109,过压保护指标及要求,电源系统中大功率感性负载断开，或短路故障切除时，系统电压也会出现大幅度波动，这是允许的，保护装置不应该动作当发电机最高相电压超过129.5V时，断开GCR，发电机不能发电保护电路采用反延时方式,110,欠压保护指标及要求,当发电机三相电压平均值为103106V时，要求在810秒内将发电机的GCR断开保护电路采用固定延时欠压故障的保护装置功能往往被欠速和欠频故障保护装置的保护功能所覆盖,111,电压不稳定保护指标及要求,当发电机输出电压的幅值波动，且波动幅值超过了额定电压的7%，频率的波动值超过了9Hz时，要求断开GCR采用反延时方式,112,3、发电机频率故障,定义：发电机输出电压的频率超过规定值一定时间原因：多是由恒速传动装置(包括调速器)以及飞机发动机的不正常工作引起的,113,发电机频率故障分类,过频欠频,114,过频保护指标及要求,当发电机的输出频率为425430Hz时，要求在1秒内断开发电机的GCR采用固定延时方式,115,欠频保护指标及要求,当发电机的输出频率为370375Hz时，要求在1秒内断开发电机的GCR。当发电机的输出频率为345355Hz时，要求在0.14秒内断开发电