民用飛機(jī)用電設(shè)備供電線路壓降計(jì)算與分析方法研究

胡璇　楊溢煒　劉麥玲

【摘 要】機(jī)載用電設(shè)備供電線路的壓降計(jì)算與分析在民用飛機(jī)電氣線路設(shè)計(jì)及符合性驗(yàn)證中發(fā)揮著重要的作用，保障了飛機(jī)各用電設(shè)備和系統(tǒng)在各種飛行條件下的安全運(yùn)行。本文介紹了相關(guān)適航條款要求及壓降計(jì)算與分析的意義和內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上研究了直流、交流供電線路的壓降計(jì)算方法和輸入輸出，提出了壓降計(jì)算結(jié)果分析與校核的基本思路和要求。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；供電線路；壓降計(jì)算；分析與校核

隨著航空電子、電氣設(shè)備的日益發(fā)展，機(jī)載用電設(shè)備的數(shù)量在迅速地增加。與此同時，由用電設(shè)備供電故障導(dǎo)致設(shè)備或系統(tǒng)功能失效的風(fēng)險(xiǎn)概率也相應(yīng)提高。為保證用電設(shè)備和系統(tǒng)能夠在飛機(jī)各種飛行條件下正常、安全地運(yùn)行，需對其供電線路的壓降進(jìn)行多輪計(jì)算與分析，以使電能得以可靠而有效地被輸送到各個用電設(shè)備或系統(tǒng)的輸入端。

本文基于相關(guān)適航條款要求介紹了用電設(shè)備供電線路壓降計(jì)算與分析在民用飛機(jī)電氣線路設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證中的重要意義，重點(diǎn)對供電線路壓降計(jì)算與分析的基本方法和思路進(jìn)行了研究。

1 適航條款要求

民用飛機(jī)機(jī)載用電設(shè)備的供電線路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足CCAR-25-R4《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》[1]中第25.1351（b）（3）項(xiàng)條款的要求，即在任何可能的運(yùn)行條件下，所有重要負(fù)載設(shè)備端的系統(tǒng)電壓和頻率（如果適用）均能保持在該設(shè)備的設(shè)計(jì)限制范圍之內(nèi)。其中，重要負(fù)載設(shè)備指的是為完成正常飛行任務(wù)所需要的機(jī)載用電設(shè)備。而飛機(jī)上大部分的用電設(shè)備都屬于重要負(fù)載的范疇。[2]

2 壓降計(jì)算與分析

為滿足適航條款的要求，需保證從飛機(jī)匯流條端（即配電點(diǎn)）到用電設(shè)備端之間供電線路上的壓降限定在可接受的范圍內(nèi)，以滿足機(jī)載用電設(shè)備的用電需求，從而使得用電設(shè)備和系統(tǒng)可以完成其預(yù)定的功能。用電設(shè)備供電線路壓降的計(jì)算與分析，在民用飛機(jī)各系統(tǒng)電氣線路設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證的過程中都發(fā)揮著重要的作用：

（1）在系統(tǒng)電氣線路設(shè)計(jì)的過程中，根據(jù)已知的用電設(shè)備工作電流和線纜機(jī)械強(qiáng)度要求完成供電線纜的初步設(shè)計(jì)選型后，需要通過供電線路的壓降計(jì)算與分析來校核用電設(shè)備供電線路的設(shè)計(jì)是否合理。若壓降計(jì)算結(jié)果在允許的范圍內(nèi)，則該用電設(shè)備的供電線路設(shè)計(jì)可視為滿足要求；若壓降的計(jì)算結(jié)果超出了允許的范圍，則應(yīng)對該用電設(shè)備的供電線路設(shè)計(jì)采取相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化措施，如調(diào)整供電線纜的線規(guī)大小或敷設(shè)路徑。

（2）在系統(tǒng)電氣線路符合性驗(yàn)證的過程中，則需采用壓降計(jì)算與分析的方法表明各系統(tǒng)用電設(shè)備供電線路的設(shè)計(jì)符合相關(guān)適航條款要求。

3 壓降計(jì)算基本方法

飛機(jī)匯流條端到用電設(shè)備端之間的供電線路（包括地回路）示意圖如圖1所示，供電線路壓降ΔV是由其間各個傳導(dǎo)部件上產(chǎn)生的壓降總和組成，且為匯流條端輸出電壓V1與用電設(shè)備輸入端電壓V2之差。在進(jìn)行壓降計(jì)算時，應(yīng)考慮在飛機(jī)電源系統(tǒng)各種工作狀態(tài)下匯流條端輸出電壓的不同，包括正常供電狀態(tài)、非正常供電狀態(tài)和應(yīng)急供電狀態(tài)。

圖1 用電設(shè)備供電線路示意圖

在飛機(jī)各系統(tǒng)用電設(shè)備的供電線路設(shè)計(jì)中，除了線纜還可能會有繼電器、接觸器、連接器、接線模塊等電氣元器件，但由于電阻值較小其壓降可以忽略不計(jì)。因此，本文在計(jì)算用電設(shè)備供電線路壓降時，僅考慮線纜（包括接地線）處產(chǎn)生的壓降。由于直流和交流供電線路中導(dǎo)線的阻抗組成部分不同，導(dǎo)致其壓降計(jì)算方法也有所區(qū)別，接下來將分別進(jìn)行介紹。

3.1 直流供電線路壓降計(jì)算

直流供電時，供電線路壓降ΔV的計(jì)算方法如式（1）所示：

ΔV=R×I （1）

式中：

R——導(dǎo)線總電阻，？贅；

I——用電設(shè)備工作電流，A。

整個供電線路中可能選用不同型號的線纜，故需分別計(jì)算線路中各段導(dǎo)線的電阻，導(dǎo)線總電阻為各段導(dǎo)線電阻之和。因此，式（1）中導(dǎo)線總電阻R的計(jì)算方法如式（2）所示：

R=ΣR0=Σr0×l （2）

式中：

R0——各分段導(dǎo)線的電阻，？贅；

r0 ——導(dǎo)線單位長度電阻，？贅/mm；

l——各分段導(dǎo)線的長度，mm。

導(dǎo)線電阻是溫度的函數(shù)，將隨著導(dǎo)體溫度的升高而變大。式（2）中導(dǎo)線的單位長度電阻r0的計(jì)算方法如式（3）所示[3]：

r0=r1×（234.5+T0）/（234.5+20℃） （3）

式中：

r1——導(dǎo)線在溫度為20℃時的單位長度電阻，？贅/mm；

T0——導(dǎo)線的導(dǎo)體溫度，℃。

而導(dǎo)線的導(dǎo)體溫度則與導(dǎo)線所處環(huán)境溫度和電流引起的導(dǎo)體溫升有關(guān)。式（3）中導(dǎo)線導(dǎo)體溫度T0的計(jì)算方法如式（4）所示[3]：

T0=T1+[（T2-T1）×（I/Imax）2] （4）

式中：

T1——導(dǎo)線所處環(huán)境溫度，℃；

T2——導(dǎo)線溫度等級，℃；

Imax——導(dǎo)線額定載流量，A。

3.2 交流供電線路壓降計(jì)算

交流供電時，供電線路壓降ΔV的計(jì)算方法如式（5）所示：

ΔV=|Z|×I （5）

式中：

Z——導(dǎo)線總阻抗，？贅；

I——用電設(shè)備工作電流，A。

交流供電回路中，導(dǎo)線的阻抗由電阻和電抗兩部分組成。公式（5）中導(dǎo)線總阻抗Z的計(jì)算方法如式（6）所示：

Z=R+jX （6）

式中：

R——導(dǎo)線總電阻，？贅；

X——導(dǎo)線總電抗，？贅。

其中，公式（6）中導(dǎo)線總電阻R的計(jì)算方法如式（2）所示，總電抗X的計(jì)算方法如式（7）所示：

X=ΣX0=Σx0×l （7）endprint

式中：

X0——各分段導(dǎo)線的電抗，？贅；

x0——導(dǎo)線單位長度電抗，？贅/mm；

l——各分段導(dǎo)線的長度，mm。

因非電源系統(tǒng)機(jī)載用電設(shè)備工作電流較小，在計(jì)算該用電設(shè)備供電線路導(dǎo)線電抗時不考慮與其他供電線路的互感部分。公式（7）中導(dǎo)線單位長度電抗x的計(jì)算方法如式（8）所示[2]：

x0=2πf （4.6lgD/r+0.5μr）×10-10 （8）

式中：

f——交流電網(wǎng)基波頻率，Hz；

D——在單相交流電路中為導(dǎo)線與飛機(jī)機(jī)殼間距離的兩倍，在三相交流電路中為三相導(dǎo)線間的幾何平均距離（DAB×DBC×DCA）1/3，mm；

r——導(dǎo)線導(dǎo)體截面半徑，mm；

μr——導(dǎo)線材料相對導(dǎo)磁系數(shù)，銅導(dǎo)線或鋁導(dǎo)線的μr=1。

3.3 輸入輸出

用電設(shè)備供電線路壓降計(jì)算的主要輸入有：

（1）供電性能參數(shù)：各種電源系統(tǒng)工作狀態(tài)下匯流條端輸出電壓、交流電網(wǎng)基波頻率；

（2）用電設(shè)備信息：負(fù)載類型及用電需求、正常工作電壓范圍、工作電流、機(jī)上安裝位置；

（3）導(dǎo)線性能參數(shù)：單位長度阻抗、溫度等級、額定載流量、導(dǎo)體截面半徑、導(dǎo)體材料相對磁導(dǎo)系數(shù)；

（4）導(dǎo)線敷設(shè)信息：導(dǎo)線長度及所處環(huán)境溫度、導(dǎo)線與飛機(jī)機(jī)殼間距、三相供電線的間距。

用電設(shè)備供電線路壓降計(jì)算的主要輸出有：

（1）匯流條端到用電設(shè)備端之間供電線路的壓降值；

（2）各種電源系統(tǒng)工作狀態(tài)下用電設(shè)備供電輸入端的電壓值。

4 計(jì)算結(jié)果分析與校核

為滿足適航條款的要求，在完成各用電設(shè)備供電線路壓降計(jì)算之后，需要對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析以校核飛機(jī)用電設(shè)備供電線路的設(shè)計(jì)是否合理，以及是否需要采取進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化的措施。壓降計(jì)算結(jié)果分析與校核的主要內(nèi)容和要求為：

（1）判斷壓降計(jì)算結(jié)果是否滿足供電線路最大允許壓降的要求，即計(jì)算得到的壓降值是否小于最大允許壓降值。在民用飛機(jī)系統(tǒng)電氣線路設(shè)計(jì)中，通常對匯流條端到用電設(shè)備端之間的供電線路有最大允許壓降的要求。對此，AC43.13-1B Acceptable Methods， Techniques and Practices-Aircraft Inspection and Repair中給出了不同供電電壓下供電線路的最大允許壓降值如表1所示[4]。

表1 不同供電電壓下的最大允許壓降

（2）判斷壓降計(jì)算結(jié)果是否滿足用電設(shè)備的用電需求，即用電設(shè)備輸入端的電壓值是否在用電設(shè)備的正常工作電壓范圍之內(nèi)。

（3）如壓降計(jì)算結(jié)果滿足以上最大允許壓降要求和用電設(shè)備的用電需求，則可認(rèn)為用電設(shè)備供電線路的設(shè)計(jì)是合理并符合要求的；如不滿足則需對當(dāng)前用電設(shè)備供電線路的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，比如在合理范圍內(nèi)選用導(dǎo)體截面更大的供電線纜或縮短線纜的敷設(shè)路徑，來降低用電設(shè)備供電線路上的壓降。

5 結(jié)論

為保證飛機(jī)各用電設(shè)備安全運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能，用電設(shè)備端的輸入電壓應(yīng)保持在該設(shè)備的設(shè)計(jì)限制范圍之內(nèi)。為此，需要通過供電線路壓降計(jì)算與分析對各用電設(shè)備供電線路設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行校核。本文對飛機(jī)匯流條端至用電設(shè)備端的直流、交流供電線路壓降計(jì)算方法和輸入輸出進(jìn)行了研究，給出了壓降計(jì)算結(jié)果分析與校核的基本思路和要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]CCAR-25-R4.中國民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國民航總局，2009.

[2]馬述訓(xùn).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].航空工業(yè)出版社，1999.

[3]SAE ARP4404C， Aircraft Electrical Installations[S].SAE International，2013.

[4]AC43.13-1B， Acceptable Methods， Techniques and Practices - Aircraft Inspection and Repair， Federal Aviation Administration， 1998.

[責(zé)任編輯：張濤]endprint