民用飛機變頻發電系統主饋電線分析與設計研究

劉偉　趙健

【摘 要】在民用飛機領域，大功率變頻發電逐漸成為民用飛機電源系統主流技術，繼而影響變頻發電供電品質的主饋電線的優化設計顯得日益重要。本文通過理論分析，基于主饋電線工作環境、空間布局、提高供電品質及優化重量指標等方面的考慮，給出了一種新型的主饋電線構型及其優化設計方法。最后，通過發動機吊掛段主饋線的設計實例，驗證了本文給出的優化設計方法可在饋電線重量和影響供電品質的參數等方面獲得更優。

【關鍵詞】電源；變頻發電；民用飛機；主饋電線；優化

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

變頻發電系統的功率流圖如圖1所示，其中XF和RF分別表示主饋電線阻抗的電抗和電阻，發電系統的特性考核體現在調壓點（POR）處，由圖1可知主饋電線為連接VFG和POR處的功率回路，其阻抗對于優化發電機設計及提高發電系統在POR處的供電品質至關重要[5]，此外還須考慮饋線重量的優化。影響饋電線的主要因素主要包括線纜的工作環境溫度、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載不平衡引起的不平衡電壓特性，系統峰值電壓特性及大負載切換導致的系統瞬態特性等有至關重要的影響。

主饋電線阻抗值由電纜直徑、長度、溫度、每相電纜的個數以及電纜空間布局的決定，其正序電抗值決定了非線性負載工作時POR點電壓波形的畸變程度、系統峰值電壓值（需考慮由于饋電線阻抗引起的壓降，繼而保證POR點的調壓特性）及系統瞬態特性（主要是大負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電機容量需求的增加，故需更大勵磁要求，從大負載到輕載勵磁變化較大，繼而影響了系統瞬態特性），故在設計過程應盡量減小正序阻抗值。

零序阻抗在電網中出現不平衡負載和相間短路時，對電能品質有一定的影響。同時，對EMI和Lightning抑制有較大影響，故在設計過程也應盡量優化與零序阻抗相關的參數，以減小零序阻抗值，保證電能品質。

主饋電線空間對稱式布局可以消除在布置過程中，飛機金屬蒙皮對主饋電線阻抗的影響，消除蒙皮效應的影響；在復合材料機身情況下，由于機體為復材結構，無法承擔電流回路，即地回路的作用，空間對稱式布局可以達到既能優化電能品質，又能解決發電系統地回路的問題。

隨著飛機多電技術的發展，越來越多的飛機系統采用電能作為主要能源，對于變頻發電系統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增加。為了解決這一問題，需要采用每相多根較細電纜并聯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走線方式，可以降低線路阻抗，優化發電系統電能品質?？湛凸続380飛機150kVA變頻發電系統即采用了每相三根電纜并聯且空間對稱的布線方法。

由于空間對稱布局構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行固定和敷設，在飛機設計初期即要考慮相關布置通道空間及定位問題，在后續的試驗室驗證試驗中盡量采用與飛機構型一致的布局。

此外，部分民用飛機僅采用部分復合材料機身，在綜合權衡考慮重量和變頻發電系統性能的情況下，可在飛機復合材料部分采用空間對稱式布局；在金屬機身部分采用中線直接接機體金屬結構，以機體金屬結構作為電流回路的載體，而相線扭絞布置到配電中心的方式，這樣既省去了機身部分主饋電線中線的重量，又部分優化了主饋電線的阻抗值，達到重量和變頻發電系統性能的綜合優化設計。

3 環境因素對主饋電線設計的影響

由于布線路徑中環境因素（振動、溫度和材料特性等）的不同，還需要根據主饋電線布置的路徑分段優化設計主饋電線，按目前民用飛機的組成部分，可以按短艙、吊掛、機翼及機身等進行分段優化設計。

3.1 振動因素

重量對民用飛機來說至關重要，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格的要求，航空線纜標準[7]中規定鋁導線必須在按如下規定使用：

1）在發動機安裝的附件區及其它強振動區域不得使用；

2）經常拆裝的部位不得使用。

按照以上規定，鋁或鋁合金材料的導線不推薦在短艙、吊掛和機翼等強振動環境中使用。

3.2 溫度因素

由于發電機主饋電線隨著環境溫度的變化，考慮主饋電線熱容限的要求，其電流容量會相應發生變化[7]。環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，故隨著環境溫度的升高，主饋電線的電流容量會相應下降。因此，不同環境溫度下，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的需求，本文給出了主饋電線設計迭代過程如圖4所示。

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

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

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，繼而航空線纜標準[7]中關于線纜捆扎導致線纜載流量降低系數的要求不適用于空間對稱式布局的主饋電線。目前，尚無相關標準定義空間對稱式布局線纜的間距要求，但可通過相關試驗和熱場仿真分析來保證主饋電線工程設計的可行性。

4 設計實例-民用飛機吊掛主饋電線設計

在實際工程設計過程中，結合前文的定性分析，利用電磁場有限元分析方法，對不同構型下主饋電線進行分析，可以得到不同構型下的主饋電線阻抗值，同時考慮不同構型下饋電線重量因素，對變頻發電系統的主饋電線進行優化選擇，以支持變頻發電系統的進一步優化設計。本節以民用飛機發動機吊掛段主饋電線的設計為例，對不同環境溫度、不同構型下的主饋電線參數進行對比分析，驗證環境溫度及構型選擇對主饋電線相關參數的影響，支持變頻發電系統優化設計。

設計輸入如下：

1）吊掛環境溫度分別為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高溫銅導線；

4）120kVA連續容量下每相電流為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行分析，結果如表1所示，表1中同時給出了不同構型下壓降和重量參數對比。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方案。同時，可以看出不同環境溫度下，線徑選擇也不同，繼而引起了主饋電線重量的變化，環境溫度越低，線徑越小，重量就相對較小。

5 結論

本文通過理論分析和實際工程分析，基于主饋電線工作環境、空間布局、提高電能品質及優化重量指標等方面的考慮，給出了民用飛機變頻發電系統主饋電線的優化設計方法，并基于設計實例進行對比分析，結果表明本文提出的主饋電線優化設計方法對于優化民用飛機變頻發電系統設計、提高供電品質及降低線纜重量等方面有較大的工程意義。

【參考文獻】

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