舰用航空中频电源谐波标准适用性分析与制定

张志强，董恩庆，孙桂才

（1.海军装备研究院，北京 100161；2. 海军青岛地区装备修理监修室，山东 青岛 266002）

舰用航空中频电源谐波标准适用性分析与制定

张志强1，董恩庆2，孙桂才1

（1.海军装备研究院，北京 100161；2. 海军青岛地区装备修理监修室，山东 青岛 266002）

本文介绍了国内外相关中频电源谐波标准，不同标准在具体指标上差异明显。文中对不同中频电源标准的谐波限值指标进行了适用性分析，提出了制定舰用航空中频电源系统谐波标准的思路。

航空中频电源 谐波 标准 适用性分析

0 引言

舰面航空中频电源系统（以下简称中频电源）是舰载飞机保障系统的重要组成部分。早期飞机的外部电源，主要是用来启动飞机发动机，一般不直接并入机上电网。由于航空技术的发展和高性能飞机的出现，地面电源不再仅作为飞机发动机起动电源，同时也作为机载设备地面预热和起飞前性能检查电源。随着机载设备的电子化和电气化发展趋势，越来越多的非线性负载将接入中频电源系统。一方面，对中频电源的电能质量提出了更高的要求；另一方面，这些非线性航空设备将大量谐波注入中频电源系统中，会造成中频电源系统波形畸变，影响其他航空装备和系统的正常运行，因此必需制定相关谐波标准来规范各设备谐波发射水平，保障整个中频电源系统具有良好的供电质量。

1 航空中频电源相关谐波标准适用性分析

目前国内还没一个专门为舰载航空中频电源系统制定的相关标准，笔者将现有国内外涉及飞机用中频电源标准进行梳理，将其中涉及到谐波的相关条款列于表1中。

对表1所列标准大致可分为三类：一类舰船界面供电特性标准，属于舰船标准类，如GJB4000和美军标STD-1399；二类是飞机供电系统和飞机外部电源的特性要求标准，属于飞机标准类，如GJB181、美军标STD-704和 GJB572等；三类专用设备设计规范，属于设备规范类。三类类标准考虑内容和出发点各不相同，指标上也有所差异，甚至出现矛盾的地方。下面将对每一类谐波特性标准进行适用性分析。

1）舰船界面供电特性标准

对于舰船界面特性标准的品质界面置于设备（负载）的输入端，一般是负载配电板或配电箱入口处，涉及的面广包括了舰船各个系统和设备，包含的电压种类全，供电线制也从单相、三相和飞机专用的115/200 V三相四线中性点接地系统。可以以此为基础，建立适用于舰船航空电源系统的谐波标准。但是，舰船界面标准涉及的面太广，指标显得过于笼统，操作使用不便，尤其是指标上存在相互矛盾的地方，造成使用人员的无措。例如GJB4000中将品质界面分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三类分别设定指标限值。按此分类舰载航空电源系统机端115/200 V、400 Hz电压应采用Ⅲ型指标要求，谐波总畸变率和单次谐波含有量不超3%和2%。对于390 V、400 Hz网络电压应采用Ⅱ型指标要求，谐波总畸变率和单次谐波含有量不超5%和3%。一般来讲电压谐波总畸变率随着电压等级的升高会减小，反过来就是电压等级低的系统畸变更严重。现在矛盾是：按照Ⅱ型界面指标设计的390 V电压等级系统很可能在115/200 V电压等级上超出指标要求。

表1 中频电源谐波相关标准对比表[1-10]

MIL-STD-704F Aircraft electrical power characteristics 115/200 V 畸变频谱 ≤5% 飞机电源系统类GJB181A-2003飞机供电特性 115/200 V 最大畸变频谱，图2 ≤5% GJB181-1986飞机供电特性及对用电设备要求 115/200 V 单次不超过4% ≤5%飞机电源系统类（未经许可，交流设备总谐波电流的方均根值不超过基波电流有效值的10%）HB 5623飞机400Hz交流发电系统通用技术条件 115/200 V 单次不超过基波有效值2%≤基波有效值3% 飞机电源系统类GJB572-1988 飞机地面电源供电特性及一般要求 115/200 V 单次不大于4% ≤5% 飞机地面电源类GJB572A-2006 飞机外部电源供电特性及一般要求 115/200V 最大畸变频谱 ≤4% 飞机地面电源类GJB3706-1999 军用直升机地面电源供电特性一般要求 115/200 V 单次不超过3% ≤4% 飞机地面电源类GJB1910-1994 飞机地面电源车通用规范 208 V 单次不超过4% ≤5% 飞机地面电源类HB 6167.18 民用飞机机载设备环境条件和试验方法电源输入试验115 V 单次不超过基波4% ≤5% 飞机地面电源类三相发电机，单次不超过2% ≤3% GJB399A-1999舰船电动交流发电机组通用规范12 V、230 V 、400 V、390 V 单相发电机，单次不超过3% ≤5%设备规范类HB 5962飞机静止变流器通用技术条件 115/200 V 单次不超过基波4%≤基波5% 设备规范类GJB3279-1998 飞机静止变流器通用规范115 V单相，115/200 V三相 单次不超过4% ≤5% 设备规范类注：a本表称为总谐波畸变率，在其他标准中名称不同，如正弦性畸变率，畸变系数等。b谐波频谱：交流畸变通过每一频谱分量幅值的量化表示，频率低于1 MHz包括基波的整数倍的谐波和非整数倍的谐波分量。

2）飞机供电系统的特性要求标准

飞机供电特性标准如MIL-STD-704F、ГOCT 19705、GJB181，该类标准更强调其协调性，即作为飞机电源系统与机载设备之间的协调使用，可作为编制电源设备和用电设备产品规范的依据。其只规定了115/200 V、400 Hz三相四线中性点接地系统的特性要求，对无中线的390V、400 Hz系统不能直接使用，只能分析参照执行。近年来飞机地面电源的特性要求越来越趋向等同采用飞机供电特性指标要求，如GJB572中指标基本与GJB181相同。另外，飞机供电特性谐波标准今年来有越来越严格的趋势，可能跟高性能战机研制过程中大量采用电气传动设备和大功率雷达及电子设备的使用有关。如MIL-STD-704A升级F版总谐波畸变率限值由8%降为5%，GJB572-2006版替代了1988版时将总谐波畸变率限值由5%改为4%。多个飞机特性标准除采用规定了波形畸变系数和单次谐波含有量，还借鉴了电磁兼容的概念，提出了谐波最大畸变频谱，如图1是GJB181A中规定的交流电压最大畸变频谱。频率从10 Hz到500 kHz范围内给出了限值曲线，用畸变率和畸变频谱来度量波形的好坏显得更加直观、细致、全面，将谐波分量、非谐波分量以及幅值和频率调制引起的分量都包括在内。单次畸变率、总畸变率和畸变频谱共同约束了飞机供电系统谐波特性，能更好的反映出整体谐波情况。

3）专用设备设计规范

根据设备使用对象、采用原理和实现方法的不同，谐波指标设定也不完全一样。总体上电源设备标准不能低于飞机特性指标要求，因为电源设备在测量时一般不考虑配电网络和负载设备的影响，所以要求更显严格。考虑的电源产生方式的不同，静止变频电源相比旋转设备电源的谐波指标更为宽松。

图1 GJB181A规定的交流电压最大畸变频谱

除以上对谐波电压指标有具体要求外，有些标准还对注入谐波电流作出规定，如GJB181和GJB4000。GJB181对单个机载设备规定总畸变电流方均根值不超过基波电流有效值的10%，GJB4000规定400 Hz系统，额定容量大于或等于0.2 kVA的三相用电设备和额定容量大于或等于0.23 kVA的单相用电设备，其正常工作不应导致在输入电流的2次～32次之间存有大于设备满载基波电流3%的单次谐波线电流，且在32次～50次（对400 Hz用电设备）之间不应存有大于其满载基波电流（100/n）%（n为谐波次数）的单次谐波线电流。两项标准虽然做出了规定但不便执行。如GJB181中的规定没有对基波电流是否指设备满载工况下给出明确说明，这样就有可能出现当很多设备处于上电暖机过程其功率低但电流畸变非常严重，出现超过10%的限值的情况。但当设备额定工况工作时，电流波形相对较好可以满足不超过10%的限值。使用者对设备考核时就会出现有些工况指标合格有些工况不合格，无法对设备注入谐波情况做出明确判断。GJB4000规定基波电流为满载时，只规定了单次谐波的百分含量，对总畸变电流没有给出限值，这样就留下了隐患，即使不考虑32次以上的单次谐波含量，总畸变电流方均根值都可能超过满载基波电流有效值的16%。这样大的总谐波电流畸变值会影响到其他设备正常工作。

2 舰用航空中频电源系统谐波标准制定

2.1 电压谐波限值

舰用航空中频电源系统分为两级，对电压谐波限值设置应有区分。115/200 V机端电压等级与飞机供电系统的电压、电制等要求完全一样，应采用飞机供电特性的要求。目前国外、国内军用标准及行业标准大部分将115/200 V、400 Hz电压总谐波畸变定为不超过5%，单次畸变率不超过3%。除了对总谐波畸变率和单次谐波畸变率做出规定外还可引入交流畸变频谱对每一频率分量进行量化考核。

390 V电压等级与115/200 V等级有明显不同。一方面，飞机从115/200 V的母线取电，谐波电流直接注入115/200 V系统中，随着电压升高系统容量增大，电压总谐波畸变率应逐渐降低。另一方面，整个航空中频供电系统通过390 V母线相连，如果390 V的电压畸变过大将对整个网络上所有设备造成不良影响，因此390 V的电压畸变率设定应较115/200 V电压等级的指标严格。考虑到为将来应用静止变频航空中频电源系统留有余量，建议将电压总谐波畸变定为不超过4%，单次畸变率不超过3%。为了全面的判断波形的好坏建议390 V电压等级增加畸变频谱的考核，其谱线在图1的谱线基础上相应调整。

综上所述，建议舰用航空中频电源系统电压谐波限值在115/200 V机端电压等级上总谐波畸变不超过5%，单次畸变率不超过3%，390 V电压等级上总谐波畸变不超过4%，单次畸变率不超过3%，同时还要满足相应的谐波频谱要求。

2.2 电流谐波注入限值

忽略电网的背景谐波，谐波电压是由于谐波电流在阻抗上产出谐波压降而来，因而对注入电网的谐波电流量值应有限值，即应对用电设备的谐波发射允许值进行分配。限值的大小与系统承受骚扰能力有关，还跟设备的特征谐波有关。在具体分配谐波发送限值时，先按照用户接入系统的公共连接点处供电容量和用户协议容量之比，决定分配给用户的总谐波畸变率值，然后根据用户特征谐波具体情况再对每次谐波电流限值进行分配。将系统简化为一个2端口网络，图2所示，则端口处的总谐波电压畸变率等于用户总谐波电流畸变率乘以系统阻抗。

图2 2端口网络

由于舰用航空中频电源系统特殊用途，其每一路用电负荷分配的谐波电路限值应该相同，即将舰载机设计容量和每支路的供电容量（变压器容量）之比代入式（1）求得每支路分配的总谐波电流畸变率，然后根据舰载机特征谐波具体情况进行单次谐波电流值的分配。考核时以该支路实际最大负荷电流（或满载电流）的基波IL1为基值，计算各次谐波电流（Ih）畸变率和总畸变率。

单次谐波电流畸变率：

式（1）只是一个理想分配模型，得到的值是一个理论最大分配值，实际还必须考虑系统阻抗和谐波源的不确定性，谐波电压和谐波电流的相互关联性等因数影响，以实际测试结果修正理论计算值并留有必要的裕度。综合考虑以上因素设定一个合理的总谐波电流畸变率值THDI。

3 结论

本文在航空中频电源谐波标准适用性分析的基础上对制定相应的谐波标准提出了初步的看法。制定出完善的谐波标准需要在很多方面进行研究和论证，如当前技术水平和经济可承受能力、谐波测量方法和数据处理、多谐波源叠加问题、背景谐波问题、不同设备的准许注入电网的谐波电流值等等。谐波标准指标制定原则不能过松，过松会带来超过电网承受能力的谐波含量，造成严重的电能质量问题；也不能过严，指标过高过严超过的当前技术水平，就会造成不必要的浪费。

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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

张志强（1977-），男，博士，工程师。研究方向：舰船电力系统及标准化。