民用飞机变频发电系统主馈电线分析与设计研究

刘伟　赵健

【摘 要】在民用飞机领域，大功率变频发电逐渐成为民用飞机电源系统主流技术，继而影响变频发电供电品质的主馈电线的优化设计显得日益重要。本文通过理论分析，基于主馈电线工作环境、空间布局、提高供电品质及优化重量指标等方面的考虑，给出了一种新型的主馈电线构型及其优化设计方法。最后，通过发动机吊挂段主馈线的设计实例，验证了本文给出的优化设计方法可在馈电线重量和影响供电品质的参数等方面获得更优。

【关键词】电源；变频发电；民用飞机；主馈电线；优化

【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，出于对变频发电系统在成本、重量、能量可逆性等方面的优势[1-2]，全球飞机制造商们越来越青睐变频发电系统，目前在役的新机型A380，在研机型B787、A350及C系列均选用了变频发电系统。相对于恒频电源系统，变频电源系统由于供电频率范围较宽及发电机容量的增加，变频发电机（VFG）主馈电线的压降和热载荷、环境温度影响、蒙皮效应及随之带来的供电品质等问题[3-5]均将更加突出，从而对VFG主馈电线的优化设计提出了更加严格的要求。本文从基于VFG主馈电线工作环境、空间布局、阻抗及其重量等方面的分析，优化VFG主馈电线的设计，继而优化变频发电系统的性能。

变频发电系统的功率流图如图1所示，其中XF和RF分别表示主馈电线阻抗的电抗和电阻，发电系统的特性考核体现在调压点（POR）处，由图1可知主馈电线为连接VFG和POR处的功率回路，其阻抗对于优化发电机设计及提高发电系统在POR处的供电品质至关重要[5]，此外还须考虑馈线重量的优化。影响馈电线的主要因素主要包括线缆的工作环境温度、容量需求及空间布局等。

1 主馈电线阻抗的定义

主馈电线的阻抗值对负载不平衡引起的不平衡电压特性，系统峰值电压特性及大负载切换导致的系统瞬态特性等有至关重要的影响。

主馈电线阻抗值由电缆直径、长度、温度、每相电缆的个数以及电缆空间布局的决定，其正序电抗值决定了非线性负载工作时POR点电压波形的畸变程度、系统峰值电压值（需考虑由于馈电线阻抗引起的压降，继而保证POR点的调压特性）及系统瞬态特性（主要是大负载的卸载或切除及短路故障移除等情况，由于馈电线阻抗的增加引起了对发电机容量需求的增加，故需更大励磁要求，从大负载到轻载励磁变化较大，继而影响了系统瞬态特性），故在设计过程应尽量减小正序阻抗值。

零序阻抗在电网中出现不平衡负载和相间短路时，对电能品质有一定的影响。同时，对EMI和Lightning抑制有较大影响，故在设计过程也应尽量优化与零序阻抗相关的参数，以减小零序阻抗值，保证电能品质。

主馈电线空间对称式布局可以消除在布置过程中，飞机金属蒙皮对主馈电线阻抗的影响，消除蒙皮效应的影响；在复合材料机身情况下，由于机体为复材结构，无法承担电流回路，即地回路的作用，空间对称式布局可以达到既能优化电能品质，又能解决发电系统地回路的问题。

随着飞机多电技术的发展，越来越多的飞机系统采用电能作为主要能源，对于变频发电系统的容量需求越来越大，继而主馈电线承载的电流越来越大，主馈电线的线径越来越粗，其布置过程中的可操作性及其重量都将相应增加。为了解决这一问题，需要采用每相多根较细电缆并联的方法来弱化电流容量增加引起的馈电线问题。同时，每相馈电线的多股并联走线方式，可以降低线路阻抗，优化发电系统电能品质。空客公司A380飞机150kVA变频发电系统即采用了每相三根电缆并联且空间对称的布线方法。

由于空间对称布局构型下主馈电线间相对位置固定，须采用专用的电缆定位和固定支架进行固定和敷设，在飞机设计初期即要考虑相关布置通道空间及定位问题，在后续的试验室验证试验中尽量采用与飞机构型一致的布局。

此外，部分民用飞机仅采用部分复合材料机身，在综合权衡考虑重量和变频发电系统性能的情况下，可在飞机复合材料部分采用空间对称式布局；在金属机身部分采用中线直接接机体金属结构，以机体金属结构作为电流回路的载体，而相线扭绞布置到配电中心的方式，这样既省去了机身部分主馈电线中线的重量，又部分优化了主馈电线的阻抗值，达到重量和变频发电系统性能的综合优化设计。

3 环境因素对主馈电线设计的影响

由于布线路径中环境因素（振动、温度和材料特性等）的不同，还需要根据主馈电线布置的路径分段优化设计主馈电线，按目前民用飞机的组成部分，可以按短舱、吊挂、机翼及机身等进行分段优化设计。

3.1 振动因素

重量对民用飞机来说至关重要，为了满足减重要求，采用铝或铝合金材料主馈电线越来越广泛，但铝材料主馈电线的使用具有严格的要求，航空线缆标准[7]中规定铝导线必须在按如下规定使用：

1）在发动机安装的附件区及其它强振动区域不得使用；

2）经常拆装的部位不得使用。

按照以上规定，铝或铝合金材料的导线不推荐在短舱、吊挂和机翼等强振动环境中使用。

3.2 温度因素

由于发电机主馈电线随着环境温度的变化，考虑主馈电线热容限的要求，其电流容量会相应发生变化[7]。环境温度与主馈电线最大工作温度差值越小，主馈电线的电流容量越小，故随着环境温度的升高，主馈电线的电流容量会相应下降。因此，不同环境温度下，主馈电线的选择需要多次迭代，以平衡电流容量、阻抗值及重量等参数的需求，本文给出了主馈电线设计迭代过程如图4所示。

由于主馈电线电阻值为温度的函数，随着电缆温度的变化，其电阻变换规律见式（5）：

主馈电线电阻为主馈电线发热的主要原因，故在主馈电线选择时，应使馈电线极限工作温度与环境温度有足够的差值，以保证主馈电线发热与环境散热的热平衡温度值在容许的范围内，确保主馈电线不会烧断导致相应发电通道功能的失效，降低电源系统安全裕度。

此外，由于采用空间对称式布局，使主馈电线相线及中线不可捆扎在一起布置，保证了通过大电流时电缆的散热需求，继而航空线缆标准[7]中关于线缆捆扎导致线缆载流量降低系数的要求不适用于空间对称式布局的主馈电线。目前，尚无相关标准定义空间对称式布局线缆的间距要求，但可通过相关试验和热场仿真分析来保证主馈电线工程设计的可行性。

4 设计实例-民用飞机吊挂主馈电线设计

在实际工程设计过程中，结合前文的定性分析，利用电磁场有限元分析方法，对不同构型下主馈电线进行分析，可以得到不同构型下的主馈电线阻抗值，同时考虑不同构型下馈电线重量因素，对变频发电系统的主馈电线进行优化选择，以支持变频发电系统的进一步优化设计。本节以民用飞机发动机吊挂段主馈电线的设计为例，对不同环境温度、不同构型下的主馈电线参数进行对比分析，验证环境温度及构型选择对主馈电线相关参数的影响，支持变频发电系统优化设计。

设计输入如下：

1）吊挂环境温度分别为100°C和150°C；

2）吊挂中主馈电线长度为3.6m；

3）主馈电线选取260°C高温铜导线；

4）120kVA连续容量下每相电流为347.8A。

采用电磁场有限元方法分别对两种环境温度下每相单股电缆和每相双股电缆空间对称式布局进行分析，结果如表1所示，表1中同时给出了不同构型下压降和重量参数对比。两种空间布局分别如图5（a）和图5（b）所示。

图5中N为中线，图5（a）中A、B及C为三相电缆，图5（b）中A1和A2为A相电缆，B1和B2为B相电缆，C1和C2为C相电缆。

由表1可知，在100°C和150°C两种环境下，双股空间对称式布局方案在阻抗值、压降特性及重量方面均为较优方案。同时，可以看出不同环境温度下，线径选择也不同，继而引起了主馈电线重量的变化，环境温度越低，线径越小，重量就相对较小。

5 结论

本文通过理论分析和实际工程分析，基于主馈电线工作环境、空间布局、提高电能品质及优化重量指标等方面的考虑，给出了民用飞机变频发电系统主馈电线的优化设计方法，并基于设计实例进行对比分析，结果表明本文提出的主馈电线优化设计方法对于优化民用飞机变频发电系统设计、提高供电品质及降低线缆重量等方面有较大的工程意义。

【参考文献】

[1]DavidLazarovich，Mircea Mares，Ileana Rusan，Edwin Yue.Variable frequency use in aerospace electrical power systems[C].PA U.S.A，SAE，1999.

[2]陈伟.基于多电飞机的先进供电技术研究[J].飞机设计，2006（4）：64-68.

[3]Mario R.Rinaldi.ISO1540.3.3（E）Aerospace-Characteristics of Aircraft Electrical Systems[S].U.S.A：ISO，2004.

[4]Mario R.Rinaldi and Don E.Baker.Rationale Behind In-Process Changes to Constant and Variable Frequency Power Quality Standards[J].SAE Technical Paper Series，1997，No.971245.

[5]Wayne E.Hyvarinen.Aircraft Electric Power System Performance as Affected by Transmission Line Impedances[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1966， AES-2，No.4：298-302.

[6]H.Wayne Beaty.Handbook of Electric Power Calculations[M].Third Edition.U.S.A：The McGraw Hill Companies，Inc，2001：9.13-9.16.

[7]SAE.AS50881（D）Wiring Aerospace Vehicle[S].U.S.A：SAE International，2010.