民用飞机用电设备供电线路压降计算与分析方法研究

胡璇　杨溢炜　刘麦玲

【摘 要】机载用电设备供电线路的压降计算与分析在民用飞机电气线路设计及符合性验证中发挥着重要的作用，保障了飞机各用电设备和系统在各种飞行条件下的安全运行。本文介绍了相关适航条款要求及压降计算与分析的意义和内容，在此基础上研究了直流、交流供电线路的压降计算方法和输入输出，提出了压降计算结果分析与校核的基本思路和要求。

【关键词】民用飞机；供电线路；压降计算；分析与校核

随着航空电子、电气设备的日益发展，机载用电设备的数量在迅速地增加。与此同时，由用电设备供电故障导致设备或系统功能失效的风险概率也相应提高。为保证用电设备和系统能够在飞机各种飞行条件下正常、安全地运行，需对其供电线路的压降进行多轮计算与分析，以使电能得以可靠而有效地被输送到各个用电设备或系统的输入端。

本文基于相关适航条款要求介绍了用电设备供电线路压降计算与分析在民用飞机电气线路设计和符合性验证中的重要意义，重点对供电线路压降计算与分析的基本方法和思路进行了研究。

1 适航条款要求

民用飞机机载用电设备的供电线路设计应满足CCAR-25-R4《运输类飞机适航标准》[1]中第25.1351（b）（3）项条款的要求，即在任何可能的运行条件下，所有重要负载设备端的系统电压和频率（如果适用）均能保持在该设备的设计限制范围之内。其中，重要负载设备指的是为完成正常飞行任务所需要的机载用电设备。而飞机上大部分的用电设备都属于重要负载的范畴。[2]

2 压降计算与分析

为满足适航条款的要求，需保证从飞机汇流条端（即配电点）到用电设备端之间供电线路上的压降限定在可接受的范围内，以满足机载用电设备的用电需求，从而使得用电设备和系统可以完成其预定的功能。用电设备供电线路压降的计算与分析，在民用飞机各系统电气线路设计和符合性验证的过程中都发挥着重要的作用：

（1）在系统电气线路设计的过程中，根据已知的用电设备工作电流和线缆机械强度要求完成供电线缆的初步设计选型后，需要通过供电线路的压降计算与分析来校核用电设备供电线路的设计是否合理。若压降计算结果在允许的范围内，则该用电设备的供电线路设计可视为满足要求；若压降的计算结果超出了允许的范围，则应对该用电设备的供电线路设计采取相应的改进和优化措施，如调整供电线缆的线规大小或敷设路径。

（2）在系统电气线路符合性验证的过程中，则需采用压降计算与分析的方法表明各系统用电设备供电线路的设计符合相关适航条款要求。

3 压降计算基本方法

飞机汇流条端到用电设备端之间的供电线路（包括地回路）示意图如图1所示，供电线路压降ΔV是由其间各个传导部件上产生的压降总和组成，且为汇流条端输出电压V1与用电设备输入端电压V2之差。在进行压降计算时，应考虑在飞机电源系统各种工作状态下汇流条端输出电压的不同，包括正常供电状态、非正常供电状态和应急供电状态。

图1 用电设备供电线路示意图

在飞机各系统用电设备的供电线路设计中，除了线缆还可能会有继电器、接触器、连接器、接线模块等电气元器件，但由于电阻值较小其压降可以忽略不计。因此，本文在计算用电设备供电线路压降时，仅考虑线缆（包括接地线）处产生的压降。由于直流和交流供电线路中导线的阻抗组成部分不同，导致其压降计算方法也有所区别，接下来将分别进行介绍。

3.1 直流供电线路压降计算

直流供电时，供电线路压降ΔV的计算方法如式（1）所示：

ΔV=R×I （1）

式中：

R——导线总电阻，？赘；

I——用电设备工作电流，A。

整个供电线路中可能選用不同型号的线缆，故需分别计算线路中各段导线的电阻，导线总电阻为各段导线电阻之和。因此，式（1）中导线总电阻R的计算方法如式（2）所示：

R=ΣR0=Σr0×l （2）

式中：

R0——各分段导线的电阻，？赘；

r0 ——导线单位长度电阻，？赘/mm；

l——各分段导线的长度，mm。

导线电阻是温度的函数，将随着导体温度的升高而变大。式（2）中导线的单位长度电阻r0的计算方法如式（3）所示[3]：

r0=r1×（234.5+T0）/（234.5+20℃） （3）

式中：

r1——导线在温度为20℃时的单位长度电阻，？赘/mm；

T0——导线的导体温度，℃。

而导线的导体温度则与导线所处环境温度和电流引起的导体温升有关。式（3）中导线导体温度T0的计算方法如式（4）所示[3]：

T0=T1+[（T2-T1）×（I/Imax）2] （4）

式中：

T1——导线所处环境温度，℃；

T2——导线温度等级，℃；

Imax——导线额定载流量，A。

3.2 交流供电线路压降计算

交流供电时，供电线路压降ΔV的计算方法如式（5）所示：

ΔV=|Z|×I （5）

式中：

Z——导线总阻抗，？赘；

I——用电设备工作电流，A。

交流供电回路中，导线的阻抗由电阻和电抗两部分组成。公式（5）中导线总阻抗Z的计算方法如式（6）所示：

Z=R+jX （6）

式中：

R——导线总电阻，？赘；

X——导线总电抗，？赘。

其中，公式（6）中导线总电阻R的计算方法如式（2）所示，总电抗X的计算方法如式（7）所示：

X=ΣX0=Σx0×l （7）endprint

式中：

X0——各分段导线的电抗，？赘；

x0——导线单位长度电抗，？赘/mm；

l——各分段导线的长度，mm。

因非电源系统机载用电设备工作电流较小，在计算该用电设备供电线路导线电抗时不考虑与其他供电线路的互感部分。公式（7）中导线单位长度电抗x的计算方法如式（8）所示[2]：

x0=2πf （4.6lgD/r+0.5μr）×10-10 （8）

式中：

f——交流电网基波频率，Hz；

D——在单相交流电路中为导线与飞机机壳间距离的两倍，在三相交流电路中为三相导线间的几何平均距离（DAB×DBC×DCA）1/3，mm；

r——导线导体截面半径，mm；

μr——导线材料相对导磁系数，铜导线或铝导线的μr=1。

3.3 输入输出

用电设备供电线路压降计算的主要输入有：

（1）供电性能参数：各种电源系统工作状态下汇流条端输出电压、交流电网基波频率；

（2）用电设备信息：负载类型及用电需求、正常工作电压范围、工作电流、机上安装位置；

（3）导线性能参数：单位长度阻抗、温度等级、额定载流量、导体截面半径、导体材料相对磁导系数；

（4）导线敷设信息：导线长度及所处环境温度、导线与飞机机壳间距、三相供电线的间距。

用电设备供电线路压降计算的主要输出有：

（1）汇流条端到用电设备端之间供电线路的压降值；

（2）各种电源系统工作状态下用电设备供电输入端的电压值。

4 计算结果分析与校核

为满足适航条款的要求，在完成各用电设备供电线路压降计算之后，需要对计算结果进行分析以校核飞机用电设备供电线路的设计是否合理，以及是否需要采取进一步改进和优化的措施。压降计算结果分析与校核的主要内容和要求为：

（1）判断压降计算结果是否滿足供电线路最大允许压降的要求，即计算得到的压降值是否小于最大允许压降值。在民用飞机系统电气线路设计中，通常对汇流条端到用电设备端之间的供电线路有最大允许压降的要求。对此，AC43.13-1B Acceptable Methods， Techniques and Practices-Aircraft Inspection and Repair中给出了不同供电电压下供电线路的最大允许压降值如表1所示[4]。

表1 不同供电电压下的最大允许压降

（2）判断压降计算结果是否满足用电设备的用电需求，即用电设备输入端的电压值是否在用电设备的正常工作电压范围之内。

（3）如压降计算结果满足以上最大允许压降要求和用电设备的用电需求，则可认为用电设备供电线路的设计是合理并符合要求的；如不满足则需对当前用电设备供电线路的设计进行优化，比如在合理范围内选用导体截面更大的供电线缆或缩短线缆的敷设路径，来降低用电设备供电线路上的压降。

5 结论

为保证飞机各用电设备安全运行并实现其预期功能，用电设备端的输入电压应保持在该设备的设计限制范围之内。为此，需要通过供电线路压降计算与分析对各用电设备供电线路设计的合理性进行校核。本文对飞机汇流条端至用电设备端的直流、交流供电线路压降计算方法和输入输出进行了研究，给出了压降计算结果分析与校核的基本思路和要求。

【参考文献】

[1]CCAR-25-R4.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准[S].中国民航总局，2009.

[2]马述训.飞机设计手册[M].航空工业出版社，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.

[责任编辑：张涛]endprint