CC BY
57
УДК 621.316.9
Вестник СибГАУ Том 17, № 4. С. 1037-1042
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЗАЩИТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
НА ПРИМЕРЕ САМОЛЕТА ИЛ-96
Е. Д. Шемелев*, М. А. Трушин, Н. В. Юрковец, Р. А. Акзигитов, Н. А. Титов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
В настоящее время система электроснабжения, электрооборудование и электросистемы широко используются на современных воздушных судах гражданской авиации, выполняя различные функции. Являясь основной частью авиационного оборудования, эти системы объединили в себе источники электрической энергии, электрическую сеть с системой распределения и потребителями электроэнергии. На современных самолетах основными источниками электрической энергии являются генераторы трехфазного тока напряжением 200/115 В, постоянной стабилизированной частоты 400 Гц. От безотказной работы системы электроэнергии зависит эффективность работы всех систем самолета, питающихся от энергии тока, и, в конечном счете, безопасное выполнение основной задачи полета по перевозке пассажиров, грузов и т. д. Проведен анализ системы электропитания переменным трехфазным током воздушного судна на примере летательного аппарата Ил-96. Рассмотрена основная четырехканальная система переменного трехфазного тока 200/115 В, стабилизированной частоты 400Гц. Представлен ее состав и виды защиты каналов генерирования. Выявлены достоинства и недостатки существующей системы защиты от коротких замыканий в генераторе или его фидере, от повышения напряжения в любой из фаз, от отклонения частоты, от обрыва любой из фаз, от перегрузки канала при токе в любой из фаз и т. д. Выработаны и представлены предложения по совершен -ствованию существующей защиты системы электроснабжения с целью ее дальнейшей работоспособности с высокой надежностью и безотказностью.
Ключевые слова: надежность, безопасность, работоспособность, безотказность, электрооборудование, электросистемы.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 4, P. 1037-1042
WAYS OF IMPROVING THE PROTECTION OF ALTERNATING CURRENT FEED SYSTEM OF AIRCRAFT OF CIVIL AVIATION ON THE EXAMPLE OF ILYUSHIN-96
E. D. Shemelev*, M. A. Trushin, N. V. Yurkovets, R. A. Akzhigitov, N. A. Titov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk 660037, Russian Federation *E-mail: [email protected]
At the present time electrical power system, electrical equipment and electrical systems are widely used on modern aircrafts of civil aviation, performing different functions. As a major part of aviation equipment, these systems have combined the sources ofelectrical energy, the electricaJ network ofthe distribution system and consumers of electricity. On modern aircraft the main sources of electric energy generators are of three-phase current voltage of200/115 V, stable constant frequency of 400 Hz. From trouble-free operation ofthe system of electricity depends on the efficiency of all systems ofthe aircraft, powered by energy current and will eventually secure the essential task of flight for the carriage of passengers, cargo, etc. In the given work the analysis ofthe power system three-phase alternating current of an aircraft for example an aircraft Il-96. Basic four-channel system AC three phase 200/115 V, stabilized frequency of 400 H is considered. The composition and types of protection channels generate are presented. Strengths and weaknesses of the existing system of protection against short circuits in the generator or feeder, from the increase in voltage in any phase, from the deviation of frequency, from breakage of any phase, overload channel when current in any phase, and so on have been identified. Proposals for improving the existing protection of power supply system with a view to its further efficiency with high reliability and dependability have been developed and presented.
Keywords: reliability, safety, operability, reliability, electrical equipment, electrical systems.
Введение. Эффективность решения поставленных перед гражданской авиацией задач характеризуется такими комплексными системными показателями, как безотказность, регулярность и экономичность полетов. Достижение высокого уровня регулярности и экономичности полетов при их полной безопасности обеспечивается эффективной работой всей авиационной техники, работой летного и инженерно-технического персонала при подготовке к вылету, обслуживании и ремонте авиатехники [1 ].
Электрооборудование является основной частью специального (авиационного) оборудования воздушного судна и объединяет в себе источники электрической энергии, переменного и постоянного тока, электрическую сеть и потребителей электроэнергии. Электрооборудование современных воздушных судов обладает большой эксплуатационной надежностью, постоянно готово к действию, удобно в обслуживании, имеет сравнительно небольшую массу и габариты, в целом его технические показатели обеспечивают высокое качество работы, что позволяет эффективно решать поставленные перед гражданской авиацией основные задачи по обеспечению потребности граждан по перевозке пассажиров, груза, багажа и т. д. [2].
Для обеспечения воздушного судна электропитанием, в частности на Ил-96, имеются следующие системы переменного тока:
1) основная четырехканальная система переменного трехфазного тока 115/200 В, 400 Гц;
2) аварийная система питания переменным однофазным током 115 В, 400 Гц;
3) вспомогательная система переменного трехфазного тока 115/200 В, 400 Гц;
4) система питания переменного трехфазного тока 115/206 В, 400 Гц от наземных источников.
Более подробно мы остановимся на основной четырехканальной системе переменного трёхфазного тока 115/200 В, 400 Гц [3].
Она состоит из четырех автономных каналов переменного трехфазного тока 115/200 В, 400 Гц с заземленной силовой нейтралью, обозначается СПЗС4Б60Б. Параллельная работа генераторов не предусмотрена. Подсистема каждого борта включает в себя два автономных канала генерирования. В случае отказа или отключения обоих генераторов одной подсистемы предусмотрено ручное переключение питания потребителей неисправной подсистемы к одному из генераторов исправной подсистемы. В этом случае необходимо исключить перегрузку данного генератора путем ручного отключения менее необходимых потребителей, и прежде всего буфетов, подключенных к обеим подсистемам [4].
Система СПЗС4Б60Б обеспечивает автоматическое отключение электропитания обоих буфетов при одновременной остановке двух двигателей одного борта. Сигнализация об отдельных отказах в системе переменного тока осуществляется с помощью соответствующей световой сигнализации на панели управления системы электроснабжения (СЭС), включения звуковой сигнализации и выдачи сообщений по системе речевой информации [5].
Система защиты каждого канала генерирования обеспечивает следующие виды защиты:
- от коротких замыканий в генераторе или его фидере - без задержки времени;
- от повышения напряжения в любой из фаз выше уровня 126 ± 3 В или ниже уровня 111 ± 3 В с выдержкой времени не более 6 ± 0,9 с;
- от отклонения частоты ниже 375 + 5 Гц или выше 425 ± 5 Гц с выдержкой времени не более 6 ± 0,9 с;
- от сильного повышения частоты (разнос генератора) выше 465-480 Гц без выдержки времени и с автоматическим расцеплением генератора;
- от обрыва любой из фаз либо обрыва нулевой фазы генератора;
- от перегрузки канала при токе в любой из фаз генератора 170-220 А с выдержкой времени 4 ± 0,6 с [6].
Электрическая защита от повышения или понижения напряжения или частоты носит необратимый характер. Поэтому для снятия указанного отказа канала генерирования необходимо отключение и последующее включение канала с помощью кнопки-табло этого канала на панели управления СЭС [7].
Защита, срабатывающая от повышения напряжения в любой из фаз выше уровня 126 ± 3 В или ниже уровня 111 ± 3 В, от отклонения частоты ниже 375 + 5 Гц или выше 425 ± 5 Гц, от перегрузки канала при токе в любой из фаз генератора 170-220 А выполняется с достаточно большой выдержкой времени (6 ± 0,9 с; 4 ± 0,6 с). При таком достаточно большом количестве времени защита может не успеть сработать, что, в свою очередь, может привести к необратимым последствиям в работе всех систем самолета [8].
Защита от коротких замыканий в генераторе ГТ60НЗЧ12К или его фидере и защита от сильного повышения частоты (разноса генератора) выше 465480 Гц вместе с тремя пунктами защиты, рассмотренными выше, аналогичны защите от обрыва любой из фаз либо обрыва нулевой фазы генератора ГТ60НЗЧ12К и выполнены в единственном экземпляре [9].
Если же в какой-либо из пунктов защиты в процессе эксплуатации (на самолете ИЛ-96 система защиты каналов генерирования производит защиту по шести наименованиям) произойдет срабатывание на положительный результат (т. е. действительно сработает из-за какой-либо неисправности), а не на обычный скачок напряжения, частоты, или тока с выдержкой времени (что позволит запустить защиту вручную повторно на панели СЭС), то в дальнейшем обеспечить повторный запуск защиты на какой-либо из рассмотренных выше отказов будет невозможно, что, в свою очередь, делает дальнейшую эксплуатацию самолета ИЛ-96 небезопасным в процессе полета. Возникает необходимость посадки данного самолета на ближайший аэродром для устранения какой-либо из неисправностей.
Также защита каналов генерирования не обеспечивает защиту на разность фазных токов и защиту при больших токах небаланса, что в свою очередь может сказаться на точности и на эффективности работы защиты [10].
Проведя анализ данной системы защиты каналов генерирования на самолете ИЛ-96, а также существующих на сегодняшний день видов различных защит систем электроснабжения, в том числе и дифференциальных, предлагаем рассмотреть два вида, наиболее подходящих из этого семейства - продольные и поперечные дифференциальные защиты - для их дальнейшей совместной работы по улучшению существующих показателей защиты каналов генерирования [11].
Дифференциальная защита линий типа ДЗЛ. Основу предлагаемой комбинированной дифференциальной защиты будет составлять продольная дифференциальная защита линий типа ДЗЛ (рис. 1).
Работа ДЗЛ основана на сравнении величин и фаз токов на концах защищаемой линии.
В рабочих обмотках реле (Раб. Об. Р) протекает разность токов своего и противоположного концов, т. е. ток небаланса, а в тормозных (Об-а. Торм.) - ток короткого замыкания, проходящий по защищаемой линии. Токи, поступающие в изолирующий трансформатор (Изол-ий. Тр-р.), сдвинуты по фазе на 180° и циркулируют по соединительным проводам. При повреждениях на защищаемой линии токи по ее концам (Ii и 1ц), а следовательно, и напряжения (Ui и Un) совпадают по фазе.
В рабочих обмотках реле (Раб. Об. Р.) протекают согласно направленные токи, которые суммируются, а в тормозных обмотках (Об-а. Торм.) - полные токи. Благодаря подобранному соотношению витков ток в рабочей обмотке (Раб. Об. Р.) преодолевает противодействие тормозного тока (Об-а. Торм.), и защита действует на отключение. При наличии автоматического контроля повреждения кабеля обнаруживаются, как правило, своевременно, и случаи ложной работы защиты по этой причине редки [12].
Направленная поперечная дифференциальная защита. Дополнять основу предлагаемой комбинированной дифференциальной защиты будет направленная поперечная дифференциальная защита нулевой последовательности и защиты с разделительными комплектами от междуфазных и однофазных коротких замыканий.
Направленная поперечная дифференциальная защита основана на сравнении величины и направления токов нулевой последовательности, протекающих по параллельным линиям при коротких замыканиях на корпус самолета [13].
Схема защиты, показанная на рис. 2, состоит из пускового токового реле Т0 и реле направления мощности М0 двустороннего действия, включенных на разность токов 310 (разность суммарного значения токов 1А, 1в, 1с на двух ветвях параллельных линий -I и II). Обмотка напряжения реле М0 питается напряжением зи0 (иА, ив, ис).
Поперечная дифференциальная защита нулевой последовательности обладает более высокой чувствительностью при коротком замыкании на корпус самолета, чем защита, реагирующая на фазный ток (срабатывает при скачке тока от 0,1-0,3 А).
Теперь рассмотрим направленную поперечную дифференциальную защиту с раздельными комплектами от междуфазных и однофазных коротких замыканий [14].
В тех случаях, когда фазная поперечная дифференциальная защита имеет недостаточную чувствительность к однофазным коротким замыканиям, ее целесообразно дополнить комплектом дифференциальной защиты нулевой последовательности. Полная схема такой защиты показана на рис. 3. В этой схеме комплект, включенный на разность фазных токов, выполняется двухфазным [15].
Рис. 1. Принципиальная схема защиты ДЗЛ
Рис. 2. Схема поперечной направленной дифференциальной защиты нулевой последовательности
АГ
Рис. 3. Принципиальная схема направленной поперечной дифференциальной защиты
Предлагаемая комбинированная дифференциальная защита может способствовать улучшению существующих характеристик защиты каналов генерирования.
Так как принцип действия комбинированной защиты прост и надежен, достоинствами и недостатками данной защиты будут следующие.
Достоинства:
1) нереагирование на качания и перегрузки;
2) отсутствие выдержки времени (не больше 10-20 мс), т. е. отсутствие задержки размыкания замыкающих контактов;
3) простота схемы;
4) относительно небольшая стоимость по сравнению с другими видами защит;
5) простота выбора параметров защиты.
Недостатки:
1) возможность ложной работы при повреждении соединительных проводов;
2) каскадное действие, вызывающее замедленное отключение короткого замыкания в зоне каскадного действия;
3) мертвая зона по напряжению, т. е. участок линии передачи, на котором данная защита не действует;
4) необходимость вывода из действия защиты при отключении одной линии, в связи с чем требуется дополнительная полноценная защита для оставшейся линии;
5) неправильная работа защиты при обрыве провода линии с односторонним заземлением [16].
Заключение. Мы предлагаем улучшить виды защит от повышения напряжения в любой из фаз выше уровня 126 ± 3 В или ниже уровня 111 ± 3 В с выдержкой времени не более 6 ± 0,9 с, от отклонения частоты ниже 375 + 5 Гц или выше 425 ± 5 Гц с выдержкой времени не более 6 ± 0,9 с, от перегрузки канала при токе в любой из фаз генератора 170-220 А с выдержкой времени 4 ± 0,6 с, путем уменьшения (практически приближения к нулю) выдержки времени, приблизив ее к минимально допустимым значениям (не больше 10-20 мс).
Также в частном порядке предлагаемая комбинированная дифференциальная защита внесет изменения в защиту канала генерирования от перегрузки при токе в любой из фаз генератора 170-220 А путем чувствительных элементов, установленных в поперечной дифференциальной защите нулевой последовательности, которые будут реагировать на фазный ток при коротком замыкании (чувствительность срабатывания при скачке тока будет от 0,1-0,3 А), что позволит в свою очередь избежать нежелательных последствий в процессе эксплуатации ИЛ-96 [16; 17].
И в заключение, для того чтобы повысить процент на безотказную работу канала генерирования, предлагается продублировать систему защиты на каждое из наименований отказов два раза. Это позволит в случае положительного срабатывания защиты на любой из отказов продолжить ей работать в стационарном режиме, что, в свою очередь, разрешит дальнейшую эксплуатацию самолета в полете. И как следствие, для надежной работы головной системы и подсистемы левого и правого борта (каждая из подсистем включает в себя два канала генерирования) целесообразно использовать предлагаемую комбинированную дифференциальную защиту на каждом канале генерирования для увеличения ее надежности и безотказной работы при коротких замыканиях.
Библиографические ссылки
1. Беркович М. А., Вавик В. Н. Справочник по релейной защите. М. : Госэнергоиздат, 1963. 512 с.
2. Сирота И. М. Защита от замыканий на землю в электрических системах. Киев : АН УССР, 1955. 208 с.
3. Смородинский Я. М., Волков В. М. Руководящие указания по наладке, проверке и эксплуатации продольной дифференциальной защиты линий типа ДЗЛ. М. : Госэнергоиздат, 1962. 119 с.
4. Костров М. Ф., Соловьев И. И., Федосеев А. М. Основы техники релейной защиты. М. : Госэнергоиздат, 1944. 439 с.
5. Федосеев А. М. Релейная защита электрических систем. М. : Госэнергоиздат, 1952. 480 с.
6. Федосеев А. М. Основы релейной защиты. М. : Госэнергоиздат, 1961. 93 с.
7. Чернобровов Н. В. Релейная защита. М. : Госэнергоиздат, 1958. 591 с.
8. Беркович М. А., Семенов В. А. Основы техники и эксплуатации релейной защиты. М. : Энергия, 1964. 370 с.
9. Синдеев И. М. Электроснабжение летательных аппаратов. М. : Транспорт, 1982. 272 с.
10. Брускин Д. Э., Синдеев И. М. Электроснабжение летательных аппаратов. М. : Высш. шк., 1988, 263 с.
11. Злочевский В. С. Системы электроснабжения пассажирских самолетов. М. : Машиностроение, 1971. 375 с.
12. Бертинов А. И. Специальные электрические машины. М. : Энергоиздат, 1982. 552 с.
13. Руководство по технической эксплуатации самолета Ил-96 / ОАО «Ил». 2003. 514 с.
14. Руководство по летной эксплуатации самолета Ил-96 / ОАО «Ил». 2003. 522 с.
15. О выборе стратегий эксплуатации технических систем / И. И. Вайнштейн [и др.] // Вестник СибГАУ. 2014. № 2 (54). С. 20-25.
16. Мизрах Е. А., Штабель Н. В., Копылов Е. А. Моделирование устройства защитного отключения сетей постоянного тока // Вестник СибГАУ. 2014. № 2 (56). С. 179-184.
17. Коптелев А. Н. Авиационное и радиоэлектронное оборудование воздушных судов гражданской авиации. Самара : Самарский гос. аэрокосмич. ун-т. им. С. П. Королёва, 2011. 555 с.
References
1. Berkovich M. A, Vavik V. N. Spravochnikpo releynoy zashchite [Handbook of relay protection]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1963, 512 p.
2. Sirota I. M. Zashchita ot zamykaniy na zemlyu v elektricheskikh sistemakh [Protection against earth faults in electrical systems]. Kiev, AN USSR Publ., 1955, 208 p.
3. Smorodinskii Y. M., Volkov V. M. Rukovo-dyashchie ukazaniya po naladke, proverke i ekspluatatsii prodol'noy differentsiarnoy zashchity liniy tipa DZL [Guidelines for setting up, testing and operation of the longitudinal differential protection DZL]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1962, 119 p.
4. Kostrov M. F., Solovyov I. I., Fedoseev A. M. Osnovy tekhniki releynoy zashchity [Basic techniques of relay protection]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1944, 439 p.
5. Fedoseev A. M. Releynaya zashchita elektriches-kikh sistem [Relay protection of electric systems]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1952, 480 p.
6. Fedoseev A. M. Osnovy releynoy zashchity [Fundamentals of relay protection]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1961, 93 p.
7. Chernobrovov N. V. Releynaya zashchita [Relay protection]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1958, 591 p.
8. Berkovich M. A., Semenov V. A. Osnovy tekhniki i ekspluatatsii releynoy zashchity [Basic techniques and operation of relay protection]. Moscow, Energiya Publ., 1964, 370 p.
9. Sindeev I. M. Elektrosnabzhenie letatel'nykh apparatov [Electricity aircraft]. Moscow, Transport Publ., 1982, 272 p.
10. Bruskin D. E., Sindeev I. M. Elektrosnabzhenie letatel'nykh apparatov [Electricity aircraft]. Moscow, Vysshaja shkola., 1988, 263 p.
11. Zlochevskiy V. S. Sistemy elektrosnabzheniya passazhirskikh samoletov [Electric power supply systems of passenger planes]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1971, 375 p.
12. Bertinov A. I. Spetsial'nye elektricheskie mashiny
[Special electrical machines]. Moscow, Energoizdat Publ., 1982, 552 p.
13. Guidelines for the technical operation of the IL-96 aircraft. OJSC "Il". 2003, 514 p.
14. Flight Manual IL-96 aircraft. OJSC "Il". 2003, 522 p.
15. Weinstein I. I., Mikhalchenko G. E., Weinstein Y. V., Safonov K. V. [About the choice of strategy for operation of technical systems]. Vestnik SibGAU. 2014, No. 2 (54), P. 20-25 (In Russ.).
16. Mizrah E. A. N Stack. V., Kopylov E. A. [Simulation of protective devices a direct current
networks]. Vestnik SibGAU. 2014, No. 2 (56), P. 179-184 (In Russ.).
17. Koptelov A. N. Aviatsionnoe i radioelektronnoe oborudovanie vozdushnykh sudov grazhdanskoy aviatsii
[Aviation and radio-electronic equipment of aircraft of civil aviation]. Samara, Samara St. Univ. Publ., 2011, 555 c.
© Шемелев Е. Д., Трушин М. А., Юрковец Н. В., Акзигитов Р. А., Титов Н. А., 2016
