Загальні відомості про системи передачі та розподілення електроенергії

Системи передачі і розподілення ЕЕ призначені для надійного відведення її від джерел і підведення до споживачів та їх захисту, а також для управління потоком електроенергії на всіх режимах роботи. До складу системи передачі і розподілення ЕЕ входять електрична мережа, центральні розподільні пристрої (ЦРП), розподільні пристрої (РП), захисна і комутаційна апаратура, монтажне і настановне обладнання, пристрої для захисту від радіоперешкод і статичної електрики, прилади контролю роботи джерел і споживачів.

За призначенням і кількістю елементів, що в неї входять, система передачі і розподілу ЕЕ є найважливішою складовою частиною електрообладнання ЛА і визначає значною мірою його технічні і експлуатаційні показники. Важливість і складність функцій, здійснюваних системою передачі і розподілу ЕЕ, а також специфічність умов її експлуатації пред'являє до системи дуже високі вимоги, виконання яких повинне гарантувати надійність і безвідмовність постачання електроенергією споживачів ЛА.

2.7.2. Класифікація електричних мереж

Основним елементом системи передачі і розподілення ЕЕ є літакова електрична мережа. Електричну мережу ЛА класифікують:

– за способом розподілення ЕЕ;

– за системою розподілення ЕЕ;

– за призначенням;

– за конфігурацією (геометрією);

– за захистом і канальністю;

– за електричними параметрами (род струму і напруга);

– за способом і числом проводів передачі ЕЕ і т. п.

Класифікація мереж за способом розподілення ЕЕ. Електрична енергія може розподілятися автономно (з роздільним розподіленням ЕЕ) і неавтономно (з розподіленням ЕЕ при паралельної роботі джерел).

При автономному (роздільному) розподіленні ЕЕ кожне джерело (Г1 і Г2) підключається до окремої мережі, від якої живиться група споживачів (рис. 2.26, а).

Рис. 2.26. Схеми з автономним і неавтономним розподілом ЕЕ.

Цей спосіб застосовується, коли джерела ЕЕ за своїми властивостями (різний рід струму) або параметрами (різний рівень напруги і частоти, або нестабільна частота) не можуть працювати паралельно. Автономне розподілення застосовується також з метою підвищення надійності живлення споживачів за наявності однорідних джерел ЕЕ; при цьому джерела працюють на дві роздільні групи споживачів (рис. 2.26, б). В аварійному режимі джерела можуть працювати спільно за допомогою автомата включення резерву (АВР). <<─ (Літак Ан-140)

При неавтономному розподіленні однорідні джерела постійного або змінного струму працюють на одну загальну мережу, до якої підключені всі споживачі
(рис. 2.26, в, г).

Класифікація мереж за системою розподілення ЕЕ. Залежно від призначення і розмірів ЛА, кількості джерел ЕЕ і можливості їх паралельної роботи, а також від розташування джерел ЕЕ по відношенню один до одного і до потужних споживачів (або до груп споживачів) застосовуються наступні системи розподілення ЕЕ: централізована, змішана, децентралізована, роздільна (автономна). Вказані системи в рівній мірі поширюються на СЕП постійним і змінним струмом і можуть використовуватися одночасно на ЛА. Централізована, змішана і децентралізована системи передбачають паралельне включення джерел енергії, тому вони застосовуються при неавтономному способі розподілення електроенергії.

Централізована система характеризується тим, що в ній вся енергія від джерел живлення подається до одного ЦРП, а потім від його шин розподіляється між окремими споживачами (рис. 2.26, в). Централізована система використовується на легких ЛА і з успіхом може застосовуватися у вторинних СЕП.

Змішана система розподілення ЕЕ (рис. 2.27) дозволяє скоротити масу мережі порівняно з централізованою системою. Для цього всю енергію від джерел живлення подають до ЦРП, розташованого поблизу від силових споживачів, які одержують енергію безпосередньо від нього. Іншу енергію від шин ЦРП розподіляють по групових РП, розподільним коробкам (РК), електрощіткам (ЕЩ) і пультам управління членів екіпажу, що забезпечують живлення, захист і управління окремих споживачів.

Рис. 2.27. Змішана система розподілу ЕЕ.

Змішана система застосовується на середніх ЛА з незначним числом джерел ЕЕ малої потужності, з досить розгалуженою електричною мережею, але що має невелику кількість потужних споживачів.

Децентралізована система розподілення характеризується тим, що енергію від джерел ЕЕ підводять не до одного ЦРП, а до шин декількох ЦРП, які розташовані поряд з генераторами. Від кожного ЦРП енергія поступає до найближчих споживачів безпосередньо або через РП, розташованих в кабінах екіпажа, або в місцях групового розташування споживачів. Для збільшення "живучості" СЕП усі ЦРП з'єднуються між собою (рис. 2.26, г) або об'єднуються в дві самостійні групи, які при аварійному режимі джерел перемикаються за допомогою автомата включення резерву АВР на спільну роботу (рис. 2.28, а). Децентралізована система широко поширена на усіх видах і типах ЛА, особливо на середніх і важких. <<─ (Літак Ан-140)

Рис. 2.28. Децентралізовані магістральні мережі.

У роздільній системі (рис. 2.26, а) розподілення ЕЕ (автономної) кожне джерело енергії підключають на окрему мережу, до якої приєднують групу споживачів. Роздільна система розподілення застосовується як в первинних, так і у вторинних СЕП. Її використання потрібне в СЕП змінного струму нестабільної частоти і можливо як варіант при виході з синхронізму паралельно працюючих генераторів змінного струму.

Класифікація мереж за призначенням. Залежно від призначення окремих ділянок мережу підрозділяють на живильну (магістральну) і розподільну (вторинну розподільну).

Частина електричної мережі, по якій здійснюється передача ЕЕ від джерел до розподільних пристроїв (ЦРП і РП), називають живильною (первинною розподільною) мережею (рис. 2.28, а – штрихпунктирна лінія). Ділянка живильної мережі, яка сполучає джерело з шинами найближчих розподільних пристроїв називається живильною лінією або живильним проводом (ЖП).

Розподільна (вторинна розподільна) мережа служить для передачі і розподілення ЕЕ від розподільних пристроїв до споживачів (рис. 2.27 і 2.28, а – штрихова лінія). Ділянка розподільної мережі, що живить групу споживачів від РП через загальний апарат захисту, називається фідером (рис. 2.27).

Класифікація мереж за конфігурацією (геометрією). Живильні (первинні розподільні) мережі можуть істотно розрізнятися по своєму технічному виконанню залежно від потужності джерел і споживачів. Конфігурація (геометрія) живильної мережі визначає надійність, безперебійність і якість електропостачання споживачів, селективність захисту, живучість і масу мережі. За конфігурацією живильні мережі діляться на розімкнуті, замкнуті і комбіновані.

Розімкнутою мережею називається мережа, в якій електроенергія до РП підводиться з одного боку. Залежно від способу з'єднання ЦРП і РП розімкнуті мережі можуть бути радіальними, магістральними і змішаними.

У радіальних мережах усі вторинні РП отримують живлення від ЦРП і підключаються до його шин паралельно (рис. 2.29, а). У цих мережах легко здійснюється захист від коротких замикань і перевантажень, а також автоматизація їх перевірки. Простота в монтажі і експлуатації, невелика маса визначають широке застосування розімкнутих радіальних мереж, незважаючи на їх недостатню надійність і живучість. <<─ (Літак Ан-140 шини Г2, Г2-1, Г2-2)

Рис. 2.29. Схеми розімкнутих радіальних і магістральних мереж.

У магістральних мережах шини первинних ЦРП і вторинних РП з'єднуються послідовно (рис. 2.28, а, б та рис. 2.29, б). У розімкнутих магістральних мережах напруга на шинах РП істотно змінюється зі зростанням кількості послідовно включених шин. У мережах з великим числом РП важко забезпечити селективність спрацьовування захисту, а послідовне включення шин РП знижує їх надійність в порівнянні з радіальними.

Якщо частина РП підключається до ЦРП паралельно, а частина – послідовно, то така мережа називається змішаною.

Замкнутою називається мережа (рис. 2.30), в якій електроенергія до РП підводиться не менше чим з двох сторін. Замкнуті мережі в порівнянні з розімкнутими мають підвищену надійність і живучість при обривах і коротких замиканнях в лініях передачі та на шинах РП.

Рис. 2.30. Схема замкнутої мережі.

Комбіновані мережі є поєднанням елементів розімкнутих і замкнутих мереж.

Для підвищення надійності в замкнутих радіальних і магістральних мережах застосовуються багатоканальні, наприклад триканальні, незалежні лінії живлення.

Класифікація мереж за захистом і канальністю. Електрична мережа може бути виконана як захищеною, так і незахищеною. Велика частина ділянок мережі має захист. <<─ (Літак Ан-140)

Електрична мережа може бути одноканальною і багатоканальною (наприклад, триканальною, (рис. 2.28, б), тобто з передачею електроенергії по декількох паралельних лініях – каналах, прокладених на деякому видаленні один від одного. Щоб при короткому замиканні в одному з каналів радіальної мережі спрацьовували лише апарати захисту, встановлені на кінцях цього каналу, тобто щоб захист був виборчим, число каналів має бути не менше трьох. Зазвичай робиться три–чотири канали. <<─ (Літак Ан-140 – одноканальна)

Класифікація мереж за електричними параметрами, тобто класифікація за родом струму і значенням напруги бортової мережі. Мережі постійного струму напругою 27 В і трифазного змінного струму напругою 115/200 В стабільною частотою
400 Гц набули переважного поширення в первинних СЕП. У вторинних СЕП застосовують в основному мережі трифазного і однофазного змінного струму напругою 36 і 115 В, а також постійного струму низької напруги 27 В.

Класифікація мереж за способом і числом проводів передачі ЕЕ. Основними є системи змінного трифазного струму і постійного струму з використанням корпусу літака як нульового або мінусового проводу. На борту ЛА застосовуються однопровідні, двопровідні і змішані схеми передачі ЕЕ для постійного і змінного однофазного струму, а також двопровідні, трипровідні і чотирипровідні схеми передачі ЕЕ для змінного трифазного струму (рис. 2.31).

Рис. 2.31. Схеми системи передачі ЕЕ.

При однопровідній передачі (рис. 2.31, а) до кожного джерела і споживача С підводиться лише плюсовий провід. Як мінусовий провід використовується металевий корпус ЛА. Металізація сприяє забезпеченню надійного контакту між окремими елементами конструкції. Однопровідна система передачі широко застосовується на усіх видах ЛА з СЕП постійного і однофазного змінного струму. Вона дозволяє зменшити масу проводів приблизно на 40 % (недолік – велика вірогідність коротких замикань). <<─ (Літак Ан-140 – СЕП постійного струму)

У двопровідній передачі (рис. 2.31, б) до кожного споживача підводять прямий і зворотний проводи. Така передача застосовується рідко із-за збільшення маси проводів. В деяких випадках застосовують змішані передачі, коли мережа в основному виконана однопровідною, і тільки на окремих ділянках її, де неможливо (наприклад, на авіадвигуні) забезпечити надійний контакт мінусового проводу з корпусом, прокладають два проводи.

Двопровідна передача для змінного трифазного струму (рис. 2.31, в) можлива, коли нульова точка не виводиться, а як третій провід при цьому використовується маса ЛА, до якого підключається одна з фаз генератора. Система не знайшла широкого застосування із-за ряду істотних недоліків.

Трипровідна передача з ізольованою (рис. 2.31, г) або заземленою (коли як нульовий провід використовується корпус ЛА) силовою нейтраллю (рис. 2.31, д) знаходить основне застосування в СЕП трифазного змінного струму.

З точки зору надійності і живучості для СЕП змінного трифазного струму найкращою є трипровідна мережа із заземленою на корпус ЛА нейтраллю (рис. 2.31, д). Вона дозволяє включати споживачі як на фазну 120 В, так і на лінійну 208 В напругу. Крім того, така система менш небезпечна для членів екіпажа, оскільки між будь-яким проводом і корпусом буде фазна, а не лінійна напруга. <<─ (Літак Ан-140 – СЕП змінного струму)

Чотирипровідну схему передачі з нульовим проводом (рис. 2.31, е) використовують рідко, оскільки більш економічно як нульовий провід використовувати корпус ЛА.

Для підвищення надійності живлення споживачів більшість мереж виконуються резервованими. За способом включення резервних каналів розрізняють мережі з постійно включеним резервом і мережі з резервом, що перемикається. Для живлення споживачів в аварійних ситуаціях застосовуються аварійні мережі. До аварійних мереж підключаються споживачі, без яких неможливо завершити політ і здійснити вимушену посадку.

У основу найменування електричної мережі зазвичай кладуть конфігурацію, канальність, захист, призначення і, як пояснюючі чинники, – рід струму, напругу, частоту, систему передачі і розподілення, наприклад кільцева багатоканальна живильна мережа постійного струму напругою 27 В із захистом.

Літак Ан-140:

– первинна розімкнена радіальна двоканальна автономна децентрализована трипровідна з заземленною нейтралю мережа трифазного змінного струму напругою 115/200В змінної частоты з захистом;

– вторинна розімкнена радіальна двоканальна автономна децентрализована однопровідна мережа постійного струму напругою 27В з захистом.

2.7.3. Основні технічні вимоги до електричних мереж та шляхи їх реалізації

Окрім загальних технічних вимог до електрообладнання ЛА, до електромереж пред'являють ряд додаткових вимог:

1. Забезпечення надійного і безперебійного постачання ЕЕ споживачів в будь-яких умовах експлуатації. Ця вимога реалізується шляхом:

а) резервування, тобто раціональним застосуванням надмірних елементів, наприклад багатоканальних мереж, резервних (аварійних) джерел живлення і тому подібне;

б) використання замкнутих мереж або резервованих розімкнених;

в) застосування роздільної системи розподілу ЕЕ для автономної роботи генераторів при зльоті і посадці в цілях підвищення надійності живлення дубльованих споживачів;

г) роздільного живлення в польоті найбільш відповідальних споживачів і їх резервних агрегатів або подвійного живлення споживачів I категорії (по живильній і розподільній мережі), тобто аж до клем споживача.

По характеру вимог відносно безперебійності електропостачання усі споживачі ЕЕ розділяються на дві категорії:

– споживачі I категорії – це такі споживачі електроенергії, перерва в електропостачанні яких може спричинити аварію або катастрофу (забезпечують політ ЛА – пілотажні прилади і системи, електрифіковані системи управління ЛА, прилади контролю і управління силовими установками і т. п.);

– споживачі II категорії – це такі споживачі, перерва в роботі яких може погіршити умови роботи екіпажа або ускладнити умови польоту, не призводячи до наслідків, вказаних вище. До них відносяться усі споживачі, що не входять в I категорію, або споживачі I категорії, що мають резерв (взаємне дублювання) з живленням основних і резервних (дублюючих) агрегатів від незалежних джерел або РП;

д) збільшення живучості, тобто забезпечення безперебійного живлення споживачів при обривах і коротких замиканнях, що досягається застосуванням резервування живлення РП або окремих найбільш відповідальних споживачів.

При резервуванні окремі РП або споживачі у разі ушкодження джерела (живлячій лінії), що живить їх, автоматично підключаються до іншого джерела або іншої ділянки мережі. Одночасно незалежні лінії мережі, а також лінії, що йдуть до основних і резервних (дублюючих) агрегатів, прокладають по різних бортах ЛА.

2. Забезпечення високої якості ЕЕ, що отримується споживачами (відхилення напруги на клемах джерел ЕЕ не повинне перевищувати ±2 % номінальні значення). Ця вимога викликана тим, що багато споживачів ненормально працюють або зовсім виходять з ладу, якщо напруга або частота (для споживачів змінного струму) будуть нижчі або вищі за деяке допустиме значення.

Якість ЕЕ залежить від вибору не лише джерел енергії з регулюючою апаратурою, але і системи передачі і розподілу ЕЕ, конфігурації і захисту первинної розподільної мережі.

3. Забезпечення захисту радіообладнання і магнітних приладів від перешкод, що виникають при роботі агрегатів електрообладнання або при розряді статичної електрики.

В теперішній час приділяється велика увага вдосконаленню систем передачі і розподілу ЕЕ за рахунок:

– вибору найбільш оптимальної конфігурації електричної мережі;

– застосування нових марок проводів, що дозволяють збільшити допустимі температури їх нагріву і зменшити масу електричної мережі;

– використання сучасної (безконтактної або герметизованої) комутаційної апаратури, а також нових систем захисної апаратури і т. п.