民航區(qū)域管制中心供電系統(tǒng)安全性研究

王士鵬

(中國民航工程咨詢公司 咨詢評審部, 北京 100621)

民航區(qū)域管制中心供電系統(tǒng)安全性研究

王士鵬

(中國民航工程咨詢公司 咨詢評審部, 北京 100621)

為了保障區(qū)管中心供配電系統(tǒng)的安全、可靠，結(jié)合民航區(qū)域管制中心供電系統(tǒng)工程實踐，按系統(tǒng)性思維針對電源質(zhì)量保證、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全、設(shè)備功能適應(yīng)、系統(tǒng)電磁安全、系統(tǒng)消防安全和系統(tǒng)運行安全六個方面展開分析、研究，針對其中關(guān)鍵參數(shù)、方案與措施給出探討與建議，以期為落實當(dāng)前民航安全能力建設(shè)提供咨詢服務(wù)。

區(qū)管中心；供電；安全

0 引言

我國地處亞洲東部，是連接歐亞兩洲重要的空中通道，空中交通服務(wù)的水平直接影響到國際、國內(nèi)航空業(yè)的運作和發(fā)展。為使空中交通管制適應(yīng)民航飛行量的迅猛增長，必須建立高度可靠的空管基礎(chǔ)設(shè)施，改善飛行管制手段，從而改變因空中交通管制原因制約飛行量增加、造成航班延誤的局面。我國北京、上海、廣州、成都、西安、沈陽、烏魯木齊七大民航區(qū)域管制中心的相繼規(guī)劃、建設(shè)，就是“十五”以來進一步深化我國空管體制改革和響應(yīng)當(dāng)前“一路一帶”政策需求的重大舉措，是使我國民航空中交通管理上水平、上規(guī)模的重要條件。這些區(qū)域管制中心(以下簡稱“區(qū)管中心”)，不論已建成的還是即將開工的，都會促進空域結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，重新調(diào)整管制責(zé)任，減少現(xiàn)有管制區(qū)數(shù)量，充分利用自動化系統(tǒng)提高空管保障能力和工作效率，保障空中交通安全，落實民航安全能力建設(shè)。

區(qū)管中心的建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除現(xiàn)代化的管制大樓外，還包括引進具有國際先進水平的空中交通管制自動化系統(tǒng)和相應(yīng)的先進通信系統(tǒng)，以及電力保障系統(tǒng)等。而我國目前對這些系統(tǒng)的功能需求、系統(tǒng)組成、建設(shè)規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等仍處于探索和小結(jié)階段。正因如此，一直作為民航運輸?shù)挠篮阒黝}、空管工作的最高原則——安全，在此類工程建設(shè)中就應(yīng)更顯突出。區(qū)管中心所有系統(tǒng)、設(shè)備安全可靠地運行均應(yīng)建立在具有更安全可靠的供配電系統(tǒng)基礎(chǔ)之上。故從電氣工程設(shè)計角度講，如何使建設(shè)的區(qū)管中心供配電系統(tǒng)安全可靠是首要問題。筆者結(jié)合自己參與過的區(qū)管中心實際工程及類似工程中的研究和探索，初步認(rèn)為應(yīng)著重解決以下六方面：電源質(zhì)量保證，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全，設(shè)備功能適應(yīng)，系統(tǒng)電磁安全，系統(tǒng)消防安全和系統(tǒng)運行安全。希望同行們批評指正，期望本文有助于我國民航此類工程建設(shè)。

1 電源質(zhì)量保證

1.1 用電負荷組成及性質(zhì)

為了實現(xiàn)區(qū)管中心的功能需求，工程建設(shè)的核心問題在于建立空管自動化系統(tǒng)，而該系統(tǒng)本質(zhì)上是利用計算機及其網(wǎng)絡(luò)對飛行和管制的相關(guān)信息不斷地進行采集、分析、處理和分發(fā)[1]。可見，最重要的用電負荷主要是由計算機為主組成的民航專業(yè)設(shè)備。 除此之外，整個區(qū)管中心還有與民航專業(yè)設(shè)備配套的動力和照明負荷等。

1.2 用電負荷等級劃分

根據(jù)國家規(guī)范，區(qū)管中心為一級供電用戶，其中一級負荷和一級負荷中特別重要的負荷占較大比例。

民航專業(yè)設(shè)備根據(jù)區(qū)管中心用電負荷的組成及性質(zhì)，將區(qū)管中心各用電負荷結(jié)合其允許中斷供電時間再行細劃等級更有利于供配電的安全和經(jīng)濟。筆者建議分為以下四類：

第一類負荷：特一級負荷，主要包括民航專業(yè)設(shè)備機房和管制大廳內(nèi)計算機類的民航專業(yè)設(shè)備，以及這些場所的應(yīng)急照明等；

第二類負荷：一級負荷中的重要負荷，主要包括民航專業(yè)設(shè)備用房、管制大廳以及維修民航專業(yè)設(shè)備軟、硬件場所的動力、照明、消防和保安監(jiān)控等負荷；

第三類負荷：一級負荷，主要包括公用專業(yè)技術(shù)用房的照明和動力等負荷；

第四類負荷：上述以外的其它負荷，主要包括區(qū)管中心生活、衛(wèi)生用房的照明和動力等負荷。

1.3 用電負荷對電源方式及質(zhì)量的要求

第一類負荷：由于民航專業(yè)設(shè)備是由計算機性質(zhì)設(shè)備組成，而據(jù)有關(guān)資料表明[2-3]：對于連續(xù)使用的計算機都裝有高速欠壓保護電路，當(dāng)計算機電源輸入端欠壓時計算機依靠貯存在濾波器電容中的能量維持工作約10ms(工頻的半個周波)，也即斷電時間小于10ms時計算機存儲器中的數(shù)據(jù)不會丟失。據(jù)此，區(qū)管中心的供電電源質(zhì)量按A級保障[4]應(yīng)是沒有問題的，尤其對于小于5ms電源中斷時間的要求已很嚴(yán)格，其實就是為第一類負荷建立不停電電源系統(tǒng)。此類負荷對應(yīng)的電源方式建議采用“兩路獨立市電+柴油發(fā)電機組+不間斷電源(UPS)”方案。

第二類負荷：根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《供電規(guī)范》)對供電電源質(zhì)量的要求即可，允許中斷供電時間要求不超過15s，對應(yīng)的電源方式建議采用“兩路獨立市電+柴油發(fā)電機組”方案。

第三類負荷：根據(jù)《供電規(guī)范》對供電電源質(zhì)量的要求即可，對應(yīng)的電源方式建議采用“兩路獨立市電”方案。

第四類負荷：根據(jù)《供電規(guī)范》對供電電源質(zhì)量的要求即可，對應(yīng)的電源方式建議采用“兩路市電切換后單回電纜線路配電”方案。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全

2.1 電源方案

2.1.1 供電電源組成

區(qū)管中心整個電源系統(tǒng)可分為主電源系統(tǒng)與應(yīng)急電源系統(tǒng)，應(yīng)急電源系統(tǒng)由柴油發(fā)電機組和UPS組成。

2.1.2 主電源系統(tǒng)

指兩路獨立市電通過電源外線到達區(qū)管中心變電站后，利用高壓側(cè)單母分段斷路器實現(xiàn)自動切換，互為100%熱備份。

2.1.3 應(yīng)急電源系統(tǒng)

若是柴油發(fā)電機組：建議采用一主一備聯(lián)機模式。

啟動條件：兩路市電均失電并延時后，兩套機組同時快速自啟動。

帶載條件：任一套機組達到額定值后就先投入供電狀態(tài)，另一套機組啟動成功后暫時熱機等待；

先投入的機組考慮到油機與UPS兼容性應(yīng)分兩步帶負荷，利用ATS首先向第二類用電負荷(感性負荷)供電，然后再向第一類負荷(帶民航專業(yè)設(shè)備的UPS內(nèi)的輸入濾波器呈高容性)供電；確保此機組帶載全部成功后，熱機等待的另一套機組才可停機。

若是UPS：采用“雙輸入雙輸出100%熱冗余+公共旁路”的聯(lián)機模式對第一類負荷供電，具體為：設(shè)置2組UPS裝置，每組UPS均由2臺同容量的UPS按功率均分方式并聯(lián)運行。運行方式：正常運行時每組UPS帶一半負荷，兩組并聯(lián)運行，互為100%熱備份；每組UPS中的每臺UPS容量相同，兩臺并聯(lián)運行，互為100%熱備份。任一組UPS故障時自動切換至另一組UPS供電，任一組UPS中的一臺故障時自動切換至另一臺供電；當(dāng)2組UPS均故障時自動將所有負荷切換至公共旁路直接由市電供電。

2.1.4 電源系統(tǒng)間的備用切換和輸出輸入關(guān)系

第一種：兩獨立市電通過母聯(lián)開關(guān)自動切換，市電與油機電源通過雙電源自動切換開關(guān)(ATS)自動切換。

第二種：市電與油機電源的每對配電出線經(jīng)ATS自動切換后的輸出，有的作為給第一類負荷供電的UPS組輸入，有的作為給第二類負荷供電的常規(guī)低壓配電柜輸入。

第三種：UPS輸入來自上級ATS的輸出，UPS輸出是下級靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)的輸入。

2.2 配電方案

2.2.1 第一類負荷

采用STS和精密低壓配電柜(PPC)間上下級配合實現(xiàn)。

2.2.2 第二類負荷

市電與油機經(jīng)ATS后到常規(guī)低壓配電柜回路配出。

2.2.3 第三類負荷

分別引自單母分段中一段母線的市電利用終端ATS切換后配出即可。

2.2.4 第四類負荷

引自單母分段中任一段母線的一回路配出電纜即可。

3 設(shè)備功能適應(yīng)

3.1 設(shè)備選型應(yīng)滿足需求

3.1.1 一般原則

安全可靠，技術(shù)先進，造價合理，節(jié)能環(huán)保。

3.1.2 重點設(shè)備

除按常規(guī)功能和高品質(zhì)選型外，還必須具有以下功能：

柴油發(fā)電機：能在15s之內(nèi)快速自啟動。

UPS：之所以選UPS作為不停電電源是因其適合帶電容性和電阻性負載[5]，如計算機類設(shè)備。

每臺UPS要具有維修旁路，每組UPS要設(shè)計有公共交流旁路，兩組UPS；兩組UPS通過旁路柜(MSS)由負載母線同步跟蹤器(LBS)控制，保證兩組輸出的電壓幅值、相位、頻率同步。每臺UPS滿載工作時間不應(yīng)小于15min。

ATS：要求為雙路輸入、單路輸出，帶旁路中性點重疊轉(zhuǎn)換功能，具有抽出式旁路隔離開關(guān)。

STS：要求其內(nèi)裝有維修旁路開關(guān)，具有不間斷自動檢測、告警功能，轉(zhuǎn)換時間小于1/4周期(5ms)[6]。

PPC：要求內(nèi)置雙屏蔽隔離變壓器，具有回路識別和監(jiān)測功能，開關(guān)能熱拔插。

3.2 設(shè)備容量應(yīng)科學(xué)配置

供電系統(tǒng)中每臺設(shè)備容量，除按規(guī)定的計算方法計算并考慮安全系數(shù)外，還應(yīng)特別注意上、下級設(shè)備間容量的匹配問題。例如，區(qū)管中心電源系統(tǒng)的油機容量與其所帶的UPS容量之間，據(jù)有關(guān)資料研究一般應(yīng)按油機容量為UPS容量2倍以上的富余度考慮[7]。理由是，UPS采用的整流器功率較大，整流器可控硅的觸發(fā)和導(dǎo)通將影響油機電壓、電流波形，進而影響UPS輸入電壓，同時再考慮電池充電功率，故應(yīng)適當(dāng)放大油機容量。否則，當(dāng)UPS啟動或負載變化都將使油機速度降低，輸出電壓和頻率也會過低，當(dāng)油機電壓降到額定電壓85%時，UPS將跳機?？梢姡O(shè)備容量是否科學(xué)配置直接影響到系統(tǒng)的供電安全。

4 系統(tǒng)電磁安全

只是供電系統(tǒng)自身安全并不能算安全，還應(yīng)要求該系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間在安全方面互不影響才算真正的安全。雷電、浪涌、靜電和電磁干擾給區(qū)管中心帶來了電磁安全問題，而對于它們的防范應(yīng)是工程建設(shè)各專業(yè)統(tǒng)籌全面考慮的系統(tǒng)工程。防雷電、防浪涌和防靜電措施一般均按規(guī)范有考慮，本文重點強調(diào)在工程設(shè)計時就應(yīng)事先主動加強防電磁干擾措施，以免供配電系統(tǒng)及其設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾對民航專業(yè)設(shè)備及其運行產(chǎn)生危害。

電磁干擾會降低區(qū)管中心內(nèi)大量電子設(shè)備的工作性能，甚至破環(huán)這類設(shè)備，故應(yīng)從電磁干擾三要素(干擾源、干擾傳播途徑和敏感設(shè)備)入手進行工程電磁兼容設(shè)計。而電磁兼容工程是一項系統(tǒng)工程，必須在工程設(shè)計中主動預(yù)防、整體規(guī)劃。電磁兼容控制策略和技術(shù)措施雖有很多，但針對區(qū)管中心，工程電氣設(shè)計時從屏蔽、接地、搭接、合理布線、電氣隔離以及設(shè)備選型等方面考慮是很有效的工程做法。比如，對于區(qū)管中心纜線選型時均要求為電磁屏蔽線，要求防電磁干擾的場所選用白熾燈照明，給民航專業(yè)設(shè)備配電的低壓配電柜選用帶雙屏蔽電氣隔離的PPC，機房配線時盡量不作環(huán)形配線等。

5 系統(tǒng)消防安全

整個區(qū)管中心消防措施相關(guān)專業(yè)按規(guī)范設(shè)計即可，本文不再贅述。在此只就從供電專業(yè)角度對其進行主動消防設(shè)計作以強調(diào)。

在電氣設(shè)備選型、方案設(shè)計時就應(yīng)考慮防止電氣火災(zāi)的主動措施。電氣設(shè)備選型時應(yīng)無油化，纜線應(yīng)為耐火阻燃型和銅芯纜線；母線分段柜、不同電源進線柜下的電纜溝內(nèi)、電纜室內(nèi)外接口處應(yīng)采取防火分隔等。

另外，變電站自備油機的油箱、蓄電池，UPS蓄電池，EPS蓄電池，電容器柜中均含有或產(chǎn)生易燃、易爆物質(zhì)，故還應(yīng)按相關(guān)規(guī)范設(shè)置變電站火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，并應(yīng)與整個區(qū)管中心火災(zāi)自動報警系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

6 系統(tǒng)運行安全

區(qū)管中心供配電系統(tǒng)的安全運行，在系統(tǒng)投入運行后運行管理部門應(yīng)該制定相關(guān)組織、技術(shù)和急救措施等以保障，但在工程供電設(shè)計時就應(yīng)主動圍繞運行安全在技術(shù)措施、裝備上給予先天保障。

至于技術(shù)措施，以上2～6節(jié)其實已作闡述；對于現(xiàn)代化區(qū)管中心，應(yīng)把變電站綜合自動化系統(tǒng)作為變電站的基本技術(shù)裝備，以便能對變電站運行進行實時自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)，為變電站提供設(shè)備實時工況，以利及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷、維護電氣設(shè)備，提高設(shè)備運行的安全性。

7 結(jié)語

綜上所述，對于我國民航首批建設(shè)現(xiàn)代化區(qū)管中心的供配電系統(tǒng)，其運行的安全性首先應(yīng)保證從工程建設(shè)的源頭——設(shè)計做起，只有把該系統(tǒng)的安全性考慮科學(xué)、全面、合理了，才能談及區(qū)管中心運行的安全性，才能保證區(qū)管中心發(fā)揮其現(xiàn)代化的作用。

[1] 高愛國.現(xiàn)代化區(qū)域管制中心電源系統(tǒng)方案探討[J].空中交通管理，2004(2):20-21.

[2] 巫長年.不停電供電技術(shù)-UPS[M].北京：機械工業(yè)出版社，1986:72-76.

[3] 關(guān)中，劉世雄.計算機機房的建設(shè)與管理[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1993：17-20.

[4] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》(GB 50174-2008)[S].中國計劃出版社，2008.

[5] 林瑯.現(xiàn)代建筑電氣技術(shù)資質(zhì)考試復(fù)習(xí)問答[M].北京：中國電力出版社，2002：2.

[6] 王其英，何春華.UPS供電系統(tǒng)綜合解決方[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：45.

[7] 信息產(chǎn)業(yè)部.《通信用不間斷電源(UPS)》(YD/T1095-2008)[S].中國計劃出版社,2008.

[責(zé)任編輯、校對：張朋毅]

Research on the Safety of Power Supply System of Civil Aviation Area Control Center

WANGShi-peng

(Consultation & Evaluation Department, Civil Aviation Engineering Consulting Company of China, Beijing 100621, China)

To ensure the safety and reliability of power supply and distribution system of civil aviation area control center, the paper carries out the analysis and study from the six aspects of power quality guarantee, system structure safety, equipment function adaptability, system electromagnetic safety, system fire safety, and system operating safety in the light of systematic thinking, discussing about key parameters, schemes, and measures in an effort to offer consultation service to the current civil aviation safety capability construction.

civil aviation area control center; power supply; safety

2015-04-02

王士鵬(1971-)，男，陜西榆林人，注冊電氣工程師、注冊監(jiān)理工程師、高級工程師，從事民航建設(shè)項目評估、咨詢工作。

V351

A

1008-9233(2015)03-0030-04