機(jī)場配電方案探討

薛海龍, 白雪婧

(中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 飛機(jī)工程設(shè)計(jì)研究院, 北京 100120)

0 引 言

近些年,隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展趨勢的深入,各個(gè)地區(qū)或國家之間的經(jīng)濟(jì)文化交流日益增多,作為最快捷的交通運(yùn)輸工具,飛機(jī)在當(dāng)今世界發(fā)揮著不可替代的作用。民用機(jī)場作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施,近些年得到井噴式的發(fā)展,并且其潛在需求依然巨大[1-3]。

機(jī)場供電系統(tǒng)作為機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,其可靠性、安全性及穩(wěn)定性事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)、政治及軍事層面的安全與穩(wěn)定。一個(gè)可靠的供電系統(tǒng)是機(jī)場正常、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障[4-5]。

民航機(jī)場是一個(gè)龐大的基礎(chǔ)設(shè)施和建筑群,本文著重于機(jī)場飛行區(qū)的供配電系統(tǒng)進(jìn)行探討。對我國現(xiàn)行的民、軍用機(jī)場建設(shè)常見做法中對于供配電系統(tǒng)章節(jié)進(jìn)行對比分析,并對幾種典型的機(jī)場中心變電站一次系統(tǒng)方案進(jìn)行剖析,著重從方案本身及運(yùn)維的角度解析其可靠性[6]。

1 現(xiàn)行機(jī)場建設(shè)常見做法對比解析

機(jī)場供配電系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)組成,供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注重其可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及靈活性,并從運(yùn)行和維護(hù)的角度考慮其整體運(yùn)行的安全、可靠。供配電系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)除了應(yīng)按照GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、GB 50053—2013《20 kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50059—2011《35 kV～110 kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》等通用型的現(xiàn)行國家規(guī)范,更應(yīng)按照IB-TM-2015-005《民航空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施設(shè)備供配電配置指導(dǎo)材料》[2]及《xx機(jī)場供電設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。

1.1 民航機(jī)場常見做法解析

1.1.1 負(fù)荷分級及供電要求

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》按照中斷供電在對人身安全、經(jīng)濟(jì)損失上所造成的影響程度,將用電負(fù)荷劃分為一級、一級中特別重要、二級、三級等4個(gè)等級。

IB-TM-2015-005《民航空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施設(shè)備供配電配置指導(dǎo)材料》中將相關(guān)負(fù)荷按照負(fù)荷保障等級劃分為空管一級供電保障和空管二級供電保障。

空管一級供電保障是指從2個(gè)穩(wěn)定可靠的獨(dú)立電源分別引入一路供電專線(市電進(jìn)線在前一級變電站為不同線路),每一路供電容量均需滿足臺(tái)站所有負(fù)荷需求,且留有冗余。處于機(jī)場地區(qū)的設(shè)備臺(tái)站一般采用空管一級供電,并由機(jī)場地區(qū)的變電站供電。

空管二級供電保障是指從一個(gè)穩(wěn)定、可靠的獨(dú)立電源引入一路供電線路,該電源可從2個(gè)以上獨(dú)立電源構(gòu)成的穩(wěn)定、可靠供電環(huán)網(wǎng)引接,路供電容量均需滿足臺(tái)站所有負(fù)荷需求,且留有冗余。

因此,空管一級供電保障比空管二級供電保障意味著更可靠的市政電源。

1.1.2 電源配置及要求

按IB-TM-2015-005中各用電等級負(fù)荷要求,市電電源和柴油發(fā)電機(jī)組要求如下。

(1)管制中心、一、二級管制單位對應(yīng)的航管樓、塔臺(tái)應(yīng)滿足空管一級供電保障要求。應(yīng)急電源應(yīng)至少由1套柴油發(fā)電機(jī)組提供保障,可根據(jù)需求增加1套冗余配置。

(2)三級及以下管制單位對應(yīng)的航管樓和塔臺(tái)應(yīng)至少滿足空管二級供電保障要求,應(yīng)急電源應(yīng)由2套柴油發(fā)電機(jī)組提供保障。條件允許時(shí),可按照一、二級管制單位的供電保障要求進(jìn)行配置。

(3)如機(jī)場供電站已配備為航管樓和塔臺(tái)提供應(yīng)急電源保障的發(fā)電機(jī)組,在航管樓和塔臺(tái)可不再重復(fù)配置柴油發(fā)電機(jī)組。

管制單位的等級劃分參見《中國民用航空空中交通管理規(guī)則(CCAR-93TM-R2)中有關(guān)內(nèi)容。

對于管制單位等級較高的一、二級單位,其市電必須要求最高的等級,應(yīng)配置至少1套柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源;對于管制單位等級略低的三級及以下管制單位,其市電要求同時(shí)也允許降低,但對于作為應(yīng)急電源的柴油發(fā)電機(jī)組套數(shù)比管制單位等級較高的單位要多。

尤其值得關(guān)注的是(3),這是有別于軍用機(jī)場常見做法的一種做法。軍用機(jī)場常見做法中不管中心供電站是否配備了柴油發(fā)電機(jī)組,航管樓和塔臺(tái)都應(yīng)在本地設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)IB-TM-2015-005中對飛行區(qū)各臺(tái)站的市電及柴油發(fā)電機(jī)組配置要求,各臺(tái)站電源配置及要求如表1所示。

表1 各臺(tái)站電源配置及要求

由表1可知,對市電要求最高的臺(tái)站是精密進(jìn)近導(dǎo)航設(shè)施臺(tái)站;柴油發(fā)電機(jī)組的套數(shù)受市電可靠性的影響,一般市電為空管一級供電保障時(shí),設(shè)置1套柴油發(fā)電機(jī)組即可,市電為空管二級供電保障時(shí),則需設(shè)置2套柴油發(fā)電機(jī)組。

軍用機(jī)場常見的做法中,只有航站樓、塔臺(tái)及精密進(jìn)近導(dǎo)航設(shè)施臺(tái)站在機(jī)場電站設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組的前提下,在臺(tái)站內(nèi)可不再單獨(dú)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組,其余臺(tái)站均未提及該做法。上述規(guī)定過于死板,應(yīng)根據(jù)設(shè)置有柴油發(fā)電機(jī)組的機(jī)場電站距相關(guān)臺(tái)站的電氣距離,確定相關(guān)臺(tái)站內(nèi)是否再單獨(dú)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組為宜。作為一種應(yīng)急電源,單從供電可靠性的角度來講,柴油發(fā)電機(jī)組越接近供電負(fù)荷,其供電方案越可靠。但是從整個(gè)機(jī)場供電系統(tǒng)的架構(gòu)來看,其方案應(yīng)采取簡單、成本較低的接線方式,要考慮整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行及維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性。所以,在機(jī)場電站距相關(guān)臺(tái)站距離較近且供電線路安全、可靠地前提下,可以考慮將相關(guān)臺(tái)站的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組集中設(shè)置于機(jī)場電站內(nèi)。

1.2 軍用機(jī)場常見的做法解析

1.2.1 負(fù)荷分級及供電要求

與GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的分級方法類似,軍用機(jī)場常見的做法中也是將負(fù)荷等級按照中斷供電在對戰(zhàn)斗值班、飛行安全、人員生命上所造成的影響程度,將用電負(fù)荷劃分為一級、一級中特別重要、二級、三級等4個(gè)等級,與每一等級用電負(fù)荷匹配的供電要求基本上與規(guī)范GB 50052—2009中的一致。

1.2.2 機(jī)場供電電源

軍用機(jī)場常見的做法中,根據(jù)機(jī)場的地位作用、中斷供電造成的軍事經(jīng)濟(jì)損失和安全影響程度,將機(jī)場供電類別分為三類,并對每類機(jī)場的電源提出了相應(yīng)的要求。軍用機(jī)場供電類別及電源要求如表2所示。

表2 軍用機(jī)場供電類別及電源要求

軍用機(jī)場常見的做法中要特別注意以下方面。

(1)機(jī)場助航燈光、指揮控制、通信導(dǎo)航等特別重要負(fù)荷,除應(yīng)由市電供電外,還應(yīng)在機(jī)場中心變電站設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組備用電源。當(dāng)市電故障時(shí),備用電源應(yīng)保障飛行指揮專線上全部負(fù)荷的供電需求。

(2)指揮所、飛行管制室、發(fā)信臺(tái)、對空臺(tái)、導(dǎo)航臺(tái)、燈光站等應(yīng)就地設(shè)置獨(dú)立的應(yīng)急電源,容量按實(shí)際需要確定。對允許中斷供電時(shí)間為15～30 s的重要用電負(fù)荷,應(yīng)采用快速自起動(dòng)的發(fā)電機(jī)組作應(yīng)急電源。對允許中斷供電時(shí)間小于15 s的重要用電負(fù)荷,還應(yīng)設(shè)置符合要求的其他類型應(yīng)急電源。

綜上所述,中心變電站一定要設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組;指揮所、飛行管制室、發(fā)信臺(tái)、對空臺(tái)、導(dǎo)航臺(tái)、燈光站等就地也應(yīng)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組,必要時(shí)還需要增設(shè)UPS等其他應(yīng)急電源。其中并沒有提及將(2)中所提及的相關(guān)臺(tái)站柴油發(fā)電機(jī)組在一定前提條件下設(shè)置于中心變電站的說法,這是有別于民航常見做法的規(guī)定。該條值得商榷,在中心變電站距相關(guān)臺(tái)站距離較近且供電線路安全可靠地前提下,可以考慮將相關(guān)臺(tái)站的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組集中設(shè)置于機(jī)場電站內(nèi)。這樣在保障供電可靠性不受損的前提下,既簡化整個(gè)機(jī)場配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),同時(shí)也可以大大降低機(jī)場的建設(shè)和運(yùn)行成本。

2 典型中心變電站方案

2.1 方案介紹

兩路高壓市電進(jìn)線,一路低壓柴油發(fā)電機(jī)組。高壓分段單母線接線,兩路電源同時(shí)工作、母聯(lián)斷路器分閘;或一路市電工作、母聯(lián)斷路器合閘。柴油發(fā)電機(jī)組通過升壓變壓器接入高壓母線段,中心變電站一次系統(tǒng)(方案)示意圖如圖1所示。

圖1 中心變電站一次系統(tǒng)(方案)示意圖

2.2 方案缺陷分析

方案中采用升壓變壓器作為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的接入設(shè)備,且柴油發(fā)電機(jī)組不兼作電氣距離較近的機(jī)場臺(tái)站末端應(yīng)急電源。

在市電供電可靠性較高,停電概率、頻率較低的情況下,升壓變壓器長期處于閑置狀態(tài),增加了中心變電站運(yùn)營維護(hù)的難度和成本。根據(jù)變壓器的運(yùn)維手冊,變壓器安裝完成后如果長期閑置(一般為3個(gè)月),變壓器再次通電投入使用前必須重新進(jìn)行相關(guān)檢測。

為了保證在市電全部失電情況下,作為應(yīng)急電源的柴油發(fā)電機(jī)組可以及時(shí)地投入使用,升壓變壓器就必須隨時(shí)處于允許通電狀態(tài),故升壓變壓器必須定期進(jìn)行維護(hù)檢測(費(fèi)用高)。

2.3 方案改進(jìn)建議

為了降低不必要的日常運(yùn)維開銷,建議上述方案改為采用高壓柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源。中心變電站一次系統(tǒng)(改進(jìn)方案)示意圖如圖2所示。由圖2可見,改進(jìn)后的方案接線更簡單,不僅節(jié)約升壓變壓器運(yùn)維成本,而且供電可靠性較原方案沒有降低,應(yīng)急電源投入可以更加迅速。

圖2 中心變電站一次系統(tǒng)(改進(jìn)方案)示意圖

3 中心變電站柴發(fā)設(shè)置原則的思考

由軍用機(jī)場常見可知,軍用機(jī)場不管中心變電站是否設(shè)置有柴油發(fā)電機(jī)組,需要設(shè)置應(yīng)急電源的臺(tái)站內(nèi)都必須再單獨(dú)設(shè)置本地柴油發(fā)電機(jī)組;民用標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中航管樓、塔臺(tái)及精密進(jìn)近導(dǎo)航設(shè)施臺(tái)站在中心變電站已配備為上述臺(tái)站提供應(yīng)急電源保障的發(fā)電機(jī)組前提下,臺(tái)站內(nèi)可不再重復(fù)配置柴油發(fā)電機(jī)組。

基于上述規(guī)定,軍用機(jī)場中心變電站的柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)優(yōu)先考慮高壓設(shè)備。

民用機(jī)場中心變電站的柴油發(fā)電機(jī)組在考慮兼作相關(guān)臺(tái)站應(yīng)急電源的情況下可選用低壓柴油發(fā)電機(jī)組,除此外也應(yīng)優(yōu)先考慮高壓設(shè)備。

4 結(jié) 語

隨著我國經(jīng)濟(jì)、科技實(shí)力的提升及國防建設(shè)的客觀需求,近些年我國機(jī)場建設(shè)出現(xiàn)了井噴式發(fā)展,并仍有巨大的潛在需求。本文對機(jī)場飛行區(qū)的供配電系統(tǒng)進(jìn)行了探討,分析了典型中心變電站方案,提出軍用機(jī)場中心變電站的柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)優(yōu)先考慮高壓設(shè)備,民用機(jī)場中心變電站的柴油發(fā)電機(jī)組在考慮兼作相關(guān)臺(tái)站應(yīng)急電源的情況下可選用低壓柴油發(fā)電機(jī)組。