Расчет и проектирование авиационных электрических сетей неразрывно связаны с проектированием всего комплекса электрооборудования самолетов.
Электрическая сеть формируется почти на всех этапах проектирования электрооборудования: при разработке задания и ТТТ заказчика, при разработке эскизного проекта и постройке макета, при рабочем проектировании и производстве опытного образца самолета.
При проектировании электрической сети устанавливают род тока и величину напряжения энергосистемы, выбирают способ передачи и распределения электроэнергии, определяют конфигурацию сети, трассы прокладок жгутов, шин и проводов, места установок распределительных устройств и разъемов, а также длину проводки и величину переходных сопротивлений.
Магистральную сеть рассчитывают при эскизном проектирований. На основании этого расчета вносятся коррективы в проект магистральной сети, а при необходимости изменяется ее конфигурация, система передачи и распределения электроэнергии.
Расчет распределительной сети производится при рабочем проектировании и создании опытного образца самолета.
Общие положения расчета авиационных электросетей
При выбранных энергосистеме и конфигурации сети расчет электросети сводится к следующему.
На основе известных данных о взаимном расположении и характеристиках источников и потребителей электроэнергии, расположении трасс сетей с указанием длины проводки, положении и типе переходных контактов (распределительных устройств, коммутационной и защитной аппаратуры, разъемов) и заданных допустимых норм перегрева и потерь напряжений в магистральной и распределительной сетях в нормальном и аварийных режимах выбирается тип провода, рассчитывается его сечение и обосновывается способ его прокладки. При этом должны быть выполнены следующие основные требования.
1. Температура провода (поверхности изоляции), потеря напряжения в сети и температура токоведущей жилы в режиме короткого замыкания не должны превышать допустимых величин.
2. Полетный вес сети должен быть минимальным.
3. Предельный нагрев авиационных проводов в силу высокого качества и небольшого срока службы берется большим, чем для проводов наземных электросетей. Так, для авиационных проводов с широко внедренной виниловой изоляцией типа БПВЛ при длительной нагрузке допустимый нагрев равен + 90 °С (перегрев равен +70 °C при температуре окружающей среды + 20 оС), а при кратковременном режиме +100…+ 120 оС и более в зависимости от времени работы.
Указанные температуры являются предельными с точки зрения безопасности изоляции провода, но не безопасности самолета в целом; в последнем случае верхние пределы температуры проводов могут быть значительно расширены с применением теплостойкой изоляции. Даже в герметических кабинах рабочую температуру проводов можно довести до 100–150 оС, а в отдельных местах самолета, не соприкасающихся непосредственно с членами экипажа, допустимая температура проводов может быть порядка 200–250 оС. В этих случаях применяют теплостойкую изоляцию из винифлекса, стекловолокна и фторопласта.
Допустимые потери напряжения в электросетях самолета обычно не превышают 6–10 % от номинального напряжения электросистемы, хотя в ряде случаев для уменьшения полетного веса сети желательно доводить потерю напряжения до 15 %.
Величины допустимых потерь напряжения в магистральной сети и в отдельных фидерах должны выбираться такими, чтобы обеспечить согласование вольтамперных характеристик источников и потребителей электроэнергии и получить минимальный полетный вес сети. Под полетным весом электросети понимается вес полезного груза, который должен быть снят с самолета, чтобы сохранить все его характеристики (скорость, дальность, высотность, грузоподъемность, точность и т. д.):
G п = G 0 + ∆ G,
где G п – полетный вес электросети;
G 0 – действительный вес электросети;
∆ G – дополнительный вес электросети, учитывающий увеличение весовой загрузки самолета в связи с отбором мощности от авиадвигателя, идущей на потери в сети.
До последнего времени расчет электросетей сводился к подбору стандартного сечения заданной марки проводов из условий допустимых норм нагрева и потерь напряжений в номинальном режиме работы электросистемы без учета всех аварийных режимов работы электросистемы, параллельной работы источников, способа монтажа проводов, высоты полета самолета и т. д.
Это было вполне приемлемо для маломощных электросистем, радиальных и малоразветвленных сетей и при ограниченных высотах и скорости полета. К настоящему времени на самолетах резко возросли мощности электросистем, вес и протяженность электросетей; усложнились конфигурации сетей (замкнутые, кольцевые и сетчатые); непомерно возросли токи короткого замыкания.
Все это требует более глубокого подхода к расчету электросетей с учетом ряда факторов.
1. Тепловой расчет необходимо производить дифференциально в зависимости от режима работы (длительный, кратковременный или повторно-кратковременный), рода и конфигурации провода (медный или алюминиевый, оголенный или изолированный, круглый или прямоугольный, трубчатый или пленочный), условий прокладки проводов (одиночная, в жгуте, коробе, в трубе и т. д.), условий охлаждения (естественное или продув), высоты и скорости полета самолета.
2. Проверку на нагрев следует производить при токах короткого замыкания – установившихся и ударных.
3. Наибольшая токовая нагрузка проводов должна быть согласована с родом и типом защиты (плавкие вставки, инерционно-плавкие предохранители, биметаллические автоматы, дифференциальная защита, сумматоры и т. д.).
4. Помимо расчета электрических сетей на потерю напряжения в номинальном режиме, следует проверять потерю напряжения в режимах аварийных и специфических (так, для электродвигателей – в режиме трогания).
5. Расчет мощных магистральных сетей с несколькими генераторами надо производить с учетом параллельной работы генераторов и потери мощности в сети.
6. При всех видах расчетов электрических сетей необходимо добиваться получения минимального веса сети.
Расчеты электрических сетей подразделяются на три вида (тепловые, электрические и специальные), каждый из которых разбивается на несколько типов.
I. Тепловые расчеты
1. Расчет в зависимости от режима работы провода.
2. Расчет различных видов проводов (оголенных и изолированных, одиночных и в жгуте, трубчатых и пленочных, медных и алюминиевых).
3. Расчет с учетом вида прокладки и способа охлаждения провода (при открытой прокладке и в коробе, в герметической кабине и вне ее, при естественном охлаждении и при продуве и т. д.).
4. Расчет проводов с учетом высоты и скорости полета самолета.
II. Электрические расчеты
1. Расчет по допустимой потере напряжения.
2. Расчет токораспределения в номинальном режиме.
3. Расчет токов короткого замыкания.
III. Специальные расчеты
1. Расчет магистральной сети с учетом параллельной работы авиационных генераторов.
2. Расчет по эксплуатационной выгодной плотности тока и потере напряжения.
3. Расчет на минимум полетного веса электросети. Основные положения расчета электросетей сводятся к следующему:
1) конфигурация электросети, тип и сечения проводов должны обеспечить максимальную надежность и живучесть электросистемы;
2) вес сети должен быть минимальным;
3) коэффициент загрузки проводов должен быть максимально возможным из условия допустимых норм нагрева и потерь напряжения в проводах;
4) сечения проводов должны выбираться с учетом вольтамперных характеристик источников и потребителей электроэнергии;
5) минимальные сечения проводов должны ограничиваться необходимой механической прочностью при монтаже и эксплуатации: при одиночной прокладке – S > 0,75 мм2, при прокладке в жгуте – S > 0,50 мм2, при монтаже на пультах – S > > 0,35 мм2;
6) расчет на потерю напряжения магистральных сетей и мощных фидеров необходимо вести с учетом падения напряжения в переходных контактах;
7) при однопроводном способе передачи электроэнергии пренебрегают потерей напряжения в металлическом корпусе, служащем обратным проводом, а положительный провод рассчитывают на полную потерю напряжения ∆U+=∆Uдоп.ус;
8)при двухпроводном способе передачи электроэнергии считают одинаковым распределение потерь напряжения между прямым и обратным проводами
∆ U + = ∆ U - = ∆ U доп/2 = U ист - U пот ;
9) расчет мощных магистральных электросетей ведется не только на потерю напряжения, но и на потерю мощности;
10) расчет электросетей с несколькими генераторами ведется с учетом параллельной работы генераторов;
11) параметры, необходимые для расчета электросетей, получают при проектировании электрооборудования самолета или могут быть взяты как среднестатистические.
