張志強(qiáng)，董恩慶，孫桂才

（1.海軍裝備研究院，北京 100161；2. 海軍青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東 青島 266002）

艦用航空中頻電源諧波標(biāo)準(zhǔn)適用性分析與制定

張志強(qiáng)1，董恩慶2，孫桂才1

（1.海軍裝備研究院，北京 100161；2. 海軍青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東 青島 266002）

本文介紹了國(guó)內(nèi)外相關(guān)中頻電源諧波標(biāo)準(zhǔn)，不同標(biāo)準(zhǔn)在具體指標(biāo)上差異明顯。文中對(duì)不同中頻電源標(biāo)準(zhǔn)的諧波限值指標(biāo)進(jìn)行了適用性分析，提出了制定艦用航空中頻電源系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn)的思路。

航空中頻電源 諧波 標(biāo)準(zhǔn) 適用性分析

0 引言

艦面航空中頻電源系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱中頻電源）是艦載飛機(jī)保障系統(tǒng)的重要組成部分。早期飛機(jī)的外部電源，主要是用來啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，一般不直接并入機(jī)上電網(wǎng)。由于航空技術(shù)的發(fā)展和高性能飛機(jī)的出現(xiàn)，地面電源不再僅作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電源，同時(shí)也作為機(jī)載設(shè)備地面預(yù)熱和起飛前性能檢查電源。隨著機(jī)載設(shè)備的電子化和電氣化發(fā)展趨勢(shì)，越來越多的非線性負(fù)載將接入中頻電源系統(tǒng)。一方面，對(duì)中頻電源的電能質(zhì)量提出了更高的要求；另一方面，這些非線性航空設(shè)備將大量諧波注入中頻電源系統(tǒng)中，會(huì)造成中頻電源系統(tǒng)波形畸變，影響其他航空裝備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此必需制定相關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范各設(shè)備諧波發(fā)射水平，保障整個(gè)中頻電源系統(tǒng)具有良好的供電質(zhì)量。

1 航空中頻電源相關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)適用性分析

目前國(guó)內(nèi)還沒一個(gè)專門為艦載航空中頻電源系統(tǒng)制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，筆者將現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外涉及飛機(jī)用中頻電源標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，將其中涉及到諧波的相關(guān)條款列于表1中。

對(duì)表1所列標(biāo)準(zhǔn)大致可分為三類：一類艦船界面供電特性標(biāo)準(zhǔn)，屬于艦船標(biāo)準(zhǔn)類，如GJB4000和美軍標(biāo)STD-1399；二類是飛機(jī)供電系統(tǒng)和飛機(jī)外部電源的特性要求標(biāo)準(zhǔn)，屬于飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)類，如GJB181、美軍標(biāo)STD-704和 GJB572等；三類專用設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范，屬于設(shè)備規(guī)范類。三類類標(biāo)準(zhǔn)考慮內(nèi)容和出發(fā)點(diǎn)各不相同，指標(biāo)上也有所差異，甚至出現(xiàn)矛盾的地方。下面將對(duì)每一類諧波特性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適用性分析。

1）艦船界面供電特性標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于艦船界面特性標(biāo)準(zhǔn)的品質(zhì)界面置于設(shè)備（負(fù)載）的輸入端，一般是負(fù)載配電板或配電箱入口處，涉及的面廣包括了艦船各個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備，包含的電壓種類全，供電線制也從單相、三相和飛機(jī)專用的115/200 V三相四線中性點(diǎn)接地系統(tǒng)。可以以此為基礎(chǔ)，建立適用于艦船航空電源系統(tǒng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。但是，艦船界面標(biāo)準(zhǔn)涉及的面太廣，指標(biāo)顯得過于籠統(tǒng)，操作使用不便，尤其是指標(biāo)上存在相互矛盾的地方，造成使用人員的無措。例如GJB4000中將品質(zhì)界面分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三類分別設(shè)定指標(biāo)限值。按此分類艦載航空電源系統(tǒng)機(jī)端115/200 V、400 Hz電壓應(yīng)采用Ⅲ型指標(biāo)要求，諧波總畸變率和單次諧波含有量不超3%和2%。對(duì)于390 V、400 Hz網(wǎng)絡(luò)電壓應(yīng)采用Ⅱ型指標(biāo)要求，諧波總畸變率和單次諧波含有量不超5%和3%。一般來講電壓諧波總畸變率隨著電壓等級(jí)的升高會(huì)減小，反過來就是電壓等級(jí)低的系統(tǒng)畸變更嚴(yán)重?，F(xiàn)在矛盾是：按照Ⅱ型界面指標(biāo)設(shè)計(jì)的390 V電壓等級(jí)系統(tǒng)很可能在115/200 V電壓等級(jí)上超出指標(biāo)要求。

表1 中頻電源諧波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表[1-10]

MIL-STD-704F Aircraft electrical power characteristics 115/200 V 畸變頻譜 ≤5% 飛機(jī)電源系統(tǒng)類GJB181A-2003飛機(jī)供電特性 115/200 V 最大畸變頻譜，圖2 ≤5% GJB181-1986飛機(jī)供電特性及對(duì)用電設(shè)備要求 115/200 V 單次不超過4% ≤5%飛機(jī)電源系統(tǒng)類（未經(jīng)許可，交流設(shè)備總諧波電流的方均根值不超過基波電流有效值的10%）HB 5623飛機(jī)400Hz交流發(fā)電系統(tǒng)通用技術(shù)條件 115/200 V 單次不超過基波有效值2%≤基波有效值3% 飛機(jī)電源系統(tǒng)類GJB572-1988 飛機(jī)地面電源供電特性及一般要求 115/200 V 單次不大于4% ≤5% 飛機(jī)地面電源類GJB572A-2006 飛機(jī)外部電源供電特性及一般要求 115/200V 最大畸變頻譜 ≤4% 飛機(jī)地面電源類GJB3706-1999 軍用直升機(jī)地面電源供電特性一般要求 115/200 V 單次不超過3% ≤4% 飛機(jī)地面電源類GJB1910-1994 飛機(jī)地面電源車通用規(guī)范 208 V 單次不超過4% ≤5% 飛機(jī)地面電源類HB 6167.18 民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法電源輸入試驗(yàn)115 V 單次不超過基波4% ≤5% 飛機(jī)地面電源類三相發(fā)電機(jī)，單次不超過2% ≤3% GJB399A-1999艦船電動(dòng)交流發(fā)電機(jī)組通用規(guī)范12 V、230 V 、400 V、390 V 單相發(fā)電機(jī)，單次不超過3% ≤5%設(shè)備規(guī)范類HB 5962飛機(jī)靜止變流器通用技術(shù)條件 115/200 V 單次不超過基波4%≤基波5% 設(shè)備規(guī)范類GJB3279-1998 飛機(jī)靜止變流器通用規(guī)范115 V單相，115/200 V三相 單次不超過4% ≤5% 設(shè)備規(guī)范類注：a本表稱為總諧波畸變率，在其他標(biāo)準(zhǔn)中名稱不同，如正弦性畸變率，畸變系數(shù)等。b諧波頻譜：交流畸變通過每一頻譜分量幅值的量化表示，頻率低于1 MHz包括基波的整數(shù)倍的諧波和非整數(shù)倍的諧波分量。

2）飛機(jī)供電系統(tǒng)的特性要求標(biāo)準(zhǔn)

飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)如MIL-STD-704F、ГOCT 19705、GJB181，該類標(biāo)準(zhǔn)更強(qiáng)調(diào)其協(xié)調(diào)性，即作為飛機(jī)電源系統(tǒng)與機(jī)載設(shè)備之間的協(xié)調(diào)使用，可作為編制電源設(shè)備和用電設(shè)備產(chǎn)品規(guī)范的依據(jù)。其只規(guī)定了115/200 V、400 Hz三相四線中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的特性要求，對(duì)無中線的390V、400 Hz系統(tǒng)不能直接使用，只能分析參照?qǐng)?zhí)行。近年來飛機(jī)地面電源的特性要求越來越趨向等同采用飛機(jī)供電特性指標(biāo)要求，如GJB572中指標(biāo)基本與GJB181相同。另外，飛機(jī)供電特性諧波標(biāo)準(zhǔn)今年來有越來越嚴(yán)格的趨勢(shì)，可能跟高性能戰(zhàn)機(jī)研制過程中大量采用電氣傳動(dòng)設(shè)備和大功率雷達(dá)及電子設(shè)備的使用有關(guān)。如MIL-STD-704A升級(jí)F版總諧波畸變率限值由8%降為5%，GJB572-2006版替代了1988版時(shí)將總諧波畸變率限值由5%改為4%。多個(gè)飛機(jī)特性標(biāo)準(zhǔn)除采用規(guī)定了波形畸變系數(shù)和單次諧波含有量，還借鑒了電磁兼容的概念，提出了諧波最大畸變頻譜，如圖1是GJB181A中規(guī)定的交流電壓最大畸變頻譜。頻率從10 Hz到500 kHz范圍內(nèi)給出了限值曲線，用畸變率和畸變頻譜來度量波形的好壞顯得更加直觀、細(xì)致、全面，將諧波分量、非諧波分量以及幅值和頻率調(diào)制引起的分量都包括在內(nèi)。單次畸變率、總畸變率和畸變頻譜共同約束了飛機(jī)供電系統(tǒng)諧波特性，能更好的反映出整體諧波情況。

3）專用設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)設(shè)備使用對(duì)象、采用原理和實(shí)現(xiàn)方法的不同，諧波指標(biāo)設(shè)定也不完全一樣。總體上電源設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不能低于飛機(jī)特性指標(biāo)要求，因?yàn)殡娫丛O(shè)備在測(cè)量時(shí)一般不考慮配電網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載設(shè)備的影響，所以要求更顯嚴(yán)格。考慮的電源產(chǎn)生方式的不同，靜止變頻電源相比旋轉(zhuǎn)設(shè)備電源的諧波指標(biāo)更為寬松。

圖1 GJB181A規(guī)定的交流電壓最大畸變頻譜

除以上對(duì)諧波電壓指標(biāo)有具體要求外，有些標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)注入諧波電流作出規(guī)定，如GJB181和GJB4000。GJB181對(duì)單個(gè)機(jī)載設(shè)備規(guī)定總畸變電流方均根值不超過基波電流有效值的10%，GJB4000規(guī)定400 Hz系統(tǒng)，額定容量大于或等于0.2 kVA的三相用電設(shè)備和額定容量大于或等于0.23 kVA的單相用電設(shè)備，其正常工作不應(yīng)導(dǎo)致在輸入電流的2次～32次之間存有大于設(shè)備滿載基波電流3%的單次諧波線電流，且在32次～50次（對(duì)400 Hz用電設(shè)備）之間不應(yīng)存有大于其滿載基波電流（100/n）%（n為諧波次數(shù)）的單次諧波線電流。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)雖然做出了規(guī)定但不便執(zhí)行。如GJB181中的規(guī)定沒有對(duì)基波電流是否指設(shè)備滿載工況下給出明確說明，這樣就有可能出現(xiàn)當(dāng)很多設(shè)備處于上電暖機(jī)過程其功率低但電流畸變非常嚴(yán)重，出現(xiàn)超過10%的限值的情況。但當(dāng)設(shè)備額定工況工作時(shí)，電流波形相對(duì)較好可以滿足不超過10%的限值。使用者對(duì)設(shè)備考核時(shí)就會(huì)出現(xiàn)有些工況指標(biāo)合格有些工況不合格，無法對(duì)設(shè)備注入諧波情況做出明確判斷。GJB4000規(guī)定基波電流為滿載時(shí)，只規(guī)定了單次諧波的百分含量，對(duì)總畸變電流沒有給出限值，這樣就留下了隱患，即使不考慮32次以上的單次諧波含量，總畸變電流方均根值都可能超過滿載基波電流有效值的16%。這樣大的總諧波電流畸變值會(huì)影響到其他設(shè)備正常工作。

2 艦用航空中頻電源系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn)制定

2.1 電壓諧波限值

艦用航空中頻電源系統(tǒng)分為兩級(jí)，對(duì)電壓諧波限值設(shè)置應(yīng)有區(qū)分。115/200 V機(jī)端電壓等級(jí)與飛機(jī)供電系統(tǒng)的電壓、電制等要求完全一樣，應(yīng)采用飛機(jī)供電特性的要求。目前國(guó)外、國(guó)內(nèi)軍用標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大部分將115/200 V、400 Hz電壓總諧波畸變定為不超過5%，單次畸變率不超過3%。除了對(duì)總諧波畸變率和單次諧波畸變率做出規(guī)定外還可引入交流畸變頻譜對(duì)每一頻率分量進(jìn)行量化考核。

390 V電壓等級(jí)與115/200 V等級(jí)有明顯不同。一方面，飛機(jī)從115/200 V的母線取電，諧波電流直接注入115/200 V系統(tǒng)中，隨著電壓升高系統(tǒng)容量增大，電壓總諧波畸變率應(yīng)逐漸降低。另一方面，整個(gè)航空中頻供電系統(tǒng)通過390 V母線相連，如果390 V的電壓畸變過大將對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備造成不良影響，因此390 V的電壓畸變率設(shè)定應(yīng)較115/200 V電壓等級(jí)的指標(biāo)嚴(yán)格?？紤]到為將來應(yīng)用靜止變頻航空中頻電源系統(tǒng)留有余量，建議將電壓總諧波畸變定為不超過4%，單次畸變率不超過3%。為了全面的判斷波形的好壞建議390 V電壓等級(jí)增加畸變頻譜的考核，其譜線在圖1的譜線基礎(chǔ)上相應(yīng)調(diào)整。

綜上所述，建議艦用航空中頻電源系統(tǒng)電壓諧波限值在115/200 V機(jī)端電壓等級(jí)上總諧波畸變不超過5%，單次畸變率不超過3%，390 V電壓等級(jí)上總諧波畸變不超過4%，單次畸變率不超過3%，同時(shí)還要滿足相應(yīng)的諧波頻譜要求。

2.2 電流諧波注入限值

忽略電網(wǎng)的背景諧波，諧波電壓是由于諧波電流在阻抗上產(chǎn)出諧波壓降而來，因而對(duì)注入電網(wǎng)的諧波電流量值應(yīng)有限值，即應(yīng)對(duì)用電設(shè)備的諧波發(fā)射允許值進(jìn)行分配。限值的大小與系統(tǒng)承受騷擾能力有關(guān)，還跟設(shè)備的特征諧波有關(guān)。在具體分配諧波發(fā)送限值時(shí)，先按照用戶接入系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)處供電容量和用戶協(xié)議容量之比，決定分配給用戶的總諧波畸變率值，然后根據(jù)用戶特征諧波具體情況再對(duì)每次諧波電流限值進(jìn)行分配。將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)2端口網(wǎng)絡(luò)，圖2所示，則端口處的總諧波電壓畸變率等于用戶總諧波電流畸變率乘以系統(tǒng)阻抗。

圖2 2端口網(wǎng)絡(luò)

由于艦用航空中頻電源系統(tǒng)特殊用途，其每一路用電負(fù)荷分配的諧波電路限值應(yīng)該相同，即將艦載機(jī)設(shè)計(jì)容量和每支路的供電容量（變壓器容量）之比代入式（1）求得每支路分配的總諧波電流畸變率，然后根據(jù)艦載機(jī)特征諧波具體情況進(jìn)行單次諧波電流值的分配?？己藭r(shí)以該支路實(shí)際最大負(fù)荷電流（或滿載電流）的基波IL1為基值，計(jì)算各次諧波電流（Ih）畸變率和總畸變率。

單次諧波電流畸變率：

式（1）只是一個(gè)理想分配模型，得到的值是一個(gè)理論最大分配值，實(shí)際還必須考慮系統(tǒng)阻抗和諧波源的不確定性，諧波電壓和諧波電流的相互關(guān)聯(lián)性等因數(shù)影響，以實(shí)際測(cè)試結(jié)果修正理論計(jì)算值并留有必要的裕度。綜合考慮以上因素設(shè)定一個(gè)合理的總諧波電流畸變率值THDI。

3 結(jié)論

本文在航空中頻電源諧波標(biāo)準(zhǔn)適用性分析的基礎(chǔ)上對(duì)制定相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)提出了初步的看法。制定出完善的諧波標(biāo)準(zhǔn)需要在很多方面進(jìn)行研究和論證，如當(dāng)前技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)可承受能力、諧波測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理、多諧波源疊加問題、背景諧波問題、不同設(shè)備的準(zhǔn)許注入電網(wǎng)的諧波電流值等等。諧波標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)制定原則不能過松，過松會(huì)帶來超過電網(wǎng)承受能力的諧波含量，造成嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題；也不能過嚴(yán)，指標(biāo)過高過嚴(yán)超過的當(dāng)前技術(shù)水平，就會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。

[1] MIL-HDBK-740，Test procedures for demonstration of utilization equipment compliance to aircraft electrical power characteristics [S].USA: Department of defense handbook, 2004.

[2] MIL-STD-740F, Aircraft electrical power characteristics [S]. USA: Department of defense interface standard, 2004.

[3] GJB 181A-2003, 飛機(jī)供電特性 [S]. 北京: 中國(guó)人民解放軍總裝備部, 2003.

[4] GJB 4000-2000, 艦船通用規(guī)范 [S]. 北京: 中國(guó)人民解放軍總裝備部, 2000.

[5] GJB 572A-2006, 飛機(jī)地面電源供電特性及一般要求 [S]. 北京: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì), 2006.

[6] 飛機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)通用要求編寫組. 飛機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)通用要求（編制說明） [z]. 北京：中華人民共和國(guó)航空航天工業(yè)部, 1991.

[7] 王宏霞, 王守方. 俄羅斯飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 1999, (4): 20-25.

[8] 王德心, 郝世勇. 國(guó)外飛機(jī)供電標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）的差異與發(fā)展[J]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化, 2001, (2): 47-48.

[9] 王守方. 美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)《飛機(jī)供電特性》分析（一）[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 1996, (4): 38-41.

[10] 王守方. 美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)《飛機(jī)供電特性》分析（二）[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 1996, (5): 39-43.

Applicability Analysis and Formulation of Aircraft Medium-Frequency Power Harmonic Standard for a Ship

Zhang Zhiqiang1, Dong Enqing2, Sun Guicai1
(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. Naval Supervision Office for Armaments Repair in Qingdao District, Qingdao 266002, China)

This paper introduces domestic and international aircraft medium-frequency power system harmonic standards, which have obvious differences on specific indicators. This paper compares and analyzes several commonly indicators of the standards, and gives a preliminary study on drawing up the aviation medium frequency power system harmonic standard.

aircraft medium-frequency power system; harmonic; standard; applicability analysis

TM71

A

1003-4862（2015）06-0010-05

2015-01-12

張志強(qiáng)（1977-），男，博士，工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)化。