静态切换开关在航管楼供电系统中的应用

2018-02-21张正东

现代工业经济和信息化 2018年4期

张正东

（中国民用航空飞行学院新津分院，四川成都 611431）

引言

新津机场建立于1957年，地处四川盆地西部，是中国民用航空飞行学院重要的训练基地，为我国民航事业发展培养了大量人才。历史原因，机场塔台原有的供电线路单一，仅配备一条市电进线，单套30 kVA的UPS。近年来，在上级领导支持下，空管部门优化了塔台电源配置，更新了40 kVA的UPS一套。由于指挥塔台修建时间较早，当时机房及指挥室供电只敷设有一条总线，条件限制，短期难以新增一条总线，只能考虑通过增强UPS供电稳定性提升设备供电稳定性。常见的办法是通过UPS并联，使多套UPS形成一个总UPS供电系统，以提升供电系统的平均无故障时间（MTBF）实现。如何在现有条件下更有效地提升电源保障能力成为这类机场塔台供电的关键。

1 冗余并联和主从并联

UPS并联系统可根据各单套设备之间连接方式的不同，分为冗余并联和主从并联系统。冗余并联由两个及以上的单套UPS组成，各单机UPS加装并机卡并通过数据线相互连接，UPS输出端子并联，连接到一个共用的配电系统。主从并联系统是在两套及以上的UPS单机之间加装自动切换开关，在额定工作状态下，负载一直连接于主用UPS。当主用UPS发生故障时，系统利用自动切换开关切换到备用UPS工作，主用UPS恢复正常后，负载又自动切换到主用UPS。冗余并联和主从并联两种方式各有优劣。冗余并联系统的各单套UPS电池有平均的充电和放电过程，在长期市电供应的情况下便于进行定期的放电维护操作；主从并联UPS系统的主用UPS电池消耗较多，次级UPS的电池很少使用，并且次级UPS的电池不便进行放电操作，同时长期不接负载，对负载的承受能力存在不确定[1]。

仅针对UPS供电故障导致设备断电的概率情况进行可靠性分析。对于主从并联UPS，系统的单一故障点出现在切换开关，对于冗余并联UPS，系统稳定性取决于并机板的稳定性。冗余并联需要两路交流电的电压、相位和频率保持同步，3个参数的任意偏差都将导致环流的产生；而主从并联可以与不同规格、不同厂家的UPS进行连接。新津机场某部门曾安装一套小型的UPS冗余并联系统，在实际使用过程中，由于冗余并联需要增加一块并机卡，增加了故障点，并机卡机构简单，保护性设计较少，出现过由于环境温度变化导致的并机卡故障。考虑到塔台自身情况，从充分利用原有设备，经济节约的角度出发，搭建主从UPS并联系统是更好的选择。根据上文分析，UPS系统在满足需求的情况下，应优先选择可靠性更好的切换开关。

2 自动切换开关

UPS并联系统的核心组件是自动切换开关（ATS）。ATS适用于负载不超过1 000 V（直流1 500 V）的小型供电系统。当主用供电端口故障时，ATS自动把负载切换至备用供电端口；当主用端口恢复供电后,ATS又自动把负载切换至主用端口。由于交流电存在相序，ATS开关切换操作时有一定延时，可以保证切换前后的交流电各项参数稳定，避免出现环流。ATS开关按驱动模式分为PC级和CB级，PC级切换时间为 120～250 ms，CB级切换时间为1 000～2 500 ms。新津机场塔台原配备有自动切换开关系统一套。但由于航管电子设备一般供电不间断时间在一个周期20 ms左右，现有ATS开关参数显然不能满足要求，需进一步降低电源的切换时间。经过查询，静态切换开关能够满足目前要求。

3 静态切换开关

静态切换开关（STS），是一种能实现电源二选一的自动切换开关。当主用电源出现故障，STS会马上切换，由备用电源向设备供电，而一旦出现线路短路，STS可以切断故障线路，确保不会影响到备用电源，从而保证负载正常供电。STS内部主要由断路器、控制板、可控硅等部件构成。与传统的ATS开关不同，静态转换开关切换速度很快，一般为1/4个交流周期，可以保证精密的电子设备不间断工作。通过翻阅技术手册可知，某型号STS开关其标称切换时间≤6 ms，最大切换时间≤11 ms，符合设备运行要求。因此，在条件受限的通航机场塔台，利用STS切换开关搭建主从UPS并联系统，可以在较低成本下实现较好的设备供电保障。

4 双总线供电系统

鉴于空管设备对飞行保障工作的重要性，在整个塔台供电系统设计特别是机房设备供电设计中，应防止出现“单点阻塞”故障隐患。充分利用STS开关的特性，新津机场现有塔台UPS供电系统可以进行进一步的改造，增加为双总线供电系统，同时配置STS开关，可以更有效的提升塔台供电保障能力。

目前，高可靠性设备配置双电源已成为主流，但本案例机场塔台由于设备类型繁多，设备使用年限参差不齐，部分设备如服务器等配置了双电源，一般类型的设备如交换机等还是单电源设计。基于现状构建了此次改造方案。该系统正常运行时，主用UPS和备用UPS从不同总线接入负载，其中双电源数据设备由主用UPS和备用UPS共同承担供电任务。单电源数据设备接在STS的输出端，STS的输入端分别接在主用UPS和备用UPS上。当主用UPS正常工作时，通过STS向负载供电。当主用UPS电源出现故障时，STS自动断开，接通备用UPS电源，送到负载的输入端[2]。为进一步增加此供电系统稳定性，还需要：在主备两套UPS设备之间增加同步控制器LBS，保证两路UPS工作时同步，使得STS能够稳定可靠地转换；制定STS失效时单套设备的应急保障计划，例如VHF应定时检查电池情况，确保单供电设备的安全稳定。双总线供电方式为双电源设备和单电源设备均提供了足够的供电安全和可靠性保障，非常适合中小型机场双电源负载和单电源设备混合存在的机房。