机场配电方案探讨

薛海龙, 白雪婧

(中国航空规划设计研究总院有限公司 飞机工程设计研究院, 北京 100120)

0 引 言

近些年,随着我国经济实力的不断增强和经济全球化发展趋势的深入,各个地区或国家之间的经济文化交流日益增多,作为最快捷的交通运输工具,飞机在当今世界发挥着不可替代的作用。民用机场作为重要的交通基础设施,近些年得到井喷式的发展,并且其潜在需求依然巨大[1-3]。

机场供电系统作为机场基础设施的重要组成部分,其可靠性、安全性及稳定性事关国家经济、政治及军事层面的安全与稳定。一个可靠的供电系统是机场正常、安全、稳定运行的有力保障[4-5]。

民航机场是一个庞大的基础设施和建筑群,本文着重于机场飞行区的供配电系统进行探讨。对我国现行的民、军用机场建设常见做法中对于供配电系统章节进行对比分析,并对几种典型的机场中心变电站一次系统方案进行剖析,着重从方案本身及运维的角度解析其可靠性[6]。

1 现行机场建设常见做法对比解析

机场供配电系统主要由电源系统和输配电系统组成,供配电系统的设计注重其可靠性、安全性、经济性及灵活性,并从运行和维护的角度考虑其整体运行的安全、可靠。供配电系统方案的设计除了应按照GB 50052—2009《供配电系统设计规范》[1]、GB 50053—2013《20 kV及以下变电所设计规范》、GB 50059—2011《35 kV～110 kV变电站设计规范》等通用型的现行国家规范,更应按照IB-TM-2015-005《民航空管通信导航监视设施设备供配电配置指导材料》[2]及《xx机场供电设施建设标准》等行业标准来进行。

1.1 民航机场常见做法解析

1.1.1 负荷分级及供电要求

GB 50052—2009《供配电系统设计规范》按照中断供电在对人身安全、经济损失上所造成的影响程度,将用电负荷划分为一级、一级中特别重要、二级、三级等4个等级。

IB-TM-2015-005《民航空管通信导航监视设施设备供配电配置指导材料》中将相关负荷按照负荷保障等级划分为空管一级供电保障和空管二级供电保障。

空管一级供电保障是指从2个稳定可靠的独立电源分别引入一路供电专线(市电进线在前一级变电站为不同线路),每一路供电容量均需满足台站所有负荷需求,且留有冗余。处于机场地区的设备台站一般采用空管一级供电,并由机场地区的变电站供电。

空管二级供电保障是指从一个稳定、可靠的独立电源引入一路供电线路,该电源可从2个以上独立电源构成的稳定、可靠供电环网引接,路供电容量均需满足台站所有负荷需求,且留有冗余。

因此,空管一级供电保障比空管二级供电保障意味着更可靠的市政电源。

1.1.2 电源配置及要求

按IB-TM-2015-005中各用电等级负荷要求,市电电源和柴油发电机组要求如下。

(1)管制中心、一、二级管制单位对应的航管楼、塔台应满足空管一级供电保障要求。应急电源应至少由1套柴油发电机组提供保障,可根据需求增加1套冗余配置。

(2)三级及以下管制单位对应的航管楼和塔台应至少满足空管二级供电保障要求,应急电源应由2套柴油发电机组提供保障。条件允许时,可按照一、二级管制单位的供电保障要求进行配置。

(3)如机场供电站已配备为航管楼和塔台提供应急电源保障的发电机组,在航管楼和塔台可不再重复配置柴油发电机组。

管制单位的等级划分参见《中国民用航空空中交通管理规则(CCAR-93TM-R2)中有关内容。

对于管制单位等级较高的一、二级单位,其市电必须要求最高的等级,应配置至少1套柴油发电机组作为应急电源;对于管制单位等级略低的三级及以下管制单位,其市电要求同时也允许降低,但对于作为应急电源的柴油发电机组套数比管制单位等级较高的单位要多。

尤其值得关注的是(3),这是有别于军用机场常见做法的一种做法。军用机场常见做法中不管中心供电站是否配备了柴油发电机组,航管楼和塔台都应在本地设置柴油发电机组。

根据IB-TM-2015-005中对飞行区各台站的市电及柴油发电机组配置要求,各台站电源配置及要求如表1所示。

表1 各台站电源配置及要求

由表1可知,对市电要求最高的台站是精密进近导航设施台站;柴油发电机组的套数受市电可靠性的影响,一般市电为空管一级供电保障时,设置1套柴油发电机组即可,市电为空管二级供电保障时,则需设置2套柴油发电机组。

军用机场常见的做法中,只有航站楼、塔台及精密进近导航设施台站在机场电站设置柴油发电机组的前提下,在台站内可不再单独设置柴油发电机组,其余台站均未提及该做法。上述规定过于死板,应根据设置有柴油发电机组的机场电站距相关台站的电气距离,确定相关台站内是否再单独设置柴油发电机组为宜。作为一种应急电源,单从供电可靠性的角度来讲,柴油发电机组越接近供电负荷,其供电方案越可靠。但是从整个机场供电系统的架构来看,其方案应采取简单、成本较低的接线方式,要考虑整个系统建设、运行及维护的经济性。所以,在机场电站距相关台站距离较近且供电线路安全、可靠地前提下,可以考虑将相关台站的应急柴油发电机组集中设置于机场电站内。

1.2 军用机场常见的做法解析

1.2.1 负荷分级及供电要求

与GB 50052—2009《供配电系统设计规范》中的分级方法类似,军用机场常见的做法中也是将负荷等级按照中断供电在对战斗值班、飞行安全、人员生命上所造成的影响程度,将用电负荷划分为一级、一级中特别重要、二级、三级等4个等级,与每一等级用电负荷匹配的供电要求基本上与规范GB 50052—2009中的一致。

1.2.2 机场供电电源

军用机场常见的做法中,根据机场的地位作用、中断供电造成的军事经济损失和安全影响程度,将机场供电类别分为三类,并对每类机场的电源提出了相应的要求。军用机场供电类别及电源要求如表2所示。

表2 军用机场供电类别及电源要求

军用机场常见的做法中要特别注意以下方面。

(1)机场助航灯光、指挥控制、通信导航等特别重要负荷,除应由市电供电外,还应在机场中心变电站设置柴油发电机组备用电源。当市电故障时,备用电源应保障飞行指挥专线上全部负荷的供电需求。

(2)指挥所、飞行管制室、发信台、对空台、导航台、灯光站等应就地设置独立的应急电源,容量按实际需要确定。对允许中断供电时间为15～30 s的重要用电负荷,应采用快速自起动的发电机组作应急电源。对允许中断供电时间小于15 s的重要用电负荷,还应设置符合要求的其他类型应急电源。

综上所述,中心变电站一定要设置柴油发电机组;指挥所、飞行管制室、发信台、对空台、导航台、灯光站等就地也应设置柴油发电机组,必要时还需要增设UPS等其他应急电源。其中并没有提及将(2)中所提及的相关台站柴油发电机组在一定前提条件下设置于中心变电站的说法,这是有别于民航常见做法的规定。该条值得商榷,在中心变电站距相关台站距离较近且供电线路安全可靠地前提下,可以考虑将相关台站的应急柴油发电机组集中设置于机场电站内。这样在保障供电可靠性不受损的前提下,既简化整个机场配电系统的结构,同时也可以大大降低机场的建设和运行成本。

2 典型中心变电站方案

2.1 方案介绍

两路高压市电进线,一路低压柴油发电机组。高压分段单母线接线,两路电源同时工作、母联断路器分闸;或一路市电工作、母联断路器合闸。柴油发电机组通过升压变压器接入高压母线段,中心变电站一次系统(方案)示意图如图1所示。

图1 中心变电站一次系统(方案)示意图

2.2 方案缺陷分析

方案中采用升压变压器作为应急柴油发电机组的接入设备,且柴油发电机组不兼作电气距离较近的机场台站末端应急电源。

在市电供电可靠性较高,停电概率、频率较低的情况下,升压变压器长期处于闲置状态,增加了中心变电站运营维护的难度和成本。根据变压器的运维手册,变压器安装完成后如果长期闲置(一般为3个月),变压器再次通电投入使用前必须重新进行相关检测。

为了保证在市电全部失电情况下,作为应急电源的柴油发电机组可以及时地投入使用,升压变压器就必须随时处于允许通电状态,故升压变压器必须定期进行维护检测(费用高)。

2.3 方案改进建议

为了降低不必要的日常运维开销,建议上述方案改为采用高压柴油发电机组作为应急电源。中心变电站一次系统(改进方案)示意图如图2所示。由图2可见,改进后的方案接线更简单,不仅节约升压变压器运维成本,而且供电可靠性较原方案没有降低,应急电源投入可以更加迅速。

图2 中心变电站一次系统(改进方案)示意图

3 中心变电站柴发设置原则的思考

由军用机场常见可知,军用机场不管中心变电站是否设置有柴油发电机组,需要设置应急电源的台站内都必须再单独设置本地柴油发电机组;民用标准当中航管楼、塔台及精密进近导航设施台站在中心变电站已配备为上述台站提供应急电源保障的发电机组前提下,台站内可不再重复配置柴油发电机组。

基于上述规定,军用机场中心变电站的柴油发电机组应优先考虑高压设备。

民用机场中心变电站的柴油发电机组在考虑兼作相关台站应急电源的情况下可选用低压柴油发电机组,除此外也应优先考虑高压设备。

4 结 语

随着我国经济、科技实力的提升及国防建设的客观需求,近些年我国机场建设出现了井喷式发展,并仍有巨大的潜在需求。本文对机场飞行区的供配电系统进行了探讨,分析了典型中心变电站方案,提出军用机场中心变电站的柴油发电机组应优先考虑高压设备,民用机场中心变电站的柴油发电机组在考虑兼作相关台站应急电源的情况下可选用低压柴油发电机组。