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電壓暫降對航天發射任務的影響(一)

作者:     發布日期: 2021-12-31     二維碼分享

引言

供配電系統作為航天發射場的動力樞紐,負責為場區航天器、火箭和地面設備在測試發射期間提供穩定、可靠的電力來源。 為提升供配電系統的可靠性,中國各航天發射場均按一級負荷設計。

 

只有供配電系統安全穩定運行,才能確保發射任務順利實施,尤其是在火箭轉運至發射工位后,電能質量的優劣甚至直接決定發射任務的成敗。 在衡量電能質量的眾多指標中,電壓暫降是一種無法避免的現象,它主要由外電網故障引發。 而目前中國各航天發射場普遍依靠市電作為主供電源, 因此均面臨不同程度的電壓暫降風險。 迄今為止,各航天發射場已發生多次電壓暫降事件,曾造成電壓敏感設備供電中斷,甚至影響到發射流程。

 

本文對航天發射場關鍵設備(簡稱關鍵設備,主要指火箭轉運至發射工位后的關鍵用電設備)的負載特性進行分析,得出各設備的電壓暫降敏感性,定性評估電壓暫降對發射流程的影響,提出電壓暫降的治理措施以及不同層級的解決方案。

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電壓暫降的影響分析

中國各航天發射場市政電源均采用35 kV及以上電壓等級的線路引入,場區內一次配電經中心變電站降壓后采用10 kV 線路配出,末端集中設置10/0.4 kV 變電所向設備供電。 除市電以外,各發射場基本都設置自備電站。 受自備電站容量、覆蓋范圍以及能源供應等因素限制,發射任務期間,各發射場普遍以市電作為主供電源,這種供電模式決定了電壓暫降會直接作用于關鍵設備的電源輸入端。

 

2.1 關鍵設備負載特性分析

關鍵設備主要包括:發射場測控系統、通信系統、整流罩空調、發射塔平臺油泵電機、發射塔擺桿油泵電機、伺服機構等。 其中測控系統、通信系統等特別重要設備均采用UPS 供電,具有較高的可靠性。 其余設備的用電特性與保障措施有以下特點:①負載側均為電動機類負載;②電源側均采用雙電源經自動轉換開關電器(Automatic Transfer Switching EquipmentATSE)供電,遠端由柴油機做備用電源,只有擺桿、伺服機構等中小容量設備增設UPS 作為應急電源;③驅動方式分為直接控制(接觸器控制)、軟啟動(軟啟動器+接觸器)、變頻控制(變頻器)

 

2.2 關鍵設備電壓暫降敏感性分析

測控系統、通信系統均采用UPS 供電,可以避開電壓暫降影響。 其余未采用UPS 供電的電機類關鍵設備,由于負載側機械慣性的存在,電壓暫降不會直接導致電動機停止運行。 電源側雖然都采用ATSE,但轉換延遲較大(通常不小于100 ms),況且有可能出現路電源同時發生電壓暫降的情況,即無法通過ATSE 自動切換讓負載不受電壓暫降的影響。 因此,關鍵設備受電壓暫降影響的大小直接取決于其驅動單元(接觸器、軟啟動器、變頻器)的電壓暫降敏感性。

 

1)接觸器電壓暫降敏感性:常規接觸器控制線圈釋放電壓約為0.75 p.u.,釋放延時為200 ms。 當接觸器閉合,主回路接通時,電壓暫降會造成接觸器操作線圈電壓過低甚至短時斷電[7-8],導致線圈對鐵心的吸力小于釋放彈簧的彈力,進而使接觸器釋放,造成主回路斷電。

 

2)軟啟動器電壓暫降敏感性:軟啟動器主要在電動機的啟動階段工作,基本原理是通過控制輸出電壓的斜坡上升,實現電動機的平滑啟動,減少沖擊。 這種工作特性決定了軟啟動器具有較寬的輸入電壓范圍,額定工作電壓范圍一般為230415 V。 但是,當電壓暫降的殘余電壓低于工作電壓范圍下限的85%時,也會觸發軟啟動器的欠壓保護,導致停機。

 

3)變頻器電壓暫降敏感性:變頻器由整流器和逆變器部分組成。 變頻器欠電壓主要指其中間直流回路低電壓,即逆變器輸入電壓過低。 一般的變頻器都具有欠壓保護功能,欠電壓保護設定值一般為0.85 p.u.。 變頻器一旦遇到較為嚴重的電壓暫降,會立即觸發欠壓保護機制,控制電路將短時間內(20 ms)停止向驅動電路輸出信號,使驅動電路和逆變器停止工作,電動機將失去動力,進入自由制動狀態。

 

2.3 發射流程電壓暫降風險分析

接觸器、軟啟動器、變頻器均屬于電壓敏感類設備,極有可能受電壓暫降影響而停機,但各關鍵設備因其工作時序、工藝流程分工不同,停機后對發射流程的影響也不盡相同。 由表可見,除采用UPS 保障的測控系統、通信系統以外,其余電機類設備一旦遭受電壓暫降,會對發射流程產生較大影響,尤其是擺桿油泵電機、伺服機構、加注泵受電壓暫降干擾后,極易造成發射中斷甚至失敗。 因此,必須采取有效措施對發射場電壓暫降問題進行治理。


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