中小型机场助航灯光系统双电源方案研究

1. 引言

助航灯光系统作为飞机起降阶段“最后 200 米”的唯一视觉引导，是航空器安全起降的“视觉指引核心”，其供电连续性与稳定性直接关系到飞行安全和机场运行效率[1]。当前，部分中小型机场仍依赖单路市电供电，难以应对极端天气、电网故障等因素导致的供电中断，亟需适配性更强的双电源方案。此外，民航业对运行安全的要求持续提升，提出了助航灯光供电“零风险”目标；ICAO Doc 9981、FAA AC 150/5340-30 等国际规范也收紧了助航灯光的可用性指标。因此，中小型机场助航灯光系统双电源供电建设和改造显得极为迫切，如何在可靠性与经济性之间找到平衡点，成为行业研究的关键课题。

2. 常用双电源切换装置

2.1 机械 ATS

机械 ATS（自动转换开关）是通过接触器或断路器等机械触点实现主备电源自动切换的电气设备，主要由控制器、执行机构和机械触点组成。工作原理为：控制器实时监测主电源的电压、频率等参数，当主电源超出正常阈值时，触发电机或电磁铁等执行机构驱动机械触点动作，从主电源切换至备用电源；当主电源恢复正常后，切换回主电源工作。

机械 ATS 切换时间包含检测延迟与机械动作时间，通常为 0.5 到 3 秒，可适配不同规模的负载；具有成本低、技术成熟、运维简单的特点，但存在切换时间长、机械磨损、触头易氧化、需定期维护等短板，适合对中断时间要求不高的场景。

2.2 高速混合 ATS

高速混合ATS是一种将传统机械触头与固态电子开关集成于一体的双电源切换装置，主要由机械触点模块、静态切换模块和智能控制器组成。工作原理为，正常运行时机械触点保持主电源通路，静态模块处于待命状态；当主电源异常时，控制器先触发静态切换模块导通备用电源，再驱动机械触点完成锁定，确保长期稳定供电；主电源恢复后，按相反逻辑切回。

高速混合 ATS 在保留机械隔离可靠性的同时，利用晶闸管“先导通、后断开”的瞬时导通特性，把切换总时间控制在50-500 毫秒。因真空触头在零电流状态下动作，电弧能量极低，机械寿命和维护周期延长，但投资较ATS 增加，是性能与投资之间的折中选择。

2.3 固态转换开关 STS

STS（固态转换开关）是一种基于晶闸管、IGBT 等半导体器件实现无触点电源切换的设备，主要由晶闸管或IGBT 等功率半导体模块、检测控制单元和同步电路等组成[2]。工作原理为，正常运行时主电源通过导通的半导体模块向负载供电，备用电源处于待命状态；当主电源出现电压骤降、断电等异常情况，检测控制单元在毫秒级时间内发出指令，快速关断主电源侧半导体模块，同时导通备用电源侧模块，完成无机械动作的切换；主电源恢复正常后，按相同逻辑切回，整个过程无电弧、无磨损。

STS 中功率半导体模块作为切换核心，通过电子信号控制导通与关断，替代传统机械触点，切换时间可达到 5-15 毫秒，可实现“零中断”供电；无机械触点，使用寿命长，维护需求低，输出电压稳定性高；但成本较高，导通时存在轻微压降。

3. 常用备用电源

3.1 柴油发电机组

柴油发电机组是通过燃烧柴油驱动发电机运转，将机械能转化为电能，为负载提供持续电源的供电设备。主要由柴油发动机、同步发电机、控制系统和油箱等组成。工作原理为：正常状态下处于待机模式，主电源中断后后，控制系统触发发动机启动，待运转稳定后通过切换设备向负载供电；主电源恢复后，逐步降低负载并停机，进入待机状态。

柴油发电机组续航能力强，输出功率覆盖范围广，可匹配不同规模的 负载，适合长时间停电场景；但存在启动响应慢，存在机械磨损，需定期维护等缺点。在机场场景中，柴油发电机组常作为长效备用电源，与机械 ATS 或高速混合 ATS 配合，为中小型机场的助航灯光系统提供市电长期中断时的电力支持。

3.2 应急电源 EPS

应急电源 EPS[3]是专为短时应急供电设计的设备，以蓄电池组为储能核心，通过逆变器将直流电转换为交流电，保障负载在主电源中断后的短时间内持续运行。主要由充电器、蓄电池组、逆变器和控制器等组成[4]。工作原理为，市电正常时充电器为蓄电池组持续浮充，逆变器处于待机；市电中断瞬间，控制器立即触发逆变器工作，将蓄电池的直流电转换为正弦波交流电，向负载供电；主电源恢复后，自动切换回市电，逆变器停止工作，蓄电池重新进入浮充状态。

EPS 响应速度快，输出电压稳定；但存在续航能力有限，蓄电池寿命较短，需定期检测容量等问题。在机场场景中，EPS 常与高速混合 ATS 配合，作为助航灯光系统的短时应急电源。

3.3 不间断电源 UPS

不间断电源[5]UPS 是一种集供电、储能、稳压于一体的高精度设备，能实现主电源与备用电源的“零中断”切换，为对供电质量要求极高的负载提供保障。主要由整流器、逆变器、蓄电池组和旁路开关等部分组成[6]。工作原理为，市电正常时整流器将交流电转换为直流电，一部分为蓄电池充电，另一部分驱动逆变器输出稳定的交流电；市电中断时，逆变器直接由蓄电池供电，无切换延迟；若设备故障，旁路开关自动切换至市电，避免负载断电。

图 2 UPS 的基本结构

UPS 响应时间小于 5 毫秒，输出电压精度高，可真正实现“零中断”；但存在成本较高，维护复杂等缺点。在机场场景中，UPS 常与 STS 配合，用于助航灯光系统关键回路，应对市电闪断、电压骤降等突发状况，满足毫秒级切换的严苛要求，是高安全等级机场的核心备用电源方案。

4. 中小型机场LED 助航灯光系统双电源方案

4.1 机场助航灯光要求

近年来，各国对机场助航灯光的要求越来越严格。美国联邦航空局（FAA）在《机场设计手册》中明确要求，一级机场助航灯光系统的供电中断时间不得超过15 毫秒。中国民航《民用机场飞行区技术标准》（MH 5001-2021）规定Ⅰ类精密进近灯光系统应急电源转换时间不大于15s，Ⅱ类精密进近灯光系统近端 300m 以内部分、跑道入口、跑道末端、跑道中线灯的转换时间不大于1s，其余不大于 15s 。国内大多数机场助航灯光采用的市电+柴油发电机组供电的方案只适用于I 类精密进近助航灯光系统，已经难以满足Ⅱ类精密进近灯光系统的要求。

4.2 双电源供电系统网络拓扑

通常中小型机场通常仅具备一路 10kV 市电，不具备大型 110kV 枢纽站条件，又要满足助航灯光系统对于切换时间越来越严格的要求，因此考虑采用“ATS+柴发 + UPS”三级架构，为可靠供电提供“三级保障”：一是通过 UPS 实现毫秒级过度；二是通过快速转换开关切换至备用电源；三是利用柴油发电机组长时支撑。

图3 双电源供电系统网络拓扑

4.3 双电源供电系统工作逻辑

双电源供电系统通过 ATS、UPS、柴油发电机协同运作，实现对负载的持续供电，其工作逻辑根据电源状态的不同分为以下三种场景：

1.正常运行：当市电处于正常状态时，由市电作为主供电源，电能经 UPS 处理后输送至负载。此时，UPS 处于整流/浮充模式，既为负载提供稳定的交流电，又为内部蓄电池组持续充电，确保蓄电池处于满电待命状态；柴油发电机则处于停机待机模式，仅由控制系统监测其待机状态。

2.市电掉电：若主供市电中断，UPS 立即响应，在 0 毫秒内从市电模式切换至蓄电池供电模式，通过内部逆变器将蓄电池的直流电转换为交流电，保障负载供电无中断。同时，系统触发柴油发电机启动指令，待柴油发电机启动并达到稳定运行状态，且输出的电压、频率、相位与负载侧参数同步后并网运行，此时负载供电路径切换为 “柴发→并机柜→UPS→负载”，UPS 恢复对蓄电池的浮充状态，确保柴发供电期间的稳定性。

3.市电恢复：当中断的市电恢复正常并稳定运行后，由柴油发电机供电转向市电供电，此时负载重新由市电经 UPS 供电。柴发在切换完成后进入冷却运行阶段，待温度降至安全范围后自动停机，回归待机状态；UPS 则继续维持正常工作模式。

5.总结

基于中小型机场的实际条件，“ATS+柴发 + UPS”三级架构在法规、成本、运维之间进行了平衡，尤其适用于中小机场升级改造。未来可进一步探索“风光储微电网 + 双电源”的融合技术，以及长寿命储能设备的应用，以提升系统的经济性和可持续性。

参考文献：

[1] 徐文瑾. 探析民用机场助航灯光监控系统现状及其发展[J]. 水电水利， 2018， 11（1）： 7-8.

[2] 李晓龙. 固态复合开关应用于变电站无功控制技术的研究[D]. 华北电力大学（保定）华北电力大学， 2012.

[3] 石磊.UPS 电源技术及发展[J]. 电气开关. 2009（01） .

[4] 李文逸. 快速切换应急电源 EPS 的原理及应用[J]. 山西建筑， 2012， 07（1）： 123-124.

[5] 易龙强. 数字化 UPS/EPS 系统控制关键技术及其应用研究[D].湖南大学，2007.

[6] Mihalache L.DSP control method of single-phase inverters for UPS applications[J]. AppliedPower Electronics Conference and Exposition， 2002， 17（1）： 590-596.