嫦娥探测器月球着陆试验架供配电分析

【导读】6月5日10时44分，由航天科技集团五院（以下简称五院）抓总研制的神舟十四号载人飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，将3名中国航天员送入太空。这标志着中国空间站任务转入建造阶段以来的首次载人任务正式开启。

“航天”这个象征了高精尖的代名词，充满着神秘感、科技感，航天相关的供配电设计也与大家日常所接触的项目有着很大的不通。

本文即以嫦娥探测器月球着陆试验塔架建设项目为例，对其构成、试验工艺流程进行了介绍，对试验塔架用电设备特点进行了分析，根据工艺特点及工作性质结合负荷计算合理选择变压器，提出了试验塔架供配电方案，利用高压滑触线解决了试验塔架移动供电问题。

嫦娥探测器月球着陆试验架供配电分析

文/童跃光，王珂

航天建筑设计研究院有限公司

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引言

2020年12月17日，嫦娥五号返回器携带月球样品安全返回，成功着陆预定地点，嫦娥工程圆满完成，相关设计得以公开。为了验证探测器月球着陆的设计理论，2010年启动了月球着陆试验塔架建设项目。本项目对探测器月球着陆过程进行模拟试验，该试验对我国探月工程的整体进展，意义深远。本文主要分析了试验塔架的供配电设计，对试验塔架变电所设计过程中遇到的问题及解决方法进行了介绍。

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试验塔架构成及工艺流程

试验塔架高度约120m，宽约38m。主要包括一级水平随动平台、二级水平随动装置( 包括横向随动装置和纵向随动装置) 、三级快速随动装置、主提升装置和地面驱动装置，实景图及剖面图如图1~2所示。试验塔架主要模拟月球探测器着陆试验，即在地球上模拟探测器以1/6g加速度着陆过程中寻找合适的着陆点。试验准备时主提升装置首先把探测器提升到大约80m高度，试验开始后主提升装置给探测器提供5/6mg垂直向上的拉力，探测器从0m/s以1/6g的加速度下落至垂直速度为10m/s，再均匀减速至0m/s。下落时通过塔架二级随动装置、三级快速随动装置和地面驱动装置实时跟踪探测器，以确保只给探测器提供垂直方向的拉力。

图1 验塔架实景图

图2 试验塔架剖面图

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用电设备特点

本工程用电设备特点: (1) 负荷容量较大，设备总安装容量为4859kW; (2) 包含 220/380V和660V两种电压等级; (3) 大多设备安装在100m高空移动的塔架平台上，各设备工作时会相对移动，设备安装时空间局限因素多; (4) 设备工作的过程短暂且复杂多变，工作时有些电动机处于制动状态，有些电动机处于电动状态。

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防雷与接地

3.1 1#变压器负荷分析计算

1#变压器负责为地面6台驱动电机供电。地面6台驱动电机额定工作电压660V，每台电机功率为329kW，合计安装功率为1974kW。6台电机均匀布置在以塔架的中心为中心，半径为60m的圆上。6台电机工作时，有的电机处于拉钢丝绳的电动状态，有的电机处于放钢丝绳制动状态。根据工艺流程及工作特点，最不利的情况为3台电动机处于满负荷拉钢丝绳的电动状态。选择变压器时按照最不利的情况考虑，负荷计算需要系数取0.5。负荷计算见1#变压器负荷计算表(表1) 。

3.2 2#变压器负荷分析计算

2#变压器负责为塔架上主提升装置供电。主提升装置由4台电动机组成，主提升电动机额定工作电压为660V。根据下放时制动力矩的大小选择提升电动机的功率，每台电机功率为350kW，合计安装功率为1400kW。按照传统情况需要选择一台 1600kVA的变压器。但是根据工艺流程可以看出，提升阶段，电动机提升试验件处于耗电状态，下放阶段，电动机处于制动状态。考虑到回馈制动方式电能需要回馈到电网，供电局可能不允许这种方式，回馈制动投入资金和节约的电源也不成比例，最终决定采用能耗制动方式。能耗制动时不消耗电能。故选择变压器时只考虑提升阶段即可。

根据工艺要求试验件重20t，提升速度0 2m/s，提升高度80m; 提升时电动机对试验件做功: W=mgh=20 10 80=16000kJ; 提升时最短耗时: t=h/v=80/2=40s; 提升时电动机理论平均功率:P=W/t =16000/40=400kW。

提升时，还应克服地面驱动电机钢丝绳预紧拉力，滑轮、钢丝绳间的摩擦等，选择变压器时考虑一定的余量，1000kVA 变压器应能满足要求。

对比传统负荷计算选择变压器和根据工艺过程分析，理论计算选择变压器时可以看出，变压器的容量差距还是很大。

3.3 3#变压器负荷分析计算

3#变压器负责为塔架上二级随动装置和三级快速随动装置供电。二级随动装置和三级快速随动装置的供电电压均为380V; 二级随动装置和三级快速随动装置由多台电动机组成，电动机总安装功率为1485kW。二级随动装置和三级快速随动装置在试验过程中实时追踪试验件水平面上运动。全部电动机可能同时满负荷运行，但是整个试验过程不超过10min，在负荷计算时，短时负荷可以换算成30min下持续负荷。换算系数为: 根号下10/30=0.58。即30min下持续负荷为: 1485 0.58=861kW。负荷计算时，需要系数可取0.58，见3#变压器负荷计算表(表2) 。

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供配电方案选择

由于试验塔架上设备安装容量2885kW。用电设备距地面高低压配电室约190m，其中垂直距离约90m，水平距离约100m，且水平方向为移动式。初步设计阶段供电方案为变压器装设在地面变电所内，此方案需要大约30根240mm2 的低压电缆给塔架上设备供电。垂直段供电问题还能解决，但是水平移动供电问题就很难解决。需要大量的低压拖链式电缆，这在100m 高的塔架上很难实现。为了解决塔架上移动设备的供电问题，减少移动供电电缆的数量，经过与专总多次研究探讨，最终提出了把两台变压器放到塔架上一级水平随动平台上随一级平台水平移动的供电方案。该方案只需要一根高压电缆给塔架上变压器供电，大大减少了电缆的数量，能够比较容易解决电缆垂直敷设及移动供电的问题; 同时该方案的两台变压器邻近用电负荷中心，解决了长距离送电电压降问题，减少了低压电缆的数量，减 少了线路损耗，节约了能源。

虽然该方案有很多优点，但真正实现起来也有很多难点。

高压移动供电问题: 变压器安装在一级随动平台上，随着一级随动平台水平方向移动约100m，需要约100m的高压移动式供电部分。高压移动式供电在设计时参考了低压移动式供电的两种解决方案: 移动电缆和滑触线。

移动式电缆有拖链式和滚筒式。优点是绝缘性比较好，相对安全。缺点是拖链式或者滚筒式对于100m长的185mm2高压电缆来说都是一个庞然大物，在100m高空施工安装难度和对塔架结构要求都很高。

滑触线主要由固定的导电钢轨和移动的集电极组成。优点是固定的导电钢轨可以直接安装到塔架横梁上预留的角钢支架上，对塔架结构要求比较简单; 移动的集电极可以固定到塔架一级随动平台上，随着一级随动平台一起水平移动; 施工安装难度和对结构的要求较低。缺点是滑触线导电部分裸露，绝缘性差一点。但是可以通过增加钢轨的支撑绝缘端子个数和相间距加强绝缘性。塔架变电所和滑触线示意图如图 2。

图2 塔架变电所和滑触线示意图

比较以上两种供电方式，考虑到施工的难易程度，最终选择高压滑触线来解决移动供电问题。

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结束语

以上内容是嫦娥探测器月球着陆试验架供配电设计。项目实施后为试验提供了可靠的供电电源，确保试验顺利完成，为嫦娥探测器月球着陆奠定了坚实基础。根据本项目设计理念，取得实用新型专利《一种可移动的塔架变电所》(ZL2012 2 0376502. 0) 一项。由于本项目用电设备有一定的特殊性，供配电设计和设计过程中遇到问题的解决方法也许有改进和优化之处，欢迎各位同行指正。