通航飛機直流電源系統(tǒng)原理及常見故障分析

直流電源系統(tǒng)由于直流電能可以存儲，易于并聯(lián)供電，供電電壓低，重量輕等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各類通航飛機。其主要包括機載蓄電池、（交）直流發(fā)電機、應(yīng)急直流電源、供電網(wǎng)絡(luò)及保護裝置等。通常小型通航飛機只配有一套直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)生故障會對飛行員和飛機造成極大安全威脅和致命傷害[1]。

1 小型通航飛機直流電源系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

以廣泛應(yīng)用于飛行訓(xùn)練、觀光旅游等各行業(yè)的Cessna172單發(fā)活塞飛機為例，該型飛機電源系統(tǒng)包括主電源、備用電源和供電網(wǎng)絡(luò)3大部分，如圖1所示。

（1）主電源：包括一個28V直流，額定電流60A的交流－直流發(fā)電機和一個電源控制組件。電源控制組件內(nèi)部裝有一個發(fā)電機控制組件（ACU），用于電源的控制和保護功能，內(nèi)有調(diào)壓器和反流隔斷器；一個外部電源插座；電池、發(fā)電機、起動機和外接電源的繼電器。

（2）機載蓄電池：包括一個24V，12.75AH（5h放電速率），12單元體的鉛酸主電池和一個24V應(yīng)急電池。當主電源斷電時，由機載蓄電池供電；且當主電池也斷電時，由應(yīng)急電池向主飛行顯示器、大氣數(shù)據(jù)計算機、姿態(tài)航向基準系統(tǒng)、1號通信/導(dǎo)航組件、應(yīng)答機、音頻板供電，至少可保證系統(tǒng)工作30min以上。

（3）供電網(wǎng)絡(luò)：主要包括兩個主匯流條和兩個電子匯流條、主電門和電子設(shè)備電門以及相關(guān)跳開關(guān)。其中，1號主匯流條向遮光板照明、駕駛艙頂燈、禮貌燈、點火開關(guān)、輔助電動燃油泵、著陸燈、尾翼防撞燈、襟翼馬達等部件供電。2號主匯流條向轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀、空速管加溫、航行燈、滑行燈、頻閃燈、地圖燈、儀表照明等部件供電。1號電子匯流條向電子設(shè)備冷卻風扇、GPS接收機、音頻控制板、1＃導(dǎo)航/通信收發(fā)機等部件供電。2號電子匯流條向2＃導(dǎo)航/通信收發(fā)機、應(yīng)答機、ADF接收機等部件供電。

圖1 某通航飛機直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Power system structure of general aviation

2 故障分析及排除

2.1 故障統(tǒng)計和分類

在對25架該型飛機近3年的使用維護中，統(tǒng)計出該直流電源系統(tǒng)故障共計84起。這些故障涉及機載蓄電池、發(fā)電機及電源控制組件、供電網(wǎng)絡(luò)等各個組成部分，其中既包括一些單因素常規(guī)故障，還包括一些多因素復(fù)雜故障，主要故障的描述如表1所示。

2.2 故障原因分析和排故

2.2.1 機載蓄電池

機載蓄電池故障主要集中在電壓低、容量不足以及線路問題等。

在某次地面試車中，按下起動開關(guān)后發(fā)現(xiàn)電池電壓由23.8V迅速減小到15.2V，雖然起動機能夠帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)但始終不能使發(fā)動機工作，停車后再次通電發(fā)現(xiàn)電池電壓指示為21.6V，初步判斷電池容量不足。拆下該電池，用比重計測量其電解液比重為1.232，已經(jīng)低于1.250～1.295的規(guī)定范圍。裝上充滿電的電池后起動正常。

表1 電源系統(tǒng)故障描述表

在某次地面試車時，起動3s后電池跳開關(guān)跳出，停車后檢查發(fā)現(xiàn)電池正極接線柱和接線片有不同程度的燒蝕且接線片松動，拆下后去除燒蝕重新安裝緊固后工作正常。判斷該故障由于正極接線片松動，起動時電池為大功率負載供電時會造成接觸不良，從而發(fā)生燒蝕并觸發(fā)保護開關(guān)跳出。

2.2.2 發(fā)電機及電源控制組件

發(fā)電機及電源控制組件內(nèi)安裝有蓄電池繼電器、起動機繼電器、地面電源繼電器、發(fā)電機繼電器、電壓調(diào)節(jié)器、過壓和低壓保護等電路。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)電機及電源控制組件故障占該機型電源故障的一半左右，主要集中在發(fā)電機及其部件損壞、短路、繼電器故障、電壓控制器故障等[2-3]。其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在某次飛行中，飛行員反映發(fā)電機不發(fā)電，落地后檢查發(fā)電機外觀無燒蝕，勵磁線、輸入線和地線無松動、燒蝕和短路現(xiàn)象，離線測量輸入線電壓為23.8V，基本與電池電壓一致，初步判斷發(fā)電機內(nèi)部損壞。拆開發(fā)電機后發(fā)現(xiàn)碳刷過度磨損，其高度已低于最小規(guī)定值6mm，更換新碳刷并重新裝機后試車，發(fā)電機工作正常。

圖2 電源控制組件組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of power control unit

在某次地面試車中起動發(fā)電機后出現(xiàn)非正常的噪音，且該噪音隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，關(guān)閉發(fā)電機后噪音消失。首先檢查發(fā)電機上的濾波電容，未發(fā)現(xiàn)松動或者斷路；然后檢查發(fā)電機和電源控制組件的接地線，固定可靠未見松動；再次脫開發(fā)電機電源輸入端和電池負線，用數(shù)字萬用表負線連接發(fā)電機的電源輸入接線柱，正線連接地線接線柱，所測值為0.2，小于正常值范圍：0.8～1.0，判斷該發(fā)電機內(nèi)的二極管短路。重新更換發(fā)電機試車，未出現(xiàn)噪音。

在某次拆裝發(fā)電機后地面試車，當按下發(fā)電機控制開關(guān)后，發(fā)動機勵磁跳開關(guān)立即跳出，初步判斷線路上存在短路現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機勵磁線、輸入線和地線連接緊固無松動，脫開接線片后按下發(fā)電機控制開關(guān)，勵磁跳開關(guān)未跳起且輸入線電壓為24.1V，懷疑發(fā)電機勵磁線圈搭地，測量勵磁接線柱和地線柱的電阻為5.3Ω，符合3～10Ω的規(guī)定范圍，仔細檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機勵磁接線柱上用于隔離發(fā)電機殼體與接線片的絕緣膠圈損壞，從而造成勵磁接線片一直與殼體搭地。更換絕緣膠圈后發(fā)電機工作正常。

在某次定檢工作中執(zhí)行地面通電程序，當接通主電門開關(guān)后，起動機就自動工作并帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)起來，關(guān)閉電源并結(jié)合線路圖檢查發(fā)現(xiàn)主電門開關(guān)只控制電池繼電器的通斷，而起動繼電器是靠飛機鑰匙將磁電機開關(guān)扳到起動位時才接通，初步判斷起動繼電器故障。由于在未通電的情況下起動繼電器觸點未接通，則其電阻理論上應(yīng)為無窮大，但是測量值卻僅為72Ω，拆下并分解該起動繼電器后發(fā)現(xiàn)其兩觸點已部分燒蝕并粘連在一起，更換該起動繼電器后起動機工作正常。

2.2.3 供電網(wǎng)絡(luò)

供電網(wǎng)絡(luò)的故障主要包括單個元件的接觸不良、性能老化失效和線路中短路、斷絲、斷路等情況。

如在某次通電測試中，接通主電門開關(guān)，主顯示屏被點亮10s后出現(xiàn)閃爍并最終熄滅。檢查電池電壓為23.9V，滿足電壓要求，更換主電門開關(guān)后通電主顯示屏被正常點亮，故障消除。檢查拆下的主電門發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部觸點已燒蝕。

在某次地面試車工作中，一旦接通發(fā)電機開關(guān)后“ALT FLD”（即發(fā)電機勵磁）斷路器就跳起。首先脫開發(fā)電機電源輸入端上的濾波電容，接通后故障未變，之后脫開發(fā)電機的電源輸入端，接通后故障仍存在，然后脫開發(fā)電機的勵磁線，接通后“ALT FLD”不再跳起，因此判斷故障原因為發(fā)電機內(nèi)部勵磁電路短路或外部勵磁線短路，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機到發(fā)電機控制組件之間靠近發(fā)動機機匣的一段線路絕緣層已磨破，裸露的導(dǎo)線接觸到機匣上的螺釘造成了短路。

3 故障統(tǒng)計分布分析

對25架該型飛機近3年出現(xiàn)的84起直流電源系統(tǒng)故障分析發(fā)現(xiàn)，機載蓄電池子系統(tǒng)故障有16起；發(fā)電機及電源控制組件子系統(tǒng)故障有45起；供電網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)故障有23起。而引起各子系統(tǒng)故障的因素又分別分為兩類，具體故障原因分布如表2所示。

從表2可以看出，發(fā)電機及電源控制組件故障占了系統(tǒng)故障的一半多，供電網(wǎng)絡(luò)次之，機載蓄電池最少。而發(fā)電機及其部件又在所有故障原因中占有最大份額，這反映了發(fā)電機作為通航飛機電源系統(tǒng)的主要動力源，由于工作負荷大、時間長，環(huán)境較差等原因，故障率最高。其次是電源控制組件故障和供電網(wǎng)絡(luò)的線路故障，斷路器、繼電器、過壓保護器和電子線路相對機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，再加上溫度、濕度、振動等環(huán)境因素的影響，極易出現(xiàn)各類故障。

表2 故障原因統(tǒng)計分布表

4 總結(jié)

通航飛機直流電源系統(tǒng)相對于大型運輸機來說具有結(jié)構(gòu)較簡單，安全冗余度較低、故障率較高等特點。通過對典型通航飛機直流電源系統(tǒng)近3年發(fā)生故障的詳細分析，找出了該系統(tǒng)故障的最大影響因子——發(fā)電機及電源控制組件以及3個關(guān)鍵因素——發(fā)電機及部件、電源控制組件和電子線路。該結(jié)果對其他通用航空類飛機的日常使用和維護都具有較好的參考意義和價值。

[1] 周波.波音737飛機電源系統(tǒng)故障分析.中國民用航空，2011，124： 66-67.

[2] 馮又欣.老齡飛機電子系統(tǒng)線路故障的維修及預(yù)防. 航空維修與工程，2010(3): 49-51.

[3] 許鷹.飛機電氣部件產(chǎn)生故障的一般規(guī)律和排除方法. 航空維修與工程，2007(4)：29-30.