機(jī)載交流電源系統(tǒng)差動保護(hù)故障分析

■ 宮曉峰 黃丙寅/中國飛行試驗研究院

交流電源系統(tǒng)的保護(hù)模式有過壓/欠壓保護(hù)、過頻/欠頻保護(hù)、過流保護(hù)、差動保護(hù)等形式，其中，差動保護(hù)因其響應(yīng)速度快，在交流電源系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但差動保護(hù)的靈敏度較高，電源系統(tǒng)的差動保護(hù)功能一旦失效，輕則將造成系統(tǒng)告警，影響任務(wù)執(zhí)行，重則將導(dǎo)致飛機(jī)斷電，危及飛機(jī)和飛行員的安全。

1 故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)在完成大機(jī)動動作后，交流電源系統(tǒng)發(fā)生保護(hù)性斷電，機(jī)上“主交流”告警燈燃亮，應(yīng)急電源系統(tǒng)投入工作。飛行員按規(guī)定程序?qū)涣鞴╇娤到y(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，交流電源系統(tǒng)未能恢復(fù)工作，只能中斷飛行任務(wù)提前返航，由應(yīng)急供電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)供電至飛行結(jié)束。

查看機(jī)上故障記錄，報出“交流電源系統(tǒng)故障”信息。讀取飛行參數(shù)記錄，報出“發(fā)電機(jī)互感器引起的差動保護(hù)”故障。從由飛參采集的數(shù)據(jù)波形中可以看出，故障時A相差動電流有臺階式階躍，最大可達(dá)50A以上，超過差動保護(hù)門限，三相電源的輸出穩(wěn)定且在規(guī)定范圍。

2 機(jī)載電源系統(tǒng)差動保護(hù)模式與原理分析

差動保護(hù)是利用基爾霍夫電流定理進(jìn)行工作的，即同一時間內(nèi)流經(jīng)同一饋線的電流應(yīng)基本相等，差動電流I0=I1-I2。當(dāng)機(jī)載交流電源系統(tǒng)正常工作時，處于交流電源系統(tǒng)同一饋線不同位置的交流互感器采集到的電流相等，則控制器中的差動保護(hù)信號無輸出，即I0≈0，交流接觸器無動作。當(dāng)機(jī)載交流電源系統(tǒng)故障時，處于交流電源系統(tǒng)同一饋線不同位置的交流互感器采集到的電流不相等，即I0≥△I（設(shè)計保護(hù)電流差），則控制器中輸出差動保護(hù)信號，交流接觸器動作，斷開交流電源通路，實現(xiàn)保護(hù)功能。系統(tǒng)原理如圖1所示。

由機(jī)載電源系統(tǒng)差動保護(hù)原理可知，觸發(fā)差動保護(hù)的原因有：

1）交流電源系統(tǒng)主饋線故障；

2）電源系統(tǒng)控制器故障；

3）差動保護(hù)線路故障；

4）發(fā)電機(jī)內(nèi)部電流互感器或電源艙電流互感器故障。

3 故障定位與排除

通過對故障現(xiàn)象的判斷、對飛行參數(shù)的解讀和對系統(tǒng)原理的分析可知，導(dǎo)致上述差動保護(hù)的原因可能為“發(fā)電機(jī)電流互感器發(fā)生故障直接引起電流采樣異?！被颉鞍l(fā)電機(jī)控制器內(nèi)部電流互感器的電流采樣電路故障”，本著由簡入繁的原則，對機(jī)上相關(guān)部件進(jìn)行排查定位。

1）測量發(fā)電機(jī)內(nèi)部電流互感器三相電阻值，三相電阻均衡，結(jié)果符合要求。

圖1 差動保護(hù)系統(tǒng)原理

2）測量電源艙線路電流互感器三相電阻值，三相電阻均衡，結(jié)果符合要求。

3）測量控制器內(nèi)部發(fā)電機(jī)電流互感器三相采樣電路的電阻值，三相電阻均衡，結(jié)果符合要求。

4）測量控制器內(nèi)部線路電流互感器三相采樣電路的電阻值，三相電阻均衡，結(jié)果符合要求。

5）在機(jī)上進(jìn)行控制器維護(hù)自檢，結(jié)果正常。

6）進(jìn)行發(fā)電機(jī)輸出饋線檢查，外觀完好，測量結(jié)果正常。

通過原位檢測未發(fā)現(xiàn)引發(fā)差動保護(hù)的誘發(fā)原因，需對相關(guān)部件進(jìn)行進(jìn)一步分解檢查。將與故障相關(guān)的交流發(fā)電機(jī)、控制器和交流互感器拆下，返廠進(jìn)行檢測和試驗。

進(jìn)行測試臺檢測試驗，地面加載負(fù)載電流工作5min后，A相電流互感器電流開始向小電流跳躍（其他相電流正常），并且差動電流持續(xù)變大，達(dá)30A以上，并在65ms后實行差動保護(hù)。此現(xiàn)象滿足差動保護(hù)條件（即差動電流值超過額定值且持續(xù)周期超過60ms），因此發(fā)電機(jī)控制器實施差動保護(hù)，造成主交流斷電，與飛機(jī)上的故障現(xiàn)象一致。

重新測量交流發(fā)電機(jī)插座端電流互感器繞組的電阻值，發(fā)現(xiàn)交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部電流互感器A相電阻值異常，阻值為1MΩ，其余各繞組電阻值均符合要求，測量結(jié)果見表1。

表1 電流互感器繞組電阻值測量表

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，交流發(fā)電機(jī)電流互感器A相引出線在電連接器插針焊接處焊點脫開。分析認(rèn)為，脫焊原因是手工焊接操作時，烙鐵預(yù)熱不充分，造成接點虛焊，長時間在各種環(huán)境條件的作用下，焊接部位脫焊。在飛機(jī)振動環(huán)境下，此焊接點時連時斷，導(dǎo)致外場測量時未能對故障進(jìn)行直接定位。

針對本次故障，后期通過完善過程控制要求，對導(dǎo)線、插針孔掛錫后增加檢驗，對員工進(jìn)行技能操作培訓(xùn)和質(zhì)量意識教育，可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低故障發(fā)生的概率。

4 機(jī)載交流電源系統(tǒng)差動保護(hù)的優(yōu)化改進(jìn)

差動保護(hù)的設(shè)計理念是為了保障交流電源系統(tǒng)在受到損傷產(chǎn)生短路或斷路時，控制系統(tǒng)退出工作，以保證機(jī)載設(shè)備的運行安全。但上述故障中交流電源系統(tǒng)本身并未發(fā)生故障，而是由于差動保護(hù)線路本身的原因?qū)е陆涣飨到y(tǒng)報故退出工作，影響了飛行任務(wù)的執(zhí)行，增加了維修成本。

機(jī)載交流電源系統(tǒng)一般為三相交流系統(tǒng)，且一般都設(shè)置過流保護(hù)功能，隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，可以通過對比來判斷主系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而杜絕由于保護(hù)線路故障導(dǎo)致主系統(tǒng)退出工作的情況。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到差動保護(hù)信號時，按照設(shè)計邏輯首先切斷交流電源系統(tǒng)的供電，保護(hù)系統(tǒng)免受可能存在的故障威脅。對比系統(tǒng)記錄的系統(tǒng)工作參數(shù)，進(jìn)一步確認(rèn)系統(tǒng)是否發(fā)生差動檢測鏈路故障，由于機(jī)上還有過流、過/欠壓、過/欠頻等保護(hù)措施，可以通過邏輯判斷交流電源系統(tǒng)是否退出或恢復(fù)工作。具體控制或緩解措施如下：

1）判斷系統(tǒng)電流是否出現(xiàn)過流或斷流現(xiàn)象，如出現(xiàn)則置差動保護(hù)標(biāo)志并進(jìn)行保護(hù)，同時禁止系統(tǒng)復(fù)位。

2）判斷系統(tǒng)如未出現(xiàn)過流或斷流現(xiàn)象，則進(jìn)行交流電源系統(tǒng)故障告警，不再持續(xù)置差動保護(hù)標(biāo)志，在對系統(tǒng)復(fù)位后恢復(fù)供電，向飛行員告警并記錄故障信息。

3）判斷三相電源的實際工作狀態(tài)應(yīng)基本一致，如三相電源差值超出規(guī)定范圍則實施保護(hù)，否則可判斷為主系統(tǒng)正常，僅進(jìn)行告警和記錄，不切斷電源系統(tǒng)工作。

4）進(jìn)一步改進(jìn)差動保護(hù)系統(tǒng)的自檢測能力，當(dāng)其自身出現(xiàn)故障時能夠切斷系統(tǒng)差動保護(hù)功能。

5 結(jié)束語

電源系統(tǒng)差動保護(hù)因其靈敏性高而得到廣泛應(yīng)用，同時對差動保護(hù)系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。尤其是在機(jī)載復(fù)雜環(huán)境下，在提高元器件可靠性和穩(wěn)定性的同時，應(yīng)對系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制進(jìn)行深入探索，最大限度地保證機(jī)載系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。同時，應(yīng)加強(qiáng)外場檢測和定位技術(shù)，提升飛機(jī)維修保障能力，確保飛機(jī)更好地完成飛行任務(wù)。