一起與差動保護(hù)有關(guān)的相電壓不平衡故障的分析與排除

陳海牛 陳池禮 卓偉偉

摘要：因設(shè)計(jì)保證，相電壓不平衡故障在日常工作中較少出現(xiàn)。差動保護(hù)是在發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路或發(fā)電機(jī)輸出端點(diǎn)到發(fā)電機(jī)斷路器之間的饋電線相與相、相與地之間短路時所做的一種保護(hù)。正常情況下，很少能將差動保護(hù)與電壓不平衡故障聯(lián)系起來。本文從一起真實(shí)案例的排查入手，探討了發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)和差動保護(hù)的有關(guān)原理，其故障排查思路和方法可供參考。

關(guān)鍵詞：差動保護(hù)；相電壓；不平衡

Keywords：differential protection；phase voltage；imbalance

0 引言

電壓不平衡是指三相電壓在幅值上不同或相位不是120°，或兼而有之。對于定型的飛機(jī)（直升機(jī)），電壓的平衡性主要靠電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來保證。根據(jù)飛機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的容量對于負(fù)載要求均留有較充足的裕度，交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)在制造時就保證了嚴(yán)格對稱，用電負(fù)載的鋪設(shè)也基本平衡分布。因此，在日常使用維護(hù)中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)最高和最低相電壓之差超過3V時，基本可以判定機(jī)上系統(tǒng)有故障，需要立即排除。

1 故障情況

一架某型直升機(jī)試飛中發(fā)現(xiàn)，機(jī)電參數(shù)顯示器顯示的交流發(fā)電機(jī)C相電壓偏低（僅113V），而A相117V、B相116V，雖滿足手冊中規(guī)定的相電壓應(yīng)為115±2.3V，但超過了“任意兩相電壓差應(yīng)不大于3V”的規(guī)定。更換晶體調(diào)壓器后試車檢查，三相電壓均穩(wěn)定在115V。次日，飛行前地面試車時發(fā)現(xiàn)三相電壓又出現(xiàn)不穩(wěn)定情況：C相在114～116V之間跳變，A、B相在116～117V之間跳變。隨即更換交流發(fā)電機(jī)，三相電壓雖不再跳變，但C相113V、A相117V、B相116V；用萬用表測量發(fā)電機(jī)電壓，與機(jī)電參數(shù)顯示器的顯示值相同；接通、斷開各交流用電設(shè)備，相電壓不平衡現(xiàn)象不變。再次更換晶體調(diào)壓器后試車檢查，三相電壓又穩(wěn)定在115V，但在隨后的試飛中又恢復(fù)至C相113V、A相117V、B相116V的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)的組成

該型直升機(jī)交流電源系統(tǒng)包括主交流電源系統(tǒng)和二次交流電源系統(tǒng)。主交流電源系統(tǒng)為115V、400Hz三相四線制系統(tǒng)；二次交流電源采用變壓器由主交流電源變換得到，提供單相26V、400Hz，單相36V、400Hz和三相36V、400Hz電源。

主交流電源系統(tǒng)由1號主交流電源系統(tǒng)和2號主交流電源系統(tǒng)兩個既獨(dú)立又可互相轉(zhuǎn)換的分系統(tǒng)及交流地面電源供電系統(tǒng)組成，其原理框圖如圖1所示。

1號主交流電源分系統(tǒng)（又稱變流器系統(tǒng)）以一臺額定容量為3kVA的三相變流器為中心，具體由三相靜止變流器、三相斷路器、控制保護(hù)器和1號電網(wǎng)接觸器等部件組成。三相靜止變流器用于將直流電28V變換為三相115V、400Hz交流電，三相星型接法輸出，額定功率3kVA，安裝于駕駛艙機(jī)頭下部?？刂票Ｗo(hù)器與三相靜止變流器配套使用，控制三相靜止變流器輸出和1號電網(wǎng)接觸器的通斷；當(dāng)三相靜止變流器的輸出電壓、頻率低于規(guī)定值時，斷開1號電網(wǎng)接觸器，實(shí)現(xiàn)故障隔離；當(dāng)三相靜止變流器電壓、頻率高于規(guī)定值時，則控制三相靜止變流器停止輸出，并斷開1號電網(wǎng)接觸器，實(shí)現(xiàn)故障隔離。

2號主交流電源分系統(tǒng)（又稱交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)）以一臺額定容量為9kVA的交流發(fā)電機(jī)為中心，具體由交流發(fā)電機(jī)、晶體調(diào)壓器、控制保護(hù)器、差動互感器和2號電網(wǎng)接觸器等部件組成。交流發(fā)電機(jī)用于產(chǎn)生三相120/208V、400Hz交流電，三相星型接法輸出，額定功率9kVA，勵磁直流1.8～8.5A，安裝于主減艙，由發(fā)動機(jī)經(jīng)主減速器驅(qū)動發(fā)電。晶體調(diào)壓器與交流發(fā)電機(jī)配套使用，自動調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流的大小，使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)調(diào)壓點(diǎn)電壓保持在115±2.3V（相電壓），安裝于設(shè)備艙?？刂票Ｗo(hù)器與交流發(fā)電機(jī)配套使用，控制交流發(fā)電機(jī)正常起動和停止工作，并控制2號電網(wǎng)接觸器的通斷；當(dāng)交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的調(diào)壓點(diǎn)電壓、頻率低于規(guī)定值時，斷開2號電網(wǎng)接觸器，實(shí)現(xiàn)故障隔離；當(dāng)調(diào)壓點(diǎn)電壓、頻率高于規(guī)定值或發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生差動故障時，則自動切除發(fā)電機(jī)勵磁，交流發(fā)電機(jī)停止發(fā)電，同時斷開2號電網(wǎng)接觸器，實(shí)現(xiàn)故障隔離。差動互感器與控制保護(hù)器配合使用，用作交流電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)饋電線短路保護(hù)檢測部件；系統(tǒng)有兩個差動互感器，一個安裝于主減艙，另一個安裝于設(shè)備艙交流配電盒內(nèi)。

正常狀態(tài)時，1號主交流電源與2號主交流電源獨(dú)立向各自的電網(wǎng)供電。當(dāng)某個主電源發(fā)生故障時，故障電源被隔離而脫開電網(wǎng)，兩電網(wǎng)自動互聯(lián)并由正常電源供電。

交流地面電源供電系統(tǒng)主要由交流地面電源插座、地面電源接觸器和外電源監(jiān)控器等部件組成。外電源監(jiān)控器用于檢測交流地面電源品質(zhì)，地面電源品質(zhì)滿足要求時，接通地面電源接觸器向機(jī)上供電；當(dāng)?shù)孛骐娫雌焚|(zhì)不滿足要求時，斷開地面電源接觸器。

交流電源系統(tǒng)參數(shù)在機(jī)電參數(shù)顯示器上顯示。

因此，從系統(tǒng)的組成上看，交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電壓的不平衡與其他交流電源系統(tǒng)基本無關(guān)。

3 交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)

該型直升機(jī)交流發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)由晶體調(diào)壓器自動改變發(fā)電機(jī)的勵磁電流來實(shí)現(xiàn)，并且采用了“平均+高相”的檢測控制方式，其原理如圖2所示。

當(dāng)發(fā)生不對稱短路和嚴(yán)重負(fù)載不對稱時，三相線電壓平均值將大大降低，這時三相平均值電壓調(diào)節(jié)電路工作的結(jié)果是增大勵磁電流，從而使非短路相（或輕負(fù)載相）的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值，可能損壞用電設(shè)備。為了防止發(fā)生這種現(xiàn)象，晶體調(diào)壓器內(nèi)部設(shè)置了高相電壓限制電路，當(dāng)最高相電壓接近126V時，高相電壓限制電路參與工作，使最高相電壓不大于126V。

可見，“平均”用于正常調(diào)壓工作，“高相”用于限制不對稱故障引起的某相電壓的升高，使之不超過極限值。

因此，從電壓調(diào)節(jié)的原理上來說，該機(jī)C相113V、A相117V、B相116V，最大兩相電壓差僅4V的現(xiàn)象，應(yīng)與晶體調(diào)壓器無關(guān)。

4 系統(tǒng)的差動保護(hù)

短路是一種危險(xiǎn)故障，短路相中流過很大的沖擊電流，可能引發(fā)火災(zāi)。產(chǎn)生短路故障的原因可能是發(fā)電機(jī)或饋線磨損造成絕緣損壞，因振動斷線而搭地，或因其他偶然事故而造成。

為了在發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路（繞組的相間和匝間）或發(fā)電機(jī)輸出饋電線的相間或相與中線（地）之間出現(xiàn)任何組合的低阻抗短路時及時切斷發(fā)電機(jī)的勵磁，并把發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)上脫開，即斷開發(fā)電機(jī)控制繼電器（控制發(fā)電機(jī)勵磁電路的接通與斷開，即決定發(fā)電機(jī)是否發(fā)電）和發(fā)電機(jī)斷路器（發(fā)電機(jī)輸出接觸器，使發(fā)電機(jī)與匯流條接通或斷開，即決定發(fā)電機(jī)是否輸出），從而避免發(fā)生危險(xiǎn)事故，在本機(jī)交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置了差動保護(hù)線路，具體由差動電流互感器T1、T2以及控制保護(hù)器、晶體調(diào)壓器、2號電網(wǎng)接觸器及其之間的連接線路組成，具體系統(tǒng)接線原理如圖3所示。

差動電流互感器T1、T2是交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)饋電線短路保護(hù)的檢測部件，其內(nèi)部原理如圖4所示。

差動電流互感器T1、T2型號相同，配合使用。T1是主差動電流互感器，T2是副差動電流互感器，兩差動電流互感器在連接時按圖1所示極性（同名端）首尾串聯(lián)組成差動環(huán)。

以A相為例說明差動保護(hù)線路的工作原理：通過T1、T2原邊A1A2中的電流為I1、I2（因首尾串聯(lián)的接線連接方式使其方向相反：T1的A相電流由A1→A2，T2的A相電流由A2→A1），T1、T2對應(yīng)副邊1、4端輸出電流為I1、I2，則流入兩R1的電流為兩副邊電流之差，即△I=I1-I2=（I1-I2）/K，其中K為互感器的變比。

正常情況下，I1=I2，ΔI=0，在兩R1上形成的差動電壓為0，保護(hù)電路不動作。

若在差動保護(hù)區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)發(fā)生短路，如發(fā)電機(jī)A相饋電線對地產(chǎn)生短路或出現(xiàn)其他故障，發(fā)電機(jī)A相輸出電流不經(jīng)過負(fù)載或部分經(jīng)過負(fù)載后返回發(fā)電機(jī)，即通過T1的A1A2中的電流大于通過T2的A2A1中的電流。設(shè)短路電流為IK，則△I=（I1-I2）/K=IK/K，即流入兩R1的電流與短路電流成正比。當(dāng)短路電流達(dá)到一定數(shù)值（約額定電流的40%）時，在兩R1上形成的差動電壓超過控制保護(hù)器中差動保護(hù)電路預(yù)定的閾值（差動保護(hù)動作點(diǎn)），則保護(hù)電路動作。

若短路發(fā)生在兩差動電流互感器之外，因I1=I2，ΔI=0，差動保護(hù)電路仍不動作。

可見，在T1、T2兩差動電流互感器之間的范圍稱為差動保護(hù)區(qū)，只有在此區(qū)域出現(xiàn)短路故障時，差動保護(hù)電路立即輸出保護(hù)控制信號，從而斷開發(fā)電機(jī)控制繼電器（內(nèi)置于控制保護(hù)器，切斷發(fā)電機(jī)勵磁）和發(fā)電機(jī)輸出接觸器（2號電網(wǎng)接觸器）；若在兩差動電流互感器之外出現(xiàn)短路故障，差動保護(hù)電路是不起作用的。

因此，從原理上看，差動保護(hù)線路本身與相電壓的調(diào)節(jié)和平衡性并無關(guān)聯(lián)。

5 進(jìn)一步故障排查

按照交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)工作原理，基于能引發(fā)三相電壓不平衡的因數(shù)分析，結(jié)合前期已開展的工作情況，從動態(tài)在線測試和靜態(tài)線路檢查兩種方法入手。

在地面試車狀態(tài)，用鉗形電流表監(jiān)測交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)2號電網(wǎng)接觸器處的三相電流，并未發(fā)現(xiàn)C相電流有明顯偏高的情況，因此，外電路三相負(fù)載不平衡的因素基本可以排除。

在不接入地面電源和蓄電池的狀態(tài)下，檢查交流發(fā)電機(jī)電纜接線情況和定子繞組情況。

1）脫開交流發(fā)電機(jī)A相、B相、C相接線柱上的電纜，用微歐計(jì)測量交流發(fā)電機(jī)A相、B相、C相接線柱端（定子繞組）對地的電阻值；用數(shù)字萬用表電阻檔測量A相、B相、C相電纜端對地的電阻值，測量A相、B相、C相電纜端對應(yīng)至2號電網(wǎng)接觸器的A相、B相、C相接線端之間的電阻值。

2）繼續(xù)脫開交流發(fā)電機(jī)a相、b相、c相接線柱上的電纜，用微歐計(jì)測量a相、b相、c相電纜端對地的電阻值，交流發(fā)電機(jī)A-a、B-b、C-c接線柱之間（定子繞組）的電阻值，交流發(fā)電機(jī)A、B、 C接線柱之間（定子繞組之間）的電阻值。

經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，交流發(fā)電機(jī)c相電纜端對地的電阻值異常（約為75Ω），而正常的a相、b相電纜端對地的電阻值均約為1mΩ。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，在差動保護(hù)線路安裝于主減艙的差動電流互感器T1的C1接線柱上的擰緊螺母已經(jīng)松動，導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)的C相定子繞組對地存在較大電阻值，從而引起三相電壓不平衡且C相幅值明顯偏低的情況。

擰緊該螺母并恢復(fù)各連接電纜，再次進(jìn)行地面試車和試飛驗(yàn)證，相電壓不平衡故障被排除。

前期更換晶體調(diào)壓器和交流發(fā)電機(jī)后，相電壓短時正常或不穩(wěn)定，應(yīng)是試車或試飛時的機(jī)體振動使差動電流互感器T1的C1接線柱上松動的連接電纜出現(xiàn)短時搭接而使性能變化所致。

6 總結(jié)及建議

對于電源系統(tǒng)的故障排查，一方面要熟悉系統(tǒng)構(gòu)造和工作原理，另一方面要善用外接鉗形電流表監(jiān)測和用微歐計(jì)檢查線路搭接等方法手段，才能有效減少不必要的工作環(huán)節(jié)。

對于交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相電壓不平衡故障的主要排查思路是：檢查交流發(fā)電機(jī)定子繞組某一相或兩相接線是否松動，定子繞組某一相或兩相是否存在斷路或短路（交流發(fā)電機(jī)三相定子繞組的阻抗是否不對稱）；檢查三相輸出至發(fā)電機(jī)斷路器之間電纜以及三相至中線接地之間電纜的接線是否松動；檢查外電路三相負(fù)載是否不對稱（或在線監(jiān)測各相電流是否不平衡）。

參考文獻(xiàn)

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