交流發(fā)電機(jī)控制器自動驅(qū)動接觸器接通故障分析

王元君，董曉宇

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

APU交流發(fā)電機(jī)為直升機(jī)提供輔助電能，在主發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障時，為機(jī)上提供應(yīng)急電能。APU交流發(fā)電機(jī)控制器與交流發(fā)電機(jī)及交流配電控制盒配套，實(shí)現(xiàn)交流電源系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)與故障保護(hù)，控制發(fā)電機(jī)與匯流條的連接、斷開等功能。發(fā)電機(jī)控制器應(yīng)能通過GCR、GB的接通和斷開，從而控制發(fā)電機(jī)的工作和電能的輸出。交流發(fā)電機(jī)配備有一個發(fā)電機(jī)接觸器（GB）。某APU交流發(fā)電機(jī)控制器跟隨某型直升機(jī)在外場進(jìn)行試驗(yàn)時發(fā)生故障，未接通發(fā)電機(jī)開關(guān)時，發(fā)電機(jī)控制器自動驅(qū)動APU發(fā)電機(jī)接觸器接通并網(wǎng)供電，將外電源擠掉，并上報APU發(fā)電機(jī)接觸器故障，造成全機(jī)掉電的故障。本文就APU交流發(fā)電機(jī)控制器自動接通APU發(fā)電機(jī)接觸器的故障進(jìn)行研究和分析。

1 背景

繼電器廣泛應(yīng)用于飛機(jī)各個系統(tǒng)的控制中，繼電器在控制回路中起著保護(hù)、信號傳遞、隔離或功率放大等作用，控制著整個電氣系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。發(fā)電機(jī)控制器中也是使用繼電器實(shí)現(xiàn)對APU發(fā)電機(jī)接觸器的線圈進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對GB的通斷控制。繼電器使用過程中常因繼電器觸點(diǎn)故障引起系統(tǒng)工作不正常，尤其是在感性負(fù)載電路連接的觸點(diǎn)，觸點(diǎn)氧化、積碳，觸點(diǎn)拉弧燒傷、粘連時有發(fā)生[2]。

GB是聯(lián)系發(fā)電機(jī)和匯流條的紐帶，其作用非常重要，發(fā)電機(jī)控制器通過檢測GB的輔助觸點(diǎn)來檢測GB的狀態(tài)，與發(fā)電機(jī)控制器軟件輸出允許GB接通的驅(qū)動信號進(jìn)行判斷，作為故障診斷的判據(jù)?？勺鳛镚B輔助觸點(diǎn)被燒熔而粘接在一起故障判斷的余度檢測。當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電能不滿足要求或出現(xiàn)故障時，由AC GCU發(fā)出控制信號關(guān)斷GB。

2 故障現(xiàn)象與定位

2.1 故障現(xiàn)象

某APU交流發(fā)電機(jī)控制器跟隨某型直升機(jī)在外場進(jìn)行試驗(yàn)時，未接通發(fā)電機(jī)開關(guān)時，發(fā)電機(jī)控制器自動驅(qū)動APU發(fā)電機(jī)接觸器接通并網(wǎng)供電，將外電源擠掉，并上報接觸器故障，造成全機(jī)掉電。

故障產(chǎn)品返廠后，先通過開環(huán)試驗(yàn)臺進(jìn)行檢測，開環(huán)試驗(yàn)接線如圖1所示。啟動28V電源，輸出電壓（28±1）V，接通試驗(yàn)臺產(chǎn)品28V開關(guān)；點(diǎn)擊通訊試驗(yàn)盒顯示屏上的“起動發(fā)送”按鈕，顯示屏顯示“通訊：正常”；點(diǎn)擊通訊試驗(yàn)盒選擇“允許相連GB接通”，當(dāng)用于模擬永磁機(jī)相電壓的三相交流電源輸出達(dá)到6V時，開環(huán)試驗(yàn)臺上的APU發(fā)電機(jī)GB和相連GB狀態(tài)指示燈已點(diǎn)亮，與產(chǎn)品要求不符，發(fā)電機(jī)開關(guān)未閉合時APU發(fā)電機(jī)GB和相連GB狀態(tài)指示燈均應(yīng)為熄滅狀態(tài)，通訊試驗(yàn)盒顯示屏顯示APU發(fā)電機(jī)GB：接通；相連GB：接通。70ms后，通訊試驗(yàn)盒報APU發(fā)電機(jī)GB：故障；接口板：故障；控制器：故障。此現(xiàn)象與外場故障現(xiàn)象一致，發(fā)電機(jī)控制器自動驅(qū)動APU發(fā)電機(jī)接觸器接通故障得到復(fù)現(xiàn)。

圖1 開環(huán)試驗(yàn)接線

2.2 原理分析

圖2 是發(fā)電機(jī)開關(guān)轉(zhuǎn)換接觸器驅(qū)動電路原理圖。PMG-28V為發(fā)電機(jī)永磁機(jī)整流后輸出電壓，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動后，PMG-28V信號的電壓值隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升在逐漸升高，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速12000r/min時，PMG-28V信號的電壓值大約為28V。發(fā)電機(jī)開關(guān)閉合后，GNE-SW（發(fā)電機(jī)開關(guān)信號，低有效）變?yōu)榈碗娖剑^電器K302線圈通電動作，其常開觸點(diǎn)閉合，將PMG-28V與K301常閉觸點(diǎn)連接在一起，使K202線圈上端接入28V直流電。同時發(fā)電機(jī)控制器有軟件程序開始判斷產(chǎn)品是否滿足建壓接通條件，即三相電壓最低相電壓為105+2.5

圖2 發(fā)電機(jī)開關(guān)轉(zhuǎn)換接觸器驅(qū)動電路原理圖

0V，頻率為380+50Hz。若滿足建壓接通要求，發(fā)電機(jī)控制器軟件輸出GBC信號（高電平）驅(qū)動NPN三極管V218飽和導(dǎo)通，繼電器K202線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，將PMG-28V與GB-ON連接在一起，向接觸器線圈輸出永磁機(jī)整流后的電壓并驅(qū)動其接通，使發(fā)電機(jī)并網(wǎng)供電。

永磁機(jī)整流后的電壓信號PMG-28V與地之間并聯(lián)了一個電容C201，該電容的作用是為了增強(qiáng)驅(qū)動接觸器的能力。APU發(fā)電機(jī)GB、相連GB接通前，永磁機(jī)整流后的電壓信號PMG-28V向電容充電；APU發(fā)電機(jī)GB、相連GB接通過程中，永磁機(jī)整流后的電壓信號PMG-28V和電容一起向接觸器線圈供電，這樣能夠提高接觸器線圈上的電壓值。

將該臺發(fā)電機(jī)控制器開蓋后，未發(fā)現(xiàn)其他元器件有明顯燒蝕或連接導(dǎo)線燒焦痕跡，產(chǎn)品內(nèi)部所有部件均安裝牢固可靠。根據(jù)故障復(fù)現(xiàn)情況可以看出，GB-ON信號輸出驅(qū)動了APU發(fā)電機(jī)接觸器使其工作，并將APU發(fā)電機(jī)接觸器檢測信號反饋至發(fā)電機(jī)控制器，而報出APU發(fā)電機(jī)GB故障是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)控制器軟件輸出的GBC信號與APU發(fā)電機(jī)接觸器檢測信號狀態(tài)不一致造成的。也就是說發(fā)電機(jī)控制器軟件輸出的GBC信號為低電平，不允許發(fā)電機(jī)控制器輸出信號接通APU發(fā)電機(jī)接觸器；而APU發(fā)電機(jī)接觸器檢測信號狀態(tài)又代表了APU發(fā)電機(jī)接觸器已接通，兩個信號不一致時，發(fā)電機(jī)控制器通過軟件判斷此時有了問題，而實(shí)現(xiàn)了APU發(fā)電機(jī)GB故障保護(hù)功能。

2.3 故障定位

結(jié)合發(fā)電機(jī)控制器的接觸器驅(qū)動電路和產(chǎn)品的工作原理，對發(fā)電機(jī)控制器出現(xiàn)的自動驅(qū)動APU接觸器接通故障建立了故障樹，共3個底事件，具體見圖3。需要特殊說明的是，底事件1和2是與的關(guān)系，底事件1、2與底事件3是或的關(guān)系。

圖3 故障樹

(1)繼電器K302觸點(diǎn)粘連

如果繼電器K302的動簧片與常開觸點(diǎn)發(fā)生粘連（即副勵磁機(jī)PMG-28VA信號為高電平）且同時三極管V218集電極為低電平時，則繼電器K202會因?yàn)榫€圈得電而誤動作，則GB-ON驅(qū)動信號與永磁機(jī)信號PMG-28V連接在一起，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動后，PMG-28V信號的電壓值隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升在逐漸升高。當(dāng)永磁機(jī)整流電壓超過驅(qū)動接觸器的電壓時，會出現(xiàn)發(fā)電機(jī)控制器未閉合發(fā)電機(jī)開關(guān)而自動驅(qū)動APU接觸器接通的故障。

經(jīng)檢測繼電器K302不存在動簧片與常開觸點(diǎn)發(fā)生粘連，底事件1被排除。

(2)三極管V218擊穿短路

如果三極管V218擊穿短路（集電極因與發(fā)射極短路而接地）且同時副勵磁機(jī)PMG-28V信號為高電平時，則繼電器K202會因?yàn)榫€圈得電而誤動作，則GB-ON驅(qū)動信號與永磁機(jī)信號PMG-28V連接在一起，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動后，PMG-28V信號的電壓值隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升在逐漸升高。當(dāng)永磁機(jī)整流電壓超過驅(qū)動接觸器的電壓時，會出現(xiàn)未閉合發(fā)電機(jī)開關(guān)，發(fā)電機(jī)控制器自動驅(qū)動APU接觸器接通的故障。

經(jīng)用萬用表檢測三極管V218的集電極與發(fā)射極不存在短路異常，且后續(xù)控制器更換繼電器K202后，性能檢查試驗(yàn)均正常，說明三極管V218未被擊穿短路，能夠正常工作，底事件2被排除。

(3)繼電器K202觸點(diǎn)粘連

如果繼電器K202的動簧片與常開觸點(diǎn)發(fā)生粘連，則GB-ON驅(qū)動信號與永磁機(jī)信號PMG-28V連接在一起，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動后，PMG-28V信號的電壓值隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升在逐漸升高。當(dāng)永磁機(jī)整流電壓超過驅(qū)動接觸器的電壓時，會出現(xiàn)未閉合發(fā)電機(jī)開關(guān)，發(fā)電機(jī)控制器自動驅(qū)動APU發(fā)電機(jī)接觸器接通的故障。

對繼電器K202進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)該繼電器的一組觸點(diǎn)存在粘連情況，由此會出現(xiàn)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)控制器不受發(fā)電機(jī)開關(guān)控制而自動驅(qū)動接觸器接通的故障現(xiàn)象。底事件3無法排除。將發(fā)生觸點(diǎn)粘連的繼電器K202用另一只同型號的繼電器更換后，按產(chǎn)品規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行性能試驗(yàn)檢查，試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合相關(guān)技術(shù)要求，見表1，能進(jìn)一步確認(rèn)外場出現(xiàn)的自動驅(qū)動接觸器故障是由于繼電器K202發(fā)生觸點(diǎn)粘連引起的。

表1 性能試驗(yàn)指標(biāo)記錄

通過以上分析以及排查工作，能夠認(rèn)定外場出現(xiàn)的交流發(fā)電機(jī)控制器自動驅(qū)動發(fā)電機(jī)接觸器接通故障現(xiàn)象是由于發(fā)電機(jī)控制器統(tǒng)一控制APU發(fā)電機(jī)GB和相連GB的繼電器K202的兩組觸點(diǎn)中的一組觸點(diǎn)過流燒蝕粘連所致，及底事件3引起，經(jīng)用萬用表檢測K202的常開觸點(diǎn)存在短路異常。針對上述分析，進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn)工作，將繼電器的常開觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)用導(dǎo)線短接，以模擬觸點(diǎn)粘連情況。在試驗(yàn)臺進(jìn)行分析試驗(yàn)，故障得到復(fù)現(xiàn)。APU接觸器檢測信號此時為低，其狀態(tài)與發(fā)電機(jī)控制器軟件輸出的GBC信號不一致，實(shí)現(xiàn)APU發(fā)電機(jī)GB故障保護(hù)，造成全機(jī)掉電。

3 機(jī)理分析

繼電器觸點(diǎn)的損傷形式主要取決于觸點(diǎn)回路電流的大小。觸點(diǎn)回路電流越大，觸點(diǎn)斷開瞬間的電流變化率就越大，加在觸點(diǎn)間的感應(yīng)電勢越高，觸點(diǎn)間形成的電場越強(qiáng)，就越有利起弧，且電流越大保持電弧穩(wěn)定的電弧電壓越低，電弧容易保持。電流較大時，會出現(xiàn)觸點(diǎn)拉弧燒傷、粘接。當(dāng)電流很大時，電弧產(chǎn)生的高溫使接觸材料熔化、氣化或噴濺，不僅陽極產(chǎn)生迅速損耗，陰極也有較大損耗，嚴(yán)重拉弧時，會使觸點(diǎn)燒熔、粘合在一起[2]，在閉合壓力的作用下，很容易產(chǎn)生觸點(diǎn)間的熱熔焊。

該繼電器型號為J65/KJZC-064M-027L/01。其每組觸點(diǎn)負(fù)載電流為2A，過載能力為10A/130ms。并聯(lián)使用同一驅(qū)動APU接觸器和相連接觸器，雖然每個接觸器的啟動電流不大于7A，但是兩組觸點(diǎn)不能夠完全同步，造成繼電器一組觸點(diǎn)先接通，其瞬時承擔(dān)14A的電流，超出其10A的過載能力，工作一段時間后，導(dǎo)致該組觸點(diǎn)過流燒蝕粘連。

將該失效繼電器進(jìn)行了第三方失效分析，結(jié)論為：該繼電器的失效原因是受到異常電應(yīng)力作用，動簧片與常開觸點(diǎn)之間流經(jīng)大電流，造成動簧片過流熔融，金屬結(jié)構(gòu)之間粘連無法正常動作所致。

4 糾正措施

根據(jù)繼電器觸點(diǎn)電路的負(fù)載大小、負(fù)載特性，按標(biāo)準(zhǔn)要求合理選用繼電器，提高觸點(diǎn)的帶載能力。此次更改的繼電器與原繼電器封裝、體積、重量一致，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。對產(chǎn)品使用的所有繼電器進(jìn)行復(fù)查，核實(shí)其觸點(diǎn)負(fù)載電流是否滿足產(chǎn)品實(shí)際使用需要。對驅(qū)動接觸器信號電路進(jìn)行復(fù)查，核實(shí)印制板覆銅、印制板連接器以及對外連接導(dǎo)線是否能夠承受啟動接觸器瞬間電流的使用要求。

5 結(jié)束語

交流發(fā)電機(jī)控制器能夠進(jìn)行發(fā)電機(jī)及發(fā)電系統(tǒng)的檢測、監(jiān)控、驅(qū)動、隔離以及故障保護(hù)等，作為電力系統(tǒng)的控制中心，其可靠性至關(guān)重要。為防止感性負(fù)載對繼電器的損傷，可增加熄弧電路，限制感應(yīng)電勢的大小，使觸點(diǎn)斷開時不承受高電壓，并釋放感性元件存儲的能量。對重要系統(tǒng)可采取繼電器兩對觸點(diǎn)并聯(lián)使用等措施，提高控制可靠性，或采取可靠性高的固態(tài)繼電器代替電磁繼電器。對繼電器的固定采取減振措施，減輕直升機(jī)振動對繼電器的影響[2]。