饋線短路保護門限值對發(fā)電機工作的影響分析

馬靜宇，關(guān)思洋，徐野夫，遲曉林

（哈爾濱哈飛航空工業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

0 引 言

調(diào)壓器是電源系統(tǒng)的重要部件，其功能包括調(diào)節(jié)起動發(fā)電機輸出電壓，控制發(fā)電機的并網(wǎng)和退網(wǎng)，提供過壓保護、過激磁保護、反流保護以及饋線短路保護等[1]。

AC312E型機選用的起動發(fā)電機、調(diào)壓器及互感器均為法國泰雷茲公司產(chǎn)品。在科研試飛過程中，多次出現(xiàn)發(fā)動機起動后起動發(fā)電機無法建立電壓的故障，嚴(yán)重影響科研試飛正常進行，急需解決。

1 理論分析及驗證

1.1 饋線短路保護原理

饋線短路保護也稱差動保護，一般用電流互感器來感受差動電流，通過敏感差動保護區(qū)內(nèi)的電流變化率來實現(xiàn)保護功能。發(fā)電機的正負(fù)線上分別穿有一個互感器，安裝時需注意互感器上的發(fā)電機端指向。兩個互感器指向發(fā)電機的一端彼此相連，另一端均與調(diào)壓器相連[2,3]。饋線短路保護原理如圖1所示。

圖1 饋線短路保護原理

發(fā)電機饋線上的電流產(chǎn)生變化時，位于發(fā)電機正負(fù)線兩端的互感器會在饋線周圍磁場中感應(yīng)產(chǎn)生電動勢。由于發(fā)電機的輸出電流與返回電流一致，兩個互感器所產(chǎn)生的電動勢可相互抵消。因此，互感器不會向調(diào)壓器輸出任何信號。

當(dāng)饋線短路時，發(fā)電機輸出電流瞬時增大，并且大部分電流經(jīng)短路點直接返回至發(fā)電機負(fù)端，不再流經(jīng)正饋線上的互感器，位于發(fā)電機正線上的互感器感生電勢極小。負(fù)饋線上的互感器因返回電流的瞬時增大而感生出較高的電勢，該電勢高于正饋線上互感器感生的電勢，調(diào)壓器將捕捉到該電勢信號。下一步，調(diào)壓器將同時切斷發(fā)電機激磁和發(fā)電機接觸器線圈電源，發(fā)電機停止發(fā)電，機上電網(wǎng)也與短路點隔離，從而保證短路故障不對飛機和系統(tǒng)造成持續(xù)影響[4]。

1.2 故障現(xiàn)象

正常工作時，在發(fā)動機起動后，起動發(fā)電機轉(zhuǎn)速會隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升而升高，在達到可建立電壓的最小轉(zhuǎn)速后，起動發(fā)電機將自動建立電壓。若起動發(fā)電機開關(guān)位于“ON”位置，則在地面電源斷開后，機上用電設(shè)備自動由地面電源轉(zhuǎn)為起動發(fā)電機供電。

而在AC312E型機起動后，起動發(fā)電機多次出現(xiàn)無法建立電壓的情況，并且無法通過將起動發(fā)電機開關(guān)置于“RESET”位置使其建立電壓。斷開蓄電池，再重新接通，仍無法建立電壓，只能關(guān)閉發(fā)動機，重新起動，故障隨后消失。

1.3 故障原因分析

1.3.1 機上線路問題

機上線路可能存在接錯、虛焊以及接觸點送不到位等問題，這也是電氣系統(tǒng)最常見的故障原因。檢查與饋線短路保護功能相關(guān)線路，逐段導(dǎo)通好排查。根據(jù)現(xiàn)場檢查結(jié)果，機上線路未發(fā)現(xiàn)異常。

1.3.2 成品故障問題

若調(diào)壓器自身存在不建壓問題，則發(fā)電機始終不能建壓，饋線短路保護之前的檢查也無法進行，并且左、右兩側(cè)均會出現(xiàn)，兩側(cè)調(diào)壓器同時出現(xiàn)故障的可能性極低，因此可排除成品出現(xiàn)故障的原因。

1.3.3 成品自身缺陷原因

若成品自身功能存在缺陷，則可能出現(xiàn)此類工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象，但AC312E型機選用的調(diào)壓器與互感器均已在Y12E型機上應(yīng)用，而Y12E型機上未出現(xiàn)此現(xiàn)象。再次比對兩個機型的原理圖，發(fā)現(xiàn)在發(fā)電相關(guān)的設(shè)備部分接線存在差異[5]。Y12E型機發(fā)電部分接線如圖2所示。

Y12E型機的接線沿用了Y12系列機，AC312E型機的接線則完全按照泰雷茲公司提供的資料[6,7]。起動發(fā)電機的C點為起動輸入，B點為發(fā)電輸出。Y12E型機則通過起動發(fā)電轉(zhuǎn)換接觸器使其匯到同一根線上，而AC312E型機的這兩點在到達發(fā)電機匯流條之前完全隔離。這一接線的變化導(dǎo)致了兩個機型工作邏輯上的差別[8]。

AC312E型機發(fā)電部分接線如圖3所示。

圖3 AC312E型機發(fā)電部分接線

對于Y12E型機，無論是起動還是發(fā)電階段，始終有電流流經(jīng)正饋線上的互感器，兩個互感器感生的電勢始終會相互抵消。而對于AC312E型機，在起動階段，正饋線上的互感器不會流過電流，即起動階段只有負(fù)饋線上的互感器會感生電勢，并將該信號傳遞給調(diào)壓器。

經(jīng)詢問泰雷茲公司，確定起動階段不會觸發(fā)饋線短路保護功能，且未提供其他技術(shù)支持。為確定故障具體原因，需進一步分析系統(tǒng)中各相關(guān)器件工作特性。饋線短路保護功能由調(diào)壓器實現(xiàn)，該功能在起動階段的抑制也是由調(diào)壓器控制。起動信號是先由調(diào)壓器收到后，再向其他相關(guān)器件供電。因此，饋線短路保護功能的抑制信號是與調(diào)壓器接收到的起動信號同步的，而起動接觸器觸點的釋放具有一定的延時，該延時是接觸器類型器件的固有特性，無法消除[9]。

AC312E型機選用的接觸器動作延時特性中，吸合延時為30 ms，釋放延時為20 ms。當(dāng)起動發(fā)電機的工作狀態(tài)由起動轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，饋線短路保護抑制信號消失，而起動接觸器因延時特性將維持吸合約20 ms后斷開。此時，調(diào)壓器將探測到負(fù)饋線上互感器感生的電勢信號，進而觸發(fā)饋線短路保護功能。相關(guān)信號通斷時間對比如圖4所示。

圖4 信號通斷時間對比

起動工作結(jié)束后，饋線短路保護抑制信號先于饋線短路保護信號消失。再向泰雷茲公司詢問饋線短路保護抑制功能的延時，答復(fù)為20 ms左右，剛好與接觸器的釋放延時重疊。考慮到兩個延時的公差，當(dāng)接觸器先于抑制功能斷開時，不會觸發(fā)誤保護，當(dāng)接觸器晚于抑制功能斷開時，則會觸發(fā)誤保護，這與機上觀察到的故障現(xiàn)象是一致的。

1.4 故障隔離驗證

為確認(rèn)上述分析，在科研機上進行了驗證。由于饋線短路保護控制邏輯均在調(diào)壓器內(nèi)部完成，在外部無法直接測量，需通過將調(diào)壓器與兩個互感器的接線全部斷開的方式來隔離感應(yīng)電勢誤觸發(fā)饋線短路保護功能。在后續(xù)的科研試飛過程中，觀察起動發(fā)動機后起動發(fā)電機是否可正常發(fā)電。

在半年的科研試飛期間未再出現(xiàn)該故障，至此可確定該故障是由互感器誤觸發(fā)饋線短路保護功能所導(dǎo)致。

2 解決方案

2.1 方案確定

泰雷茲公司提出的改進方案為在調(diào)壓器外部更改線路，利用起動接觸器的輔助觸點使互感器線圈回路受起動接觸器控制，在起動接觸器工作時同時斷開，以達到隔離故障信號的目的[10]。具體如圖5所示。

圖5 泰雷茲改進方案

泰雷茲方案中，在起動開始時，隨著起動接觸器的動作，正饋線上的互感器線路被起動接觸器輔助觸點斷開，差動保護線路失效，起動結(jié)束后，隨著起動接觸器輔助觸點回到常閉位置，差動保護線路重新接通。該方案有一定的缺陷，調(diào)壓器為貨架產(chǎn)品，除了為哈飛配套，后續(xù)還可能向其他主機廠推介。這將導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷進一步擴散，引起更多的故障出現(xiàn)，而且起動接觸器的主觸點和輔助觸點的動作也不是完全同步的，不能夠保證徹底解決問題。

經(jīng)與泰雷茲公司技術(shù)人員討論，綜合考慮了科研進度、更改成本及邏輯影響等因素，計劃在調(diào)壓器內(nèi)增加饋線短路保護抑制信號延時，增加的延時將使線短路保護抑制信號覆蓋主接觸器釋放的延時時間，避免饋線短路保護功能誤觸發(fā)。

饋線短路保護抑制信號延時更改后，相關(guān)信號通斷時間對比如圖6所示。

圖6 增加延時方案

2.2 機上驗證

由泰雷茲公司提供1架份增加饋線短路保護抑制信號延時的調(diào)壓器，用于哈飛驗證改進效果。改進的調(diào)壓器裝機后，隨其他科目進行了半年的科研試飛，并包含后續(xù)的適航審查試飛。在此期間，故障均未復(fù)現(xiàn)，至此可以確定此改進方案可行，故障解決。

3 結(jié) 論

盡管調(diào)壓器與互感器為沿用產(chǎn)品，但線路上微小的差異最后導(dǎo)致了系統(tǒng)工作異常，這也是電氣系統(tǒng)的主要特點。任何原理變化都需反復(fù)論證，分析其對系統(tǒng)功能的影響，不可過分依賴使用經(jīng)驗。通過優(yōu)化發(fā)電機饋線短路保護功能延時，避免在發(fā)動機起動過程中出現(xiàn)誤保護情況，改進了饋線短路保護功能，提高了電源系統(tǒng)可靠性。