機載交流電源系統差動保護故障分析

■ 宮曉峰 黃丙寅/中國飛行試驗研究院

交流電源系統的保護模式有過壓/欠壓保護、過頻/欠頻保護、過流保護、差動保護等形式，其中，差動保護因其響應速度快，在交流電源系統中得到廣泛應用。但差動保護的靈敏度較高，電源系統的差動保護功能一旦失效，輕則將造成系統告警，影響任務執行，重則將導致飛機斷電，危及飛機和飛行員的安全。

1 故障現象

某型飛機在完成大機動動作后，交流電源系統發生保護性斷電，機上“主交流”告警燈燃亮，應急電源系統投入工作。飛行員按規定程序對交流供電系統進行復位，交流電源系統未能恢復工作，只能中斷飛行任務提前返航，由應急供電系統和直流供電系統供電至飛行結束。

查看機上故障記錄，報出“交流電源系統故障”信息。讀取飛行參數記錄，報出“發電機互感器引起的差動保護”故障。從由飛參采集的數據波形中可以看出，故障時A相差動電流有臺階式階躍，最大可達50A以上，超過差動保護門限，三相電源的輸出穩定且在規定范圍。

2 機載電源系統差動保護模式與原理分析

差動保護是利用基爾霍夫電流定理進行工作的，即同一時間內流經同一饋線的電流應基本相等，差動電流I0=I1-I2。當機載交流電源系統正常工作時，處于交流電源系統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信號無輸出，即I0≈0，交流接觸器無動作。當機載交流電源系統故障時，處于交流電源系統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（設計保護電流差），則控制器中輸出差動保護信號，交流接觸器動作，斷開交流電源通路，實現保護功能。系統原理如圖1所示。

由機載電源系統差動保護原理可知，觸發差動保護的原因有：

1）交流電源系統主饋線故障；

2）電源系統控制器故障；

3）差動保護線路故障；

4）發電機內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

通過對故障現象的判斷、對飛行參數的解讀和對系統原理的分析可知，導致上述差動保護的原因可能為“發電機電流互感器發生故障直接引起電流采樣異常”或“發電機控制器內部電流互感器的電流采樣電路故障”，本著由簡入繁的原則，對機上相關部件進行排查定位。

1）測量發電機內部電流互感器三相電阻值，三相電阻均衡，結果符合要求。

圖1 差動保護系統原理

2）測量電源艙線路電流互感器三相電阻值，三相電阻均衡，結果符合要求。

3）測量控制器內部發電機電流互感器三相采樣電路的電阻值，三相電阻均衡，結果符合要求。

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

5）在機上進行控制器維護自檢，結果正常。

6）進行發電機輸出饋線檢查，外觀完好，測量結果正常。

通過原位檢測未發現引發差動保護的誘發原因，需對相關部件進行進一步分解檢查。將與故障相關的交流發電機、控制器和交流互感器拆下，返廠進行檢測和試驗。

進行測試臺檢測試驗，地面加載負載電流工作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），并且差動電流持續變大，達30A以上，并在65ms后實行差動保護。此現象滿足差動保護條件（即差動電流值超過額定值且持續周期超過60ms），因此發電機控制器實施差動保護，造成主交流斷電，與飛機上的故障現象一致。

重新測量交流發電機插座端電流互感器繞組的電阻值，發現交流發電機內部電流互感器A相電阻值異常，阻值為1MΩ，其余各繞組電阻值均符合要求，測量結果見表1。

表1 電流互感器繞組電阻值測量表

進一步檢查發現，交流發電機電流互感器A相引出線在電連接器插針焊接處焊點脫開。分析認為，脫焊原因是手工焊接操作時，烙鐵預熱不充分，造成接點虛焊，長時間在各種環境條件的作用下，焊接部位脫焊。在飛機振動環境下，此焊接點時連時斷，導致外場測量時未能對故障進行直接定位。

針對本次故障，后期通過完善過程控制要求，對導線、插針孔掛錫后增加檢驗，對員工進行技能操作培訓和質量意識教育，可以有效提高產品質量，降低故障發生的概率。

4 機載交流電源系統差動保護的優化改進

差動保護的設計理念是為了保障交流電源系統在受到損傷產生短路或斷路時，控制系統退出工作，以保證機載設備的運行安全。但上述故障中交流電源系統本身并未發生故障，而是由于差動保護線路本身的原因導致交流系統報故退出工作，影響了飛行任務的執行，增加了維修成本。

機載交流電源系統一般為三相交流系統，且一般都設置過流保護功能，隨著檢測技術的不斷發展和進步，可以通過對比來判斷主系統的工作狀態，從而杜絕由于保護線路故障導致主系統退出工作的情況。

當系統檢測到差動保護信號時，按照設計邏輯首先切斷交流電源系統的供電，保護系統免受可能存在的故障威脅。對比系統記錄的系統工作參數，進一步確認系統是否發生差動檢測鏈路故障，由于機上還有過流、過/欠壓、過/欠頻等保護措施，可以通過邏輯判斷交流電源系統是否退出或恢復工作。具體控制或緩解措施如下：

1）判斷系統電流是否出現過流或斷流現象，如出現則置差動保護標志并進行保護，同時禁止系統復位。

2）判斷系統如未出現過流或斷流現象，則進行交流電源系統故障告警，不再持續置差動保護標志，在對系統復位后恢復供電，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應基本一致，如三相電源差值超出規定范圍則實施保護，否則可判斷為主系統正常，僅進行告警和記錄，不切斷電源系統工作。

4）進一步改進差動保護系統的自檢測能力，當其自身出現故障時能夠切斷系統差動保護功能。

5 結束語

電源系統差動保護因其靈敏性高而得到廣泛應用，同時對差動保護系統本身的穩定性也提出了更高的要求。尤其是在機載復雜環境下，在提高元器件可靠性和穩定性的同時，應對系統的保護機制進行深入探索，最大限度地保證機載系統高效穩定運行。同時，應加強外場檢測和定位技術，提升飛機維修保障能力，確保飛機更好地完成飛行任務。