饋線短路保護(hù)門限值對(duì)發(fā)電機(jī)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(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電壓，控制發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)和退網(wǎng)，提供過壓保護(hù)、過激磁保護(hù)、反流保護(hù)以及饋線短路保護(hù)等[1]。

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

1 理論分析及驗(yàn)證

1.1 饋線短路保護(hù)原理

饋線短路保護(hù)也稱差動(dòng)保護(hù)，一般用電流互感器來感受差動(dòng)電流，通過敏感差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)的電流變化率來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。發(fā)電機(jī)的正負(fù)線上分別穿有一個(gè)互感器，安裝時(shí)需注意互感器上的發(fā)電機(jī)端指向。兩個(gè)互感器指向發(fā)電機(jī)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(hù)原理如圖1所示。

圖1 饋線短路保護(hù)原理

發(fā)電機(jī)饋線上的電流產(chǎn)生變化時(shí)，位于發(fā)電機(jī)正負(fù)線兩端的互感器會(huì)在饋線周圍磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。由于發(fā)電機(jī)的輸出電流與返回電流一致，兩個(gè)互感器所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)可相互抵消。因此，互感器不會(huì)向調(diào)壓器輸出任何信號(hào)。

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

1.2 故障現(xiàn)象

正常工作時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，起動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而升高，在達(dá)到可建立電壓的最小轉(zhuǎn)速后，起動(dòng)發(fā)電機(jī)將自動(dòng)建立電壓。若起動(dòng)發(fā)電機(jī)開關(guān)位于“ON”位置，則在地面電源斷開后，機(jī)上用電設(shè)備自動(dòng)由地面電源轉(zhuǎn)為起動(dòng)發(fā)電機(jī)供電。

而在AC312E型機(jī)起動(dòng)后，起動(dòng)發(fā)電機(jī)多次出現(xiàn)無法建立電壓的情況，并且無法通過將起動(dòng)發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)，重新起動(dòng)，故障隨后消失。

1.3 故障原因分析

1.3.1 機(jī)上線路問題

機(jī)上線路可能存在接錯(cuò)、虛焊以及接觸點(diǎn)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(hù)功能相關(guān)線路，逐段導(dǎo)通好排查。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，機(jī)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?jiǎn)栴}，則發(fā)電機(jī)始終不能建壓，饋線短路保護(hù)之前的檢查也無法進(jìn)行，并且左、右兩側(cè)均會(huì)出現(xiàn)，兩側(cè)調(diào)壓器同時(shí)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(jī)選用的調(diào)壓器與互感器均已在Y12E型機(jī)上應(yīng)用，而Y12E型機(jī)上未出現(xiàn)此現(xiàn)象。再次比對(duì)兩個(gè)機(jī)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(jī)發(fā)電部分接線如圖2所示。

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

AC312E型機(jī)發(fā)電部分接線如圖3所示。

圖3 AC312E型機(jī)發(fā)電部分接線

對(duì)于Y12E型機(jī)，無論是起動(dòng)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(gè)互感器感生的電勢(shì)始終會(huì)相互抵消。而對(duì)于AC312E型機(jī)，在起動(dòng)階段，正饋線上的互感器不會(huì)流過電流，即起動(dòng)階段只有負(fù)饋線上的互感器會(huì)感生電勢(shì)，并將該信號(hào)傳遞給調(diào)壓器。

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

AC312E型機(jī)選用的接觸器動(dòng)作延時(shí)特性中，吸合延時(shí)為30 ms，釋放延時(shí)為20 ms。當(dāng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)由起動(dòng)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，饋線短路保護(hù)抑制信號(hào)消失，而起動(dòng)接觸器因延時(shí)特性將維持吸合約20 ms后斷開。此時(shí)，調(diào)壓器將探測(cè)到負(fù)饋線上互感器感生的電勢(shì)信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)饋線短路保護(hù)功能。相關(guān)信號(hào)通斷時(shí)間對(duì)比如圖4所示。

圖4 信號(hào)通斷時(shí)間對(duì)比

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

1.4 故障隔離驗(yàn)證

為確認(rèn)上述分析，在科研機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。由于饋線短路保護(hù)控制邏輯均在調(diào)壓器內(nèi)部完成，在外部無法直接測(cè)量，需通過將調(diào)壓器與兩個(gè)互感器的接線全部斷開的方式來隔離感應(yīng)電勢(shì)誤觸發(fā)饋線短路保護(hù)功能。在后續(xù)的科研試飛過程中，觀察起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后起動(dòng)發(fā)電機(jī)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(hù)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(jìn)方案為在調(diào)壓器外部更改線路，利用起動(dòng)接觸器的輔助觸點(diǎn)使互感器線圈回路受起動(dòng)接觸器控制，在起動(dòng)接觸器工作時(shí)同時(shí)斷開，以達(dá)到隔離故障信號(hào)的目的[10]。具體如圖5所示。

圖5 泰雷茲改進(jìn)方案

泰雷茲方案中，在起動(dòng)開始時(shí)，隨著起動(dòng)接觸器的動(dòng)作，正饋線上的互感器線路被起動(dòng)接觸器輔助觸點(diǎn)斷開，差動(dòng)保護(hù)線路失效，起動(dòng)結(jié)束后，隨著起動(dòng)接觸器輔助觸點(diǎn)回到常閉位置，差動(dòng)保護(hù)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(jī)廠推介。這將導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷進(jìn)一步擴(kuò)散，引起更多的故障出現(xiàn)，而且起動(dòng)接觸器的主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)的動(dòng)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(jìn)度、更改成本及邏輯影響等因素，計(jì)劃在調(diào)壓器內(nèi)增加饋線短路保護(hù)抑制信號(hào)延時(shí)，增加的延時(shí)將使線短路保護(hù)抑制信號(hào)覆蓋主接觸器釋放的延時(shí)時(shí)間，避免饋線短路保護(hù)功能誤觸發(fā)。

饋線短路保護(hù)抑制信號(hào)延時(shí)更改后，相關(guān)信號(hào)通斷時(shí)間對(duì)比如圖6所示。

圖6 增加延時(shí)方案

2.2 機(jī)上驗(yàn)證

由泰雷茲公司提供1架份增加饋線短路保護(hù)抑制信號(hào)延時(shí)的調(diào)壓器，用于哈飛驗(yàn)證改進(jìn)效果。改進(jìn)的調(diào)壓器裝機(jī)后，隨其他科目進(jìn)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(jìn)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(diǎn)。任何原理變化都需反復(fù)論證，分析其對(duì)系統(tǒng)功能的影響，不可過分依賴使用經(jīng)驗(yàn)。通過優(yōu)化發(fā)電機(jī)饋線短路保護(hù)功能延時(shí)，避免在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中出現(xiàn)誤保護(hù)情況，改進(jìn)了饋線短路保護(hù)功能，提高了電源系統(tǒng)可靠性。