饋線短路保護門限值對發電機工作的影響分析

馬靜宇，關思洋，徐野夫，遲曉林

（哈爾濱哈飛航空工業有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

0 引 言

調壓器是電源系統的重要部件，其功能包括調節起動發電機輸出電壓，控制發電機的并網和退網，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型機選用的起動發電機、調壓器及互感器均為法國泰雷茲公司產品。在科研試飛過程中，多次出現發動機起動后起動發電機無法建立電壓的故障，嚴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內的電流變化率來實現保護功能。發電機的正負線上分別穿有一個互感器，安裝時需注意互感器上的發電機端指向。兩個互感器指向發電機的一端彼此相連，另一端均與調壓器相連[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

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

當饋線短路時，發電機輸出電流瞬時增大，并且大部分電流經短路點直接返回至發電機負端，不再流經正饋線上的互感器，位于發電機正線上的互感器感生電勢極小。負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，調壓器將捕捉到該電勢信號。下一步，調壓器將同時切斷發電機激磁和發電機接觸器線圈電源，發電機停止發電，機上電網也與短路點隔離，從而保證短路故障不對飛機和系統造成持續影響[4]。

1.2 故障現象

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

而在AC312E型機起動后，起動發電機多次出現無法建立電壓的情況，并且無法通過將起動發電機開關置于“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，只能關閉發動機，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，這也是電氣系統最常見的故障原因。檢查與饋線短路保護功能相關線路，逐段導通好排查。根據現場檢查結果，機上線路未發現異常。

1.3.2 成品故障問題

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

1.3.3 成品自身缺陷原因

若成品自身功能存在缺陷，則可能出現此類工作不穩定的現象，但AC312E型機選用的調壓器與互感器均已在Y12E型機上應用，而Y12E型機上未出現此現象。再次比對兩個機型的原理圖，發現在發電相關的設備部分接線存在差異[5]。Y12E型機發電部分接線如圖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]。起動發電機的C點為起動輸入，B點為發電輸出。Y12E型機則通過起動發電轉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電機匯流條之前完全隔離。這一接線的變化導致了兩個機型工作邏輯上的差別[8]。

AC312E型機發電部分接線如圖3所示。

圖3 AC312E型機發電部分接線

對于Y12E型機，無論是起動還是發電階段，始終有電流流經正饋線上的互感器，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，即起動階段只有負饋線上的互感器會感生電勢，并將該信號傳遞給調壓器。

經詢問泰雷茲公司，確定起動階段不會觸發饋線短路保護功能，且未提供其他技術支持。為確定故障具體原因，需進一步分析系統中各相關器件工作特性。饋線短路保護功能由調壓器實現，該功能在起動階段的抑制也是由調壓器控制。起動信號是先由調壓器收到后，再向其他相關器件供電。因此，饋線短路保護功能的抑制信號是與調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。當起動發電機的工作狀態由起動轉為發電狀態，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，調壓器將探測到負饋線上互感器感生的電勢信號，進而觸發饋線短路保護功能。相關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，當接觸器先于抑制功能斷開時，不會觸發誤保護，當接觸器晚于抑制功能斷開時，則會觸發誤保護，這與機上觀察到的故障現象是一致的。

1.4 故障隔離驗證

為確認上述分析，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壓器內部完成，在外部無法直接測量，需通過將調壓器與兩個互感器的接線全部斷開的方式來隔離感應電勢誤觸發饋線短路保護功能。在后續的科研試飛過程中，觀察起動發動機后起動發電機是否可正常發電。

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

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，調壓器為貨架產品，除了為哈飛配套，后續還可能向其他主機廠推介。這將導致產品缺陷進一步擴散，引起更多的故障出現，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。

經與泰雷茲公司技術人員討論，綜合考慮了科研進度、更改成本及邏輯影響等因素，計劃在調壓器內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。

饋線短路保護抑制信號延時更改后，相關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壓器，用于哈飛驗證改進效果。改進的調壓器裝機后，隨其他科目進行了半年的科研試飛，并包含后續的適航審查試飛。在此期間，故障均未復現，至此可以確定此改進方案可行，故障解決。

3 結 論

盡管調壓器與互感器為沿用產品，但線路上微小的差異最后導致了系統工作異常，這也是電氣系統的主要特點。任何原理變化都需反復論證，分析其對系統功能的影響，不可過分依賴使用經驗。通過優化發電機饋線短路保護功能延時，避免在發動機起動過程中出現誤保護情況，改進了饋線短路保護功能，提高了電源系統可靠性。