一起與差動保護有關的相電壓不平衡故障的分析與排除

陳海牛 陳池禮 卓偉偉

摘要：因設計保證，相電壓不平衡故障在日常工作中較少出現。差動保護是在發電機內部短路或發電機輸出端點到發電機斷路器之間的饋電線相與相、相與地之間短路時所做的一種保護。正常情況下，很少能將差動保護與電壓不平衡故障聯系起來。本文從一起真實案例的排查入手，探討了發電機電壓調節和差動保護的有關原理，其故障排查思路和方法可供參考。

關鍵詞：差動保護；相電壓；不平衡

Keywords：differential protection；phase voltage；imbalance

0 引言

電壓不平衡是指三相電壓在幅值上不同或相位不是120°，或兼而有之。對于定型的飛機（直升機），電壓的平衡性主要靠電源系統和配電系統的設計來保證。根據飛機電氣系統的設計原則，交流發電機系統的容量對于負載要求均留有較充足的裕度，交流發電機的結構在制造時就保證了嚴格對稱，用電負載的鋪設也基本平衡分布。因此，在日常使用維護中，當發現最高和最低相電壓之差超過3V時，基本可以判定機上系統有故障，需要立即排除。

1 故障情況

一架某型直升機試飛中發現，機電參數顯示器顯示的交流發電機C相電壓偏低（僅113V），而A相117V、B相116V，雖滿足手冊中規定的相電壓應為115±2.3V，但超過了“任意兩相電壓差應不大于3V”的規定。更換晶體調壓器后試車檢查，三相電壓均穩定在115V。次日，飛行前地面試車時發現三相電壓又出現不穩定情況：C相在114～116V之間跳變，A、B相在116～117V之間跳變。隨即更換交流發電機，三相電壓雖不再跳變，但C相113V、A相117V、B相116V；用萬用表測量發電機電壓，與機電參數顯示器的顯示值相同；接通、斷開各交流用電設備，相電壓不平衡現象不變。再次更換晶體調壓器后試車檢查，三相電壓又穩定在115V，但在隨后的試飛中又恢復至C相113V、A相117V、B相116V的狀態。

2 系統的組成

該型直升機交流電源系統包括主交流電源系統和二次交流電源系統。主交流電源系統為115V、400Hz三相四線制系統；二次交流電源采用變壓器由主交流電源變換得到，提供單相26V、400Hz，單相36V、400Hz和三相36V、400Hz電源。

主交流電源系統由1號主交流電源系統和2號主交流電源系統兩個既獨立又可互相轉換的分系統及交流地面電源供電系統組成，其原理框圖如圖1所示。

1號主交流電源分系統（又稱變流器系統）以一臺額定容量為3kVA的三相變流器為中心，具體由三相靜止變流器、三相斷路器、控制保護器和1號電網接觸器等部件組成。三相靜止變流器用于將直流電28V變換為三相115V、400Hz交流電，三相星型接法輸出，額定功率3kVA，安裝于駕駛艙機頭下部。控制保護器與三相靜止變流器配套使用，控制三相靜止變流器輸出和1號電網接觸器的通斷；當三相靜止變流器的輸出電壓、頻率低于規定值時，斷開1號電網接觸器，實現故障隔離；當三相靜止變流器電壓、頻率高于規定值時，則控制三相靜止變流器停止輸出，并斷開1號電網接觸器，實現故障隔離。

2號主交流電源分系統（又稱交流發電機系統）以一臺額定容量為9kVA的交流發電機為中心，具體由交流發電機、晶體調壓器、控制保護器、差動互感器和2號電網接觸器等部件組成。交流發電機用于產生三相120/208V、400Hz交流電，三相星型接法輸出，額定功率9kVA，勵磁直流1.8～8.5A，安裝于主減艙，由發動機經主減速器驅動發電。晶體調壓器與交流發電機配套使用，自動調節發電機勵磁電流的大小，使發電機系統調壓點電壓保持在115±2.3V（相電壓），安裝于設備艙。控制保護器與交流發電機配套使用，控制交流發電機正常起動和停止工作，并控制2號電網接觸器的通斷；當交流發電機系統的調壓點電壓、頻率低于規定值時，斷開2號電網接觸器，實現故障隔離；當調壓點電壓、頻率高于規定值或發電機系統發生差動故障時，則自動切除發電機勵磁，交流發電機停止發電，同時斷開2號電網接觸器，實現故障隔離。差動互感器與控制保護器配合使用，用作交流電源系統發電機饋電線短路保護檢測部件；系統有兩個差動互感器，一個安裝于主減艙，另一個安裝于設備艙交流配電盒內。

正常狀態時，1號主交流電源與2號主交流電源獨立向各自的電網供電。當某個主電源發生故障時，故障電源被隔離而脫開電網，兩電網自動互聯并由正常電源供電。

交流地面電源供電系統主要由交流地面電源插座、地面電源接觸器和外電源監控器等部件組成。外電源監控器用于檢測交流地面電源品質，地面電源品質滿足要求時，接通地面電源接觸器向機上供電；當地面電源品質不滿足要求時，斷開地面電源接觸器。

交流電源系統參數在機電參數顯示器上顯示。

因此，從系統的組成上看，交流發電機系統電壓的不平衡與其他交流電源系統基本無關。

3 交流發電機系統的電壓調節

該型直升機交流發電機的電壓調節由晶體調壓器自動改變發電機的勵磁電流來實現，并且采用了“平均+高相”的檢測控制方式，其原理如圖2所示。

當發生不對稱短路和嚴重負載不對稱時，三相線電壓平均值將大大降低，這時三相平均值電壓調節電路工作的結果是增大勵磁電流，從而使非短路相（或輕負載相）的電壓遠遠超過允許值，可能損壞用電設備。為了防止發生這種現象，晶體調壓器內部設置了高相電壓限制電路，當最高相電壓接近126V時，高相電壓限制電路參與工作，使最高相電壓不大于126V。

可見，“平均”用于正常調壓工作，“高相”用于限制不對稱故障引起的某相電壓的升高，使之不超過極限值。

因此，從電壓調節的原理上來說，該機C相113V、A相117V、B相116V，最大兩相電壓差僅4V的現象，應與晶體調壓器無關。

4 系統的差動保護

短路是一種危險故障，短路相中流過很大的沖擊電流，可能引發火災。產生短路故障的原因可能是發電機或饋線磨損造成絕緣損壞，因振動斷線而搭地，或因其他偶然事故而造成。

為了在發電機內部短路（繞組的相間和匝間）或發電機輸出饋電線的相間或相與中線（地）之間出現任何組合的低阻抗短路時及時切斷發電機的勵磁，并把發電機從電網上脫開，即斷開發電機控制繼電器（控制發電機勵磁電路的接通與斷開，即決定發電機是否發電）和發電機斷路器（發電機輸出接觸器，使發電機與匯流條接通或斷開，即決定發電機是否輸出），從而避免發生危險事故，在本機交流發電機系統中設置了差動保護線路，具體由差動電流互感器T1、T2以及控制保護器、晶體調壓器、2號電網接觸器及其之間的連接線路組成，具體系統接線原理如圖3所示。

差動電流互感器T1、T2是交流發電機系統饋電線短路保護的檢測部件，其內部原理如圖4所示。

差動電流互感器T1、T2型號相同，配合使用。T1是主差動電流互感器，T2是副差動電流互感器，兩差動電流互感器在連接時按圖1所示極性（同名端）首尾串聯組成差動環。

以A相為例說明差動保護線路的工作原理：通過T1、T2原邊A1A2中的電流為I1、I2（因首尾串聯的接線連接方式使其方向相反：T1的A相電流由A1→A2，T2的A相電流由A2→A1），T1、T2對應副邊1、4端輸出電流為I1、I2，則流入兩R1的電流為兩副邊電流之差，即△I=I1-I2=（I1-I2）/K，其中K為互感器的變比。

正常情況下，I1=I2，ΔI=0，在兩R1上形成的差動電壓為0，保護電路不動作。

若在差動保護區內任一點發生短路，如發電機A相饋電線對地產生短路或出現其他故障，發電機A相輸出電流不經過負載或部分經過負載后返回發電機，即通過T1的A1A2中的電流大于通過T2的A2A1中的電流。設短路電流為IK，則△I=（I1-I2）/K=IK/K，即流入兩R1的電流與短路電流成正比。當短路電流達到一定數值（約額定電流的40%）時，在兩R1上形成的差動電壓超過控制保護器中差動保護電路預定的閾值（差動保護動作點），則保護電路動作。

若短路發生在兩差動電流互感器之外，因I1=I2，ΔI=0，差動保護電路仍不動作。

可見，在T1、T2兩差動電流互感器之間的范圍稱為差動保護區，只有在此區域出現短路故障時，差動保護電路立即輸出保護控制信號，從而斷開發電機控制繼電器（內置于控制保護器，切斷發電機勵磁）和發電機輸出接觸器（2號電網接觸器）；若在兩差動電流互感器之外出現短路故障，差動保護電路是不起作用的。

因此，從原理上看，差動保護線路本身與相電壓的調節和平衡性并無關聯。

5 進一步故障排查

按照交流發電機系統工作原理，基于能引發三相電壓不平衡的因數分析，結合前期已開展的工作情況，從動態在線測試和靜態線路檢查兩種方法入手。

在地面試車狀態，用鉗形電流表監測交流發電機系統2號電網接觸器處的三相電流，并未發現C相電流有明顯偏高的情況，因此，外電路三相負載不平衡的因素基本可以排除。

在不接入地面電源和蓄電池的狀態下，檢查交流發電機電纜接線情況和定子繞組情況。

1）脫開交流發電機A相、B相、C相接線柱上的電纜，用微歐計測量交流發電機A相、B相、C相接線柱端（定子繞組）對地的電阻值；用數字萬用表電阻檔測量A相、B相、C相電纜端對地的電阻值，測量A相、B相、C相電纜端對應至2號電網接觸器的A相、B相、C相接線端之間的電阻值。

2）繼續脫開交流發電機a相、b相、c相接線柱上的電纜，用微歐計測量a相、b相、c相電纜端對地的電阻值，交流發電機A-a、B-b、C-c接線柱之間（定子繞組）的電阻值，交流發電機A、B、 C接線柱之間（定子繞組之間）的電阻值。

經過測量發現，交流發電機c相電纜端對地的電阻值異常（約為75Ω），而正常的a相、b相電纜端對地的電阻值均約為1mΩ。進一步檢查發現，在差動保護線路安裝于主減艙的差動電流互感器T1的C1接線柱上的擰緊螺母已經松動，導致交流發電機的C相定子繞組對地存在較大電阻值，從而引起三相電壓不平衡且C相幅值明顯偏低的情況。

擰緊該螺母并恢復各連接電纜，再次進行地面試車和試飛驗證，相電壓不平衡故障被排除。

前期更換晶體調壓器和交流發電機后，相電壓短時正常或不穩定，應是試車或試飛時的機體振動使差動電流互感器T1的C1接線柱上松動的連接電纜出現短時搭接而使性能變化所致。

6 總結及建議

對于電源系統的故障排查，一方面要熟悉系統構造和工作原理，另一方面要善用外接鉗形電流表監測和用微歐計檢查線路搭接等方法手段，才能有效減少不必要的工作環節。

對于交流發電機系統相電壓不平衡故障的主要排查思路是：檢查交流發電機定子繞組某一相或兩相接線是否松動，定子繞組某一相或兩相是否存在斷路或短路（交流發電機三相定子繞組的阻抗是否不對稱）；檢查三相輸出至發電機斷路器之間電纜以及三相至中線接地之間電纜的接線是否松動；檢查外電路三相負載是否不對稱（或在線監測各相電流是否不平衡）。

參考文獻

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