交流發(fā)電機控制器自動驅(qū)動接觸器接通故障分析

王元君，董曉宇

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

APU交流發(fā)電機為直升機提供輔助電能，在主發(fā)動機出現(xiàn)故障時，為機上提供應急電能。APU交流發(fā)電機控制器與交流發(fā)電機及交流配電控制盒配套，實現(xiàn)交流電源系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)與故障保護，控制發(fā)電機與匯流條的連接、斷開等功能。發(fā)電機控制器應能通過GCR、GB的接通和斷開，從而控制發(fā)電機的工作和電能的輸出。交流發(fā)電機配備有一個發(fā)電機接觸器（GB）。某APU交流發(fā)電機控制器跟隨某型直升機在外場進行試驗時發(fā)生故障，未接通發(fā)電機開關時，發(fā)電機控制器自動驅(qū)動APU發(fā)電機接觸器接通并網(wǎng)供電，將外電源擠掉，并上報APU發(fā)電機接觸器故障，造成全機掉電的故障。本文就APU交流發(fā)電機控制器自動接通APU發(fā)電機接觸器的故障進行研究和分析。

1 背景

繼電器廣泛應用于飛機各個系統(tǒng)的控制中，繼電器在控制回路中起著保護、信號傳遞、隔離或功率放大等作用，控制著整個電氣系統(tǒng)的可靠運行。發(fā)電機控制器中也是使用繼電器實現(xiàn)對APU發(fā)電機接觸器的線圈進行控制，實現(xiàn)對GB的通斷控制。繼電器使用過程中常因繼電器觸點故障引起系統(tǒng)工作不正常，尤其是在感性負載電路連接的觸點，觸點氧化、積碳，觸點拉弧燒傷、粘連時有發(fā)生[2]。

GB是聯(lián)系發(fā)電機和匯流條的紐帶，其作用非常重要，發(fā)電機控制器通過檢測GB的輔助觸點來檢測GB的狀態(tài)，與發(fā)電機控制器軟件輸出允許GB接通的驅(qū)動信號進行判斷，作為故障診斷的判據(jù)。可作為GB輔助觸點被燒熔而粘接在一起故障判斷的余度檢測。當發(fā)電機的輸出電能不滿足要求或出現(xiàn)故障時，由AC GCU發(fā)出控制信號關斷GB。

2 故障現(xiàn)象與定位

2.1 故障現(xiàn)象

某APU交流發(fā)電機控制器跟隨某型直升機在外場進行試驗時，未接通發(fā)電機開關時，發(fā)電機控制器自動驅(qū)動APU發(fā)電機接觸器接通并網(wǎng)供電，將外電源擠掉，并上報接觸器故障，造成全機掉電。

故障產(chǎn)品返廠后，先通過開環(huán)試驗臺進行檢測，開環(huán)試驗接線如圖1所示。啟動28V電源，輸出電壓（28±1）V，接通試驗臺產(chǎn)品28V開關；點擊通訊試驗盒顯示屏上的“起動發(fā)送”按鈕，顯示屏顯示“通訊：正常”；點擊通訊試驗盒選擇“允許相連GB接通”，當用于模擬永磁機相電壓的三相交流電源輸出達到6V時，開環(huán)試驗臺上的APU發(fā)電機GB和相連GB狀態(tài)指示燈已點亮，與產(chǎn)品要求不符，發(fā)電機開關未閉合時APU發(fā)電機GB和相連GB狀態(tài)指示燈均應為熄滅狀態(tài)，通訊試驗盒顯示屏顯示APU發(fā)電機GB：接通；相連GB：接通。70ms后，通訊試驗盒報APU發(fā)電機GB：故障；接口板：故障；控制器：故障。此現(xiàn)象與外場故障現(xiàn)象一致，發(fā)電機控制器自動驅(qū)動APU發(fā)電機接觸器接通故障得到復現(xiàn)。

圖1 開環(huán)試驗接線

2.2 原理分析

圖2 是發(fā)電機開關轉(zhuǎn)換接觸器驅(qū)動電路原理圖。PMG-28V為發(fā)電機永磁機整流后輸出電壓，發(fā)電機轉(zhuǎn)動后，PMG-28V信號的電壓值隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升在逐漸升高，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速12000r/min時，PMG-28V信號的電壓值大約為28V。發(fā)電機開關閉合后，GNE-SW（發(fā)電機開關信號，低有效）變?yōu)榈碗娖剑^電器K302線圈通電動作，其常開觸點閉合，將PMG-28V與K301常閉觸點連接在一起，使K202線圈上端接入28V直流電。同時發(fā)電機控制器有軟件程序開始判斷產(chǎn)品是否滿足建壓接通條件，即三相電壓最低相電壓為105+2.5

圖2 發(fā)電機開關轉(zhuǎn)換接觸器驅(qū)動電路原理圖

0V，頻率為380+50Hz。若滿足建壓接通要求，發(fā)電機控制器軟件輸出GBC信號（高電平）驅(qū)動NPN三極管V218飽和導通，繼電器K202線圈通電，其常開觸點閉合，將PMG-28V與GB-ON連接在一起，向接觸器線圈輸出永磁機整流后的電壓并驅(qū)動其接通，使發(fā)電機并網(wǎng)供電。

永磁機整流后的電壓信號PMG-28V與地之間并聯(lián)了一個電容C201，該電容的作用是為了增強驅(qū)動接觸器的能力。APU發(fā)電機GB、相連GB接通前，永磁機整流后的電壓信號PMG-28V向電容充電；APU發(fā)電機GB、相連GB接通過程中，永磁機整流后的電壓信號PMG-28V和電容一起向接觸器線圈供電，這樣能夠提高接觸器線圈上的電壓值。

將該臺發(fā)電機控制器開蓋后，未發(fā)現(xiàn)其他元器件有明顯燒蝕或連接導線燒焦痕跡，產(chǎn)品內(nèi)部所有部件均安裝牢固可靠。根據(jù)故障復現(xiàn)情況可以看出，GB-ON信號輸出驅(qū)動了APU發(fā)電機接觸器使其工作，并將APU發(fā)電機接觸器檢測信號反饋至發(fā)電機控制器，而報出APU發(fā)電機GB故障是因為發(fā)電機控制器軟件輸出的GBC信號與APU發(fā)電機接觸器檢測信號狀態(tài)不一致造成的。也就是說發(fā)電機控制器軟件輸出的GBC信號為低電平，不允許發(fā)電機控制器輸出信號接通APU發(fā)電機接觸器；而APU發(fā)電機接觸器檢測信號狀態(tài)又代表了APU發(fā)電機接觸器已接通，兩個信號不一致時，發(fā)電機控制器通過軟件判斷此時有了問題，而實現(xiàn)了APU發(fā)電機GB故障保護功能。

2.3 故障定位

結合發(fā)電機控制器的接觸器驅(qū)動電路和產(chǎn)品的工作原理，對發(fā)電機控制器出現(xiàn)的自動驅(qū)動APU接觸器接通故障建立了故障樹，共3個底事件，具體見圖3。需要特殊說明的是，底事件1和2是與的關系，底事件1、2與底事件3是或的關系。

圖3 故障樹

(1)繼電器K302觸點粘連

如果繼電器K302的動簧片與常開觸點發(fā)生粘連（即副勵磁機PMG-28VA信號為高電平）且同時三極管V218集電極為低電平時，則繼電器K202會因為線圈得電而誤動作，則GB-ON驅(qū)動信號與永磁機信號PMG-28V連接在一起，發(fā)電機轉(zhuǎn)動后，PMG-28V信號的電壓值隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升在逐漸升高。當永磁機整流電壓超過驅(qū)動接觸器的電壓時，會出現(xiàn)發(fā)電機控制器未閉合發(fā)電機開關而自動驅(qū)動APU接觸器接通的故障。

經(jīng)檢測繼電器K302不存在動簧片與常開觸點發(fā)生粘連，底事件1被排除。

(2)三極管V218擊穿短路

如果三極管V218擊穿短路（集電極因與發(fā)射極短路而接地）且同時副勵磁機PMG-28V信號為高電平時，則繼電器K202會因為線圈得電而誤動作，則GB-ON驅(qū)動信號與永磁機信號PMG-28V連接在一起，發(fā)電機轉(zhuǎn)動后，PMG-28V信號的電壓值隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升在逐漸升高。當永磁機整流電壓超過驅(qū)動接觸器的電壓時，會出現(xiàn)未閉合發(fā)電機開關，發(fā)電機控制器自動驅(qū)動APU接觸器接通的故障。

經(jīng)用萬用表檢測三極管V218的集電極與發(fā)射極不存在短路異常，且后續(xù)控制器更換繼電器K202后，性能檢查試驗均正常，說明三極管V218未被擊穿短路，能夠正常工作，底事件2被排除。

(3)繼電器K202觸點粘連

如果繼電器K202的動簧片與常開觸點發(fā)生粘連，則GB-ON驅(qū)動信號與永磁機信號PMG-28V連接在一起，發(fā)電機轉(zhuǎn)動后，PMG-28V信號的電壓值隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升在逐漸升高。當永磁機整流電壓超過驅(qū)動接觸器的電壓時，會出現(xiàn)未閉合發(fā)電機開關，發(fā)電機控制器自動驅(qū)動APU發(fā)電機接觸器接通的故障。

對繼電器K202進行檢測，發(fā)現(xiàn)該繼電器的一組觸點存在粘連情況，由此會出現(xiàn)導致發(fā)電機控制器不受發(fā)電機開關控制而自動驅(qū)動接觸器接通的故障現(xiàn)象。底事件3無法排除。將發(fā)生觸點粘連的繼電器K202用另一只同型號的繼電器更換后，按產(chǎn)品規(guī)范相關要求進行性能試驗檢查，試驗數(shù)據(jù)符合相關技術要求，見表1，能進一步確認外場出現(xiàn)的自動驅(qū)動接觸器故障是由于繼電器K202發(fā)生觸點粘連引起的。

表1 性能試驗指標記錄

通過以上分析以及排查工作，能夠認定外場出現(xiàn)的交流發(fā)電機控制器自動驅(qū)動發(fā)電機接觸器接通故障現(xiàn)象是由于發(fā)電機控制器統(tǒng)一控制APU發(fā)電機GB和相連GB的繼電器K202的兩組觸點中的一組觸點過流燒蝕粘連所致，及底事件3引起，經(jīng)用萬用表檢測K202的常開觸點存在短路異常。針對上述分析，進行了故障復現(xiàn)工作，將繼電器的常開觸點與常閉觸點用導線短接，以模擬觸點粘連情況。在試驗臺進行分析試驗，故障得到復現(xiàn)。APU接觸器檢測信號此時為低，其狀態(tài)與發(fā)電機控制器軟件輸出的GBC信號不一致，實現(xiàn)APU發(fā)電機GB故障保護，造成全機掉電。

3 機理分析

繼電器觸點的損傷形式主要取決于觸點回路電流的大小。觸點回路電流越大，觸點斷開瞬間的電流變化率就越大，加在觸點間的感應電勢越高，觸點間形成的電場越強，就越有利起弧，且電流越大保持電弧穩(wěn)定的電弧電壓越低，電弧容易保持。電流較大時，會出現(xiàn)觸點拉弧燒傷、粘接。當電流很大時，電弧產(chǎn)生的高溫使接觸材料熔化、氣化或噴濺，不僅陽極產(chǎn)生迅速損耗，陰極也有較大損耗，嚴重拉弧時，會使觸點燒熔、粘合在一起[2]，在閉合壓力的作用下，很容易產(chǎn)生觸點間的熱熔焊。

該繼電器型號為J65/KJZC-064M-027L/01。其每組觸點負載電流為2A，過載能力為10A/130ms。并聯(lián)使用同一驅(qū)動APU接觸器和相連接觸器，雖然每個接觸器的啟動電流不大于7A，但是兩組觸點不能夠完全同步，造成繼電器一組觸點先接通，其瞬時承擔14A的電流，超出其10A的過載能力，工作一段時間后，導致該組觸點過流燒蝕粘連。

將該失效繼電器進行了第三方失效分析，結論為：該繼電器的失效原因是受到異常電應力作用，動簧片與常開觸點之間流經(jīng)大電流，造成動簧片過流熔融，金屬結構之間粘連無法正常動作所致。

4 糾正措施

根據(jù)繼電器觸點電路的負載大小、負載特性，按標準要求合理選用繼電器，提高觸點的帶載能力。此次更改的繼電器與原繼電器封裝、體積、重量一致，試驗數(shù)據(jù)均滿足產(chǎn)品技術要求。對產(chǎn)品使用的所有繼電器進行復查，核實其觸點負載電流是否滿足產(chǎn)品實際使用需要。對驅(qū)動接觸器信號電路進行復查，核實印制板覆銅、印制板連接器以及對外連接導線是否能夠承受啟動接觸器瞬間電流的使用要求。

5 結束語

交流發(fā)電機控制器能夠進行發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)的檢測、監(jiān)控、驅(qū)動、隔離以及故障保護等，作為電力系統(tǒng)的控制中心，其可靠性至關重要。為防止感性負載對繼電器的損傷，可增加熄弧電路，限制感應電勢的大小，使觸點斷開時不承受高電壓，并釋放感性元件存儲的能量。對重要系統(tǒng)可采取繼電器兩對觸點并聯(lián)使用等措施，提高控制可靠性，或采取可靠性高的固態(tài)繼電器代替電磁繼電器。對繼電器的固定采取減振措施，減輕直升機振動對繼電器的影響[2]。