馈线短路保护门限值对发电机工作的影响分析

马静宇，关思洋，徐野夫，迟晓林

（哈尔滨哈飞航空工业有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150066）

0 引 言

调压器是电源系统的重要部件，其功能包括调节起动发电机输出电压，控制发电机的并网和退网，提供过压保护、过激磁保护、反流保护以及馈线短路保护等[1]。

AC312E型机选用的起动发电机、调压器及互感器均为法国泰雷兹公司产品。在科研试飞过程中，多次出现发动机起动后起动发电机无法建立电压的故障，严重影响科研试飞正常进行，急需解决。

1 理论分析及验证

1.1 馈线短路保护原理

馈线短路保护也称差动保护，一般用电流互感器来感受差动电流，通过敏感差动保护区内的电流变化率来实现保护功能。发电机的正负线上分别穿有一个互感器，安装时需注意互感器上的发电机端指向。两个互感器指向发电机的一端彼此相连，另一端均与调压器相连[2,3]。馈线短路保护原理如图1所示。

图1 馈线短路保护原理

发电机馈线上的电流产生变化时，位于发电机正负线两端的互感器会在馈线周围磁场中感应产生电动势。由于发电机的输出电流与返回电流一致，两个互感器所产生的电动势可相互抵消。因此，互感器不会向调压器输出任何信号。

当馈线短路时，发电机输出电流瞬时增大，并且大部分电流经短路点直接返回至发电机负端，不再流经正馈线上的互感器，位于发电机正线上的互感器感生电势极小。负馈线上的互感器因返回电流的瞬时增大而感生出较高的电势，该电势高于正馈线上互感器感生的电势，调压器将捕捉到该电势信号。下一步，调压器将同时切断发电机激磁和发电机接触器线圈电源，发电机停止发电，机上电网也与短路点隔离，从而保证短路故障不对飞机和系统造成持续影响[4]。

1.2 故障现象

正常工作时，在发动机起动后，起动发电机转速会随着发动机转速的上升而升高，在达到可建立电压的最小转速后，起动发电机将自动建立电压。若起动发电机开关位于“ON”位置，则在地面电源断开后，机上用电设备自动由地面电源转为起动发电机供电。

而在AC312E型机起动后，起动发电机多次出现无法建立电压的情况，并且无法通过将起动发电机开关置于“RESET”位置使其建立电压。断开蓄电池，再重新接通，仍无法建立电压，只能关闭发动机，重新起动，故障随后消失。

1.3 故障原因分析

1.3.1 机上线路问题

机上线路可能存在接错、虚焊以及接触点送不到位等问题，这也是电气系统最常见的故障原因。检查与馈线短路保护功能相关线路，逐段导通好排查。根据现场检查结果，机上线路未发现异常。

1.3.2 成品故障问题

若调压器自身存在不建压问题，则发电机始终不能建压，馈线短路保护之前的检查也无法进行，并且左、右两侧均会出现，两侧调压器同时出现故障的可能性极低，因此可排除成品出现故障的原因。

1.3.3 成品自身缺陷原因

若成品自身功能存在缺陷，则可能出现此类工作不稳定的现象，但AC312E型机选用的调压器与互感器均已在Y12E型机上应用，而Y12E型机上未出现此现象。再次比对两个机型的原理图，发现在发电相关的设备部分接线存在差异[5]。Y12E型机发电部分接线如图2所示。

Y12E型机的接线沿用了Y12系列机，AC312E型机的接线则完全按照泰雷兹公司提供的资料[6,7]。起动发电机的C点为起动输入，B点为发电输出。Y12E型机则通过起动发电转换接触器使其汇到同一根线上，而AC312E型机的这两点在到达发电机汇流条之前完全隔离。这一接线的变化导致了两个机型工作逻辑上的差别[8]。

AC312E型机发电部分接线如图3所示。

图3 AC312E型机发电部分接线

对于Y12E型机，无论是起动还是发电阶段，始终有电流流经正馈线上的互感器，两个互感器感生的电势始终会相互抵消。而对于AC312E型机，在起动阶段，正馈线上的互感器不会流过电流，即起动阶段只有负馈线上的互感器会感生电势，并将该信号传递给调压器。

经询问泰雷兹公司，确定起动阶段不会触发馈线短路保护功能，且未提供其他技术支持。为确定故障具体原因，需进一步分析系统中各相关器件工作特性。馈线短路保护功能由调压器实现，该功能在起动阶段的抑制也是由调压器控制。起动信号是先由调压器收到后，再向其他相关器件供电。因此，馈线短路保护功能的抑制信号是与调压器接收到的起动信号同步的，而起动接触器触点的释放具有一定的延时，该延时是接触器类型器件的固有特性，无法消除[9]。

AC312E型机选用的接触器动作延时特性中，吸合延时为30 ms，释放延时为20 ms。当起动发电机的工作状态由起动转为发电状态，馈线短路保护抑制信号消失，而起动接触器因延时特性将维持吸合约20 ms后断开。此时，调压器将探测到负馈线上互感器感生的电势信号，进而触发馈线短路保护功能。相关信号通断时间对比如图4所示。

图4 信号通断时间对比

起动工作结束后，馈线短路保护抑制信号先于馈线短路保护信号消失。再向泰雷兹公司询问馈线短路保护抑制功能的延时，答复为20 ms左右，刚好与接触器的释放延时重叠。考虑到两个延时的公差，当接触器先于抑制功能断开时，不会触发误保护，当接触器晚于抑制功能断开时，则会触发误保护，这与机上观察到的故障现象是一致的。

1.4 故障隔离验证

为确认上述分析，在科研机上进行了验证。由于馈线短路保护控制逻辑均在调压器内部完成，在外部无法直接测量，需通过将调压器与两个互感器的接线全部断开的方式来隔离感应电势误触发馈线短路保护功能。在后续的科研试飞过程中，观察起动发动机后起动发电机是否可正常发电。

在半年的科研试飞期间未再出现该故障，至此可确定该故障是由互感器误触发馈线短路保护功能所导致。

2 解决方案

2.1 方案确定

泰雷兹公司提出的改进方案为在调压器外部更改线路，利用起动接触器的辅助触点使互感器线圈回路受起动接触器控制，在起动接触器工作时同时断开，以达到隔离故障信号的目的[10]。具体如图5所示。

图5 泰雷兹改进方案

泰雷兹方案中，在起动开始时，随着起动接触器的动作，正馈线上的互感器线路被起动接触器辅助触点断开，差动保护线路失效，起动结束后，随着起动接触器辅助触点回到常闭位置，差动保护线路重新接通。该方案有一定的缺陷，调压器为货架产品，除了为哈飞配套，后续还可能向其他主机厂推介。这将导致产品缺陷进一步扩散，引起更多的故障出现，而且起动接触器的主触点和辅助触点的动作也不是完全同步的，不能够保证彻底解决问题。

经与泰雷兹公司技术人员讨论，综合考虑了科研进度、更改成本及逻辑影响等因素，计划在调压器内增加馈线短路保护抑制信号延时，增加的延时将使线短路保护抑制信号覆盖主接触器释放的延时时间，避免馈线短路保护功能误触发。

馈线短路保护抑制信号延时更改后，相关信号通断时间对比如图6所示。

图6 增加延时方案

2.2 机上验证

由泰雷兹公司提供1架份增加馈线短路保护抑制信号延时的调压器，用于哈飞验证改进效果。改进的调压器装机后，随其他科目进行了半年的科研试飞，并包含后续的适航审查试飞。在此期间，故障均未复现，至此可以确定此改进方案可行，故障解决。

3 结 论

尽管调压器与互感器为沿用产品，但线路上微小的差异最后导致了系统工作异常，这也是电气系统的主要特点。任何原理变化都需反复论证，分析其对系统功能的影响，不可过分依赖使用经验。通过优化发电机馈线短路保护功能延时，避免在发动机起动过程中出现误保护情况，改进了馈线短路保护功能，提高了电源系统可靠性。