一起与差动保护有关的相电压不平衡故障的分析与排除

陈海牛 陈池礼 卓伟伟

摘要：因设计保证，相电压不平衡故障在日常工作中较少出现。差动保护是在发电机内部短路或發电机输出端点到发电机断路器之间的馈电线相与相、相与地之间短路时所做的一种保护。正常情况下，很少能将差动保护与电压不平衡故障联系起来。本文从一起真实案例的排查入手，探讨了发电机电压调节和差动保护的有关原理，其故障排查思路和方法可供参考。

关键词：差动保护；相电压；不平衡

Keywords：differential protection；phase voltage；imbalance

0 引言

电压不平衡是指三相电压在幅值上不同或相位不是120°，或兼而有之。对于定型的飞机（直升机），电压的平衡性主要靠电源系统和配电系统的设计来保证。根据飞机电气系统的设计原则，交流发电机系统的容量对于负载要求均留有较充足的裕度，交流发电机的结构在制造时就保证了严格对称，用电负载的铺设也基本平衡分布。因此，在日常使用维护中，当发现最高和最低相电压之差超过3V时，基本可以判定机上系统有故障，需要立即排除。

1 故障情况

一架某型直升机试飞中发现，机电参数显示器显示的交流发电机C相电压偏低（仅113V），而A相117V、B相116V，虽满足手册中规定的相电压应为115±2.3V，但超过了“任意两相电压差应不大于3V”的规定。更换晶体调压器后试车检查，三相电压均稳定在115V。次日，飞行前地面试车时发现三相电压又出现不稳定情况：C相在114～116V之间跳变，A、B相在116～117V之间跳变。随即更换交流发电机，三相电压虽不再跳变，但C相113V、A相117V、B相116V；用万用表测量发电机电压，与机电参数显示器的显示值相同；接通、断开各交流用电设备，相电压不平衡现象不变。再次更换晶体调压器后试车检查，三相电压又稳定在115V，但在随后的试飞中又恢复至C相113V、A相117V、B相116V的状态。

2 系统的组成

该型直升机交流电源系统包括主交流电源系统和二次交流电源系统。主交流电源系统为115V、400Hz三相四线制系统；二次交流电源采用变压器由主交流电源变换得到，提供单相26V、400Hz，单相36V、400Hz和三相36V、400Hz电源。

主交流电源系统由1号主交流电源系统和2号主交流电源系统两个既独立又可互相转换的分系统及交流地面电源供电系统组成，其原理框图如图1所示。

1号主交流电源分系统（又称变流器系统）以一台额定容量为3kVA的三相变流器为中心，具体由三相静止变流器、三相断路器、控制保护器和1号电网接触器等部件组成。三相静止变流器用于将直流电28V变换为三相115V、400Hz交流电，三相星型接法输出，额定功率3kVA，安装于驾驶舱机头下部。控制保护器与三相静止变流器配套使用，控制三相静止变流器输出和1号电网接触器的通断；当三相静止变流器的输出电压、频率低于规定值时，断开1号电网接触器，实现故障隔离；当三相静止变流器电压、频率高于规定值时，则控制三相静止变流器停止输出，并断开1号电网接触器，实现故障隔离。

2号主交流电源分系统（又称交流发电机系统）以一台额定容量为9kVA的交流发电机为中心，具体由交流发电机、晶体调压器、控制保护器、差动互感器和2号电网接触器等部件组成。交流发电机用于产生三相120/208V、400Hz交流电，三相星型接法输出，额定功率9kVA，励磁直流1.8～8.5A，安装于主减舱，由发动机经主减速器驱动发电。晶体调压器与交流发电机配套使用，自动调节发电机励磁电流的大小，使发电机系统调压点电压保持在115±2.3V（相电压），安装于设备舱。控制保护器与交流发电机配套使用，控制交流发电机正常起动和停止工作，并控制2号电网接触器的通断；当交流发电机系统的调压点电压、频率低于规定值时，断开2号电网接触器，实现故障隔离；当调压点电压、频率高于规定值或发电机系统发生差动故障时，则自动切除发电机励磁，交流发电机停止发电，同时断开2号电网接触器，实现故障隔离。差动互感器与控制保护器配合使用，用作交流电源系统发电机馈电线短路保护检测部件；系统有两个差动互感器，一个安装于主减舱，另一个安装于设备舱交流配电盒内。

正常状态时，1号主交流电源与2号主交流电源独立向各自的电网供电。当某个主电源发生故障时，故障电源被隔离而脱开电网，两电网自动互联并由正常电源供电。

交流地面电源供电系统主要由交流地面电源插座、地面电源接触器和外电源监控器等部件组成。外电源监控器用于检测交流地面电源品质，地面电源品质满足要求时，接通地面电源接触器向机上供电；当地面电源品质不满足要求时，断开地面电源接触器。

交流电源系统参数在机电参数显示器上显示。

因此，从系统的组成上看，交流发电机系统电压的不平衡与其他交流电源系统基本无关。

3 交流发电机系统的电压调节

该型直升机交流发电机的电压调节由晶体调压器自动改变发电机的励磁电流来实现，并且采用了“平均+高相”的检测控制方式，其原理如图2所示。

当发生不对称短路和严重负载不对称时，三相线电压平均值将大大降低，这时三相平均值电压调节电路工作的结果是增大励磁电流，从而使非短路相（或轻负载相）的电压远远超过允许值，可能损坏用电设备。为了防止发生这种现象，晶体调压器内部设置了高相电压限制电路，当最高相电压接近126V时，高相电压限制电路参与工作，使最高相电压不大于126V。

可见，“平均”用于正常调压工作，“高相”用于限制不对称故障引起的某相电压的升高，使之不超过极限值。

因此，从电压调节的原理上来说，该机C相113V、A相117V、B相116V，最大两相电压差仅4V的现象，应与晶体调压器无关。

4 系统的差动保护

短路是一种危险故障，短路相中流过很大的冲击电流，可能引发火灾。产生短路故障的原因可能是发电机或馈线磨损造成绝缘损坏，因振动断线而搭地，或因其他偶然事故而造成。

为了在发电机内部短路（绕组的相间和匝间）或发电机输出馈电线的相间或相与中线（地）之间出现任何组合的低阻抗短路时及时切断发电机的励磁，并把发电机从电网上脱开，即断开发电机控制继电器（控制发电机励磁电路的接通与断开，即决定发电机是否发电）和发电机断路器（发电机输出接触器，使发电机与汇流条接通或断开，即决定发电机是否输出），从而避免发生危险事故，在本机交流发电机系统中设置了差动保护线路，具体由差动电流互感器T1、T2以及控制保护器、晶体调压器、2号电网接触器及其之间的连接线路组成，具体系统接线原理如图3所示。

差动电流互感器T1、T2是交流发电机系统馈电线短路保护的检测部件，其内部原理如图4所示。

差动电流互感器T1、T2型号相同，配合使用。T1是主差动电流互感器，T2是副差动电流互感器，两差动电流互感器在连接时按图1所示极性（同名端）首尾串联组成差动环。

以A相为例说明差动保护线路的工作原理：通过T1、T2原边A1A2中的电流为I1、I2（因首尾串联的接线连接方式使其方向相反：T1的A相电流由A1→A2，T2的A相电流由A2→A1），T1、T2对应副边1、4端输出电流为I1、I2，则流入两R1的电流为两副边电流之差，即△I=I1-I2=（I1-I2）/K，其中K为互感器的变比。

正常情况下，I1=I2，ΔI=0，在两R1上形成的差动电压为0，保护电路不动作。

若在差动保护区内任一点发生短路，如发电机A相馈电线对地产生短路或出现其他故障，发电机A相输出电流不经过负载或部分经过负载后返回发电机，即通过T1的A1A2中的电流大于通过T2的A2A1中的电流。设短路电流为IK，则△I=（I1-I2）/K=IK/K，即流入两R1的电流与短路电流成正比。当短路电流达到一定数值（约额定电流的40%）时，在两R1上形成的差动电压超过控制保护器中差动保护电路预定的阈值（差动保护动作点），则保护电路动作。

若短路发生在两差动电流互感器之外，因I1=I2，ΔI=0，差动保护电路仍不动作。

可见，在T1、T2两差动电流互感器之间的范围称为差动保护区，只有在此区域出现短路故障时，差动保护电路立即输出保护控制信号，从而断开发电机控制继电器（内置于控制保护器，切断发电机励磁）和发电机输出接触器（2号电网接触器）；若在两差动电流互感器之外出现短路故障，差动保护电路是不起作用的。

因此，从原理上看，差动保护线路本身与相电压的调节和平衡性并无关联。

5 进一步故障排查

按照交流发电机系统工作原理，基于能引发三相电压不平衡的因数分析，结合前期已开展的工作情况，从动态在线测试和静态线路检查两种方法入手。

在地面试车状态，用钳形电流表监测交流发电机系统2号电网接触器处的三相电流，并未发现C相电流有明显偏高的情况，因此，外电路三相负载不平衡的因素基本可以排除。

在不接入地面电源和蓄电池的状态下，检查交流发电机电缆接线情况和定子绕组情况。

1）脱开交流发电机A相、B相、C相接线柱上的电缆，用微欧计测量交流发电机A相、B相、C相接线柱端（定子绕组）对地的电阻值；用数字万用表电阻档测量A相、B相、C相电缆端对地的电阻值，测量A相、B相、C相电缆端对应至2号电网接触器的A相、B相、C相接线端之间的电阻值。

2）继续脱开交流发电机a相、b相、c相接线柱上的电缆，用微欧计测量a相、b相、c相电缆端对地的电阻值，交流发电机A-a、B-b、C-c接线柱之间（定子绕组）的电阻值，交流发电机A、B、 C接线柱之间（定子绕组之间）的电阻值。

经过测量发现，交流发电机c相电缆端对地的电阻值异常（约为75Ω），而正常的a相、b相电缆端对地的电阻值均约为1mΩ。进一步检查发现，在差动保护线路安装于主减舱的差动电流互感器T1的C1接线柱上的拧紧螺母已经松动，导致交流发电机的C相定子绕组对地存在较大电阻值，从而引起三相电压不平衡且C相幅值明显偏低的情况。

拧紧该螺母并恢复各连接电缆，再次进行地面试车和试飞验证，相电压不平衡故障被排除。

前期更换晶体调压器和交流发电机后，相电压短时正常或不稳定，应是试车或试飞时的机体振动使差动电流互感器T1的C1接线柱上松动的连接电缆出现短时搭接而使性能变化所致。

6 總结及建议

对于电源系统的故障排查，一方面要熟悉系统构造和工作原理，另一方面要善用外接钳形电流表监测和用微欧计检查线路搭接等方法手段，才能有效减少不必要的工作环节。

对于交流发电机系统相电压不平衡故障的主要排查思路是：检查交流发电机定子绕组某一相或两相接线是否松动，定子绕组某一相或两相是否存在断路或短路（交流发电机三相定子绕组的阻抗是否不对称）；检查三相输出至发电机断路器之间电缆以及三相至中线接地之间电缆的接线是否松动；检查外电路三相负载是否不对称（或在线监测各相电流是否不平衡）。

参考文献

[1]马述训，等.飞机设计手册 第16册 电气系统设计[M].北京：航空工业出版社，1999.

[2]中国直升机设计研究所.某型运输直升机技术使用手册[Z]. 2013.