机载交流电源系统差动保护故障分析

■ 宫晓峰 黄丙寅/中国飞行试验研究院

交流电源系统的保护模式有过压/欠压保护、过频/欠频保护、过流保护、差动保护等形式，其中，差动保护因其响应速度快，在交流电源系统中得到广泛应用。但差动保护的灵敏度较高，电源系统的差动保护功能一旦失效，轻则将造成系统告警，影响任务执行，重则将导致飞机断电，危及飞机和飞行员的安全。

1 故障现象

某型飞机在完成大机动动作后，交流电源系统发生保护性断电，机上“主交流”告警灯燃亮，应急电源系统投入工作。飞行员按规定程序对交流供电系统进行复位，交流电源系统未能恢复工作，只能中断飞行任务提前返航，由应急供电系统和直流供电系统供电至飞行结束。

查看机上故障记录，报出“交流电源系统故障”信息。读取飞行参数记录，报出“发电机互感器引起的差动保护”故障。从由飞参采集的数据波形中可以看出，故障时A相差动电流有台阶式阶跃，最大可达50A以上，超过差动保护门限，三相电源的输出稳定且在规定范围。

2 机载电源系统差动保护模式与原理分析

差动保护是利用基尔霍夫电流定理进行工作的，即同一时间内流经同一馈线的电流应基本相等，差动电流I0=I1-I2。当机载交流电源系统正常工作时，处于交流电源系统同一馈线不同位置的交流互感器采集到的电流相等，则控制器中的差动保护信号无输出，即I0≈0，交流接触器无动作。当机载交流电源系统故障时，处于交流电源系统同一馈线不同位置的交流互感器采集到的电流不相等，即I0≥△I（设计保护电流差），则控制器中输出差动保护信号，交流接触器动作，断开交流电源通路，实现保护功能。系统原理如图1所示。

由机载电源系统差动保护原理可知，触发差动保护的原因有：

1）交流电源系统主馈线故障；

2）电源系统控制器故障；

3）差动保护线路故障；

4）发电机内部电流互感器或电源舱电流互感器故障。

3 故障定位与排除

通过对故障现象的判断、对飞行参数的解读和对系统原理的分析可知，导致上述差动保护的原因可能为“发电机电流互感器发生故障直接引起电流采样异常”或“发电机控制器内部电流互感器的电流采样电路故障”，本着由简入繁的原则，对机上相关部件进行排查定位。

1）测量发电机内部电流互感器三相电阻值，三相电阻均衡，结果符合要求。

图1 差动保护系统原理

2）测量电源舱线路电流互感器三相电阻值，三相电阻均衡，结果符合要求。

3）测量控制器内部发电机电流互感器三相采样电路的电阻值，三相电阻均衡，结果符合要求。

4）测量控制器内部线路电流互感器三相采样电路的电阻值，三相电阻均衡，结果符合要求。

5）在机上进行控制器维护自检，结果正常。

6）进行发电机输出馈线检查，外观完好，测量结果正常。

通过原位检测未发现引发差动保护的诱发原因，需对相关部件进行进一步分解检查。将与故障相关的交流发电机、控制器和交流互感器拆下，返厂进行检测和试验。

进行测试台检测试验，地面加载负载电流工作5min后，A相电流互感器电流开始向小电流跳跃（其他相电流正常），并且差动电流持续变大，达30A以上，并在65ms后实行差动保护。此现象满足差动保护条件（即差动电流值超过额定值且持续周期超过60ms），因此发电机控制器实施差动保护，造成主交流断电，与飞机上的故障现象一致。

重新测量交流发电机插座端电流互感器绕组的电阻值，发现交流发电机内部电流互感器A相电阻值异常，阻值为1MΩ，其余各绕组电阻值均符合要求，测量结果见表1。

表1 电流互感器绕组电阻值测量表

进一步检查发现，交流发电机电流互感器A相引出线在电连接器插针焊接处焊点脱开。分析认为，脱焊原因是手工焊接操作时，烙铁预热不充分，造成接点虚焊，长时间在各种环境条件的作用下，焊接部位脱焊。在飞机振动环境下，此焊接点时连时断，导致外场测量时未能对故障进行直接定位。

针对本次故障，后期通过完善过程控制要求，对导线、插针孔挂锡后增加检验，对员工进行技能操作培训和质量意识教育，可以有效提高产品质量，降低故障发生的概率。

4 机载交流电源系统差动保护的优化改进

差动保护的设计理念是为了保障交流电源系统在受到损伤产生短路或断路时，控制系统退出工作，以保证机载设备的运行安全。但上述故障中交流电源系统本身并未发生故障，而是由于差动保护线路本身的原因导致交流系统报故退出工作，影响了飞行任务的执行，增加了维修成本。

机载交流电源系统一般为三相交流系统，且一般都设置过流保护功能，随着检测技术的不断发展和进步，可以通过对比来判断主系统的工作状态，从而杜绝由于保护线路故障导致主系统退出工作的情况。

当系统检测到差动保护信号时，按照设计逻辑首先切断交流电源系统的供电，保护系统免受可能存在的故障威胁。对比系统记录的系统工作参数，进一步确认系统是否发生差动检测链路故障，由于机上还有过流、过/欠压、过/欠频等保护措施，可以通过逻辑判断交流电源系统是否退出或恢复工作。具体控制或缓解措施如下：

1）判断系统电流是否出现过流或断流现象，如出现则置差动保护标志并进行保护，同时禁止系统复位。

2）判断系统如未出现过流或断流现象，则进行交流电源系统故障告警，不再持续置差动保护标志，在对系统复位后恢复供电，向飞行员告警并记录故障信息。

3）判断三相电源的实际工作状态应基本一致，如三相电源差值超出规定范围则实施保护，否则可判断为主系统正常，仅进行告警和记录，不切断电源系统工作。

4）进一步改进差动保护系统的自检测能力，当其自身出现故障时能够切断系统差动保护功能。

5 结束语

电源系统差动保护因其灵敏性高而得到广泛应用，同时对差动保护系统本身的稳定性也提出了更高的要求。尤其是在机载复杂环境下，在提高元器件可靠性和稳定性的同时，应对系统的保护机制进行深入探索，最大限度地保证机载系统高效稳定运行。同时，应加强外场检测和定位技术，提升飞机维修保障能力，确保飞机更好地完成飞行任务。