交流发电机控制器自动驱动接触器接通故障分析

王元君，董晓宇

（中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001）

APU交流发电机为直升机提供辅助电能，在主发动机出现故障时，为机上提供应急电能。APU交流发电机控制器与交流发电机及交流配电控制盒配套，实现交流电源系统电压调节与故障保护，控制发电机与汇流条的连接、断开等功能。发电机控制器应能通过GCR、GB的接通和断开，从而控制发电机的工作和电能的输出。交流发电机配备有一个发电机接触器（GB）。某APU交流发电机控制器跟随某型直升机在外场进行试验时发生故障，未接通发电机开关时，发电机控制器自动驱动APU发电机接触器接通并网供电，将外电源挤掉，并上报APU发电机接触器故障，造成全机掉电的故障。本文就APU交流发电机控制器自动接通APU发电机接触器的故障进行研究和分析。

1 背景

继电器广泛应用于飞机各个系统的控制中，继电器在控制回路中起着保护、信号传递、隔离或功率放大等作用，控制着整个电气系统的可靠运行。发电机控制器中也是使用继电器实现对APU发电机接触器的线圈进行控制，实现对GB的通断控制。继电器使用过程中常因继电器触点故障引起系统工作不正常，尤其是在感性负载电路连接的触点，触点氧化、积碳，触点拉弧烧伤、粘连时有发生[2]。

GB是联系发电机和汇流条的纽带，其作用非常重要，发电机控制器通过检测GB的辅助触点来检测GB的状态，与发电机控制器软件输出允许GB接通的驱动信号进行判断，作为故障诊断的判据。可作为GB辅助触点被烧熔而粘接在一起故障判断的余度检测。当发电机的输出电能不满足要求或出现故障时，由AC GCU发出控制信号关断GB。

2 故障现象与定位

2.1 故障现象

某APU交流发电机控制器跟随某型直升机在外场进行试验时，未接通发电机开关时，发电机控制器自动驱动APU发电机接触器接通并网供电，将外电源挤掉，并上报接触器故障，造成全机掉电。

故障产品返厂后，先通过开环试验台进行检测，开环试验接线如图1所示。启动28V电源，输出电压（28±1）V，接通试验台产品28V开关；点击通讯试验盒显示屏上的“起动发送”按钮，显示屏显示“通讯：正常”；点击通讯试验盒选择“允许相连GB接通”，当用于模拟永磁机相电压的三相交流电源输出达到6V时，开环试验台上的APU发电机GB和相连GB状态指示灯已点亮，与产品要求不符，发电机开关未闭合时APU发电机GB和相连GB状态指示灯均应为熄灭状态，通讯试验盒显示屏显示APU发电机GB：接通；相连GB：接通。70ms后，通讯试验盒报APU发电机GB：故障；接口板：故障；控制器：故障。此现象与外场故障现象一致，发电机控制器自动驱动APU发电机接触器接通故障得到复现。

图1 开环试验接线

2.2 原理分析

图2 是发电机开关转换接触器驱动电路原理图。PMG-28V为发电机永磁机整流后输出电压，发电机转动后，PMG-28V信号的电压值随着发电机转速上升在逐渐升高，当发电机转速达到额定转速12000r/min时，PMG-28V信号的电压值大约为28V。发电机开关闭合后，GNE-SW（发电机开关信号，低有效）变为低电平，继电器K302线圈通电动作，其常开触点闭合，将PMG-28V与K301常闭触点连接在一起，使K202线圈上端接入28V直流电。同时发电机控制器有软件程序开始判断产品是否满足建压接通条件，即三相电压最低相电压为105+2.5

图2 发电机开关转换接触器驱动电路原理图

0V，频率为380+50Hz。若满足建压接通要求，发电机控制器软件输出GBC信号（高电平）驱动NPN三极管V218饱和导通，继电器K202线圈通电，其常开触点闭合，将PMG-28V与GB-ON连接在一起，向接触器线圈输出永磁机整流后的电压并驱动其接通，使发电机并网供电。

永磁机整流后的电压信号PMG-28V与地之间并联了一个电容C201，该电容的作用是为了增强驱动接触器的能力。APU发电机GB、相连GB接通前，永磁机整流后的电压信号PMG-28V向电容充电；APU发电机GB、相连GB接通过程中，永磁机整流后的电压信号PMG-28V和电容一起向接触器线圈供电，这样能够提高接触器线圈上的电压值。

将该台发电机控制器开盖后，未发现其他元器件有明显烧蚀或连接导线烧焦痕迹，产品内部所有部件均安装牢固可靠。根据故障复现情况可以看出，GB-ON信号输出驱动了APU发电机接触器使其工作，并将APU发电机接触器检测信号反馈至发电机控制器，而报出APU发电机GB故障是因为发电机控制器软件输出的GBC信号与APU发电机接触器检测信号状态不一致造成的。也就是说发电机控制器软件输出的GBC信号为低电平，不允许发电机控制器输出信号接通APU发电机接触器；而APU发电机接触器检测信号状态又代表了APU发电机接触器已接通，两个信号不一致时，发电机控制器通过软件判断此时有了问题，而实现了APU发电机GB故障保护功能。

2.3 故障定位

结合发电机控制器的接触器驱动电路和产品的工作原理，对发电机控制器出现的自动驱动APU接触器接通故障建立了故障树，共3个底事件，具体见图3。需要特殊说明的是，底事件1和2是与的关系，底事件1、2与底事件3是或的关系。

图3 故障树

(1)继电器K302触点粘连

如果继电器K302的动簧片与常开触点发生粘连（即副励磁机PMG-28VA信号为高电平）且同时三极管V218集电极为低电平时，则继电器K202会因为线圈得电而误动作，则GB-ON驱动信号与永磁机信号PMG-28V连接在一起，发电机转动后，PMG-28V信号的电压值随着发电机转速上升在逐渐升高。当永磁机整流电压超过驱动接触器的电压时，会出现发电机控制器未闭合发电机开关而自动驱动APU接触器接通的故障。

经检测继电器K302不存在动簧片与常开触点发生粘连，底事件1被排除。

(2)三极管V218击穿短路

如果三极管V218击穿短路（集电极因与发射极短路而接地）且同时副励磁机PMG-28V信号为高电平时，则继电器K202会因为线圈得电而误动作，则GB-ON驱动信号与永磁机信号PMG-28V连接在一起，发电机转动后，PMG-28V信号的电压值随着发电机转速上升在逐渐升高。当永磁机整流电压超过驱动接触器的电压时，会出现未闭合发电机开关，发电机控制器自动驱动APU接触器接通的故障。

经用万用表检测三极管V218的集电极与发射极不存在短路异常，且后续控制器更换继电器K202后，性能检查试验均正常，说明三极管V218未被击穿短路，能够正常工作，底事件2被排除。

(3)继电器K202触点粘连

如果继电器K202的动簧片与常开触点发生粘连，则GB-ON驱动信号与永磁机信号PMG-28V连接在一起，发电机转动后，PMG-28V信号的电压值随着发电机转速上升在逐渐升高。当永磁机整流电压超过驱动接触器的电压时，会出现未闭合发电机开关，发电机控制器自动驱动APU发电机接触器接通的故障。

对继电器K202进行检测，发现该继电器的一组触点存在粘连情况，由此会出现导致发电机控制器不受发电机开关控制而自动驱动接触器接通的故障现象。底事件3无法排除。将发生触点粘连的继电器K202用另一只同型号的继电器更换后，按产品规范相关要求进行性能试验检查，试验数据符合相关技术要求，见表1，能进一步确认外场出现的自动驱动接触器故障是由于继电器K202发生触点粘连引起的。

表1 性能试验指标记录

通过以上分析以及排查工作，能够认定外场出现的交流发电机控制器自动驱动发电机接触器接通故障现象是由于发电机控制器统一控制APU发电机GB和相连GB的继电器K202的两组触点中的一组触点过流烧蚀粘连所致，及底事件3引起，经用万用表检测K202的常开触点存在短路异常。针对上述分析，进行了故障复现工作，将继电器的常开触点与常闭触点用导线短接，以模拟触点粘连情况。在试验台进行分析试验，故障得到复现。APU接触器检测信号此时为低，其状态与发电机控制器软件输出的GBC信号不一致，实现APU发电机GB故障保护，造成全机掉电。

3 机理分析

继电器触点的损伤形式主要取决于触点回路电流的大小。触点回路电流越大，触点断开瞬间的电流变化率就越大，加在触点间的感应电势越高，触点间形成的电场越强，就越有利起弧，且电流越大保持电弧稳定的电弧电压越低，电弧容易保持。电流较大时，会出现触点拉弧烧伤、粘接。当电流很大时，电弧产生的高温使接触材料熔化、气化或喷溅，不仅阳极产生迅速损耗，阴极也有较大损耗，严重拉弧时，会使触点烧熔、粘合在一起[2]，在闭合压力的作用下，很容易产生触点间的热熔焊。

该继电器型号为J65/KJZC-064M-027L/01。其每组触点负载电流为2A，过载能力为10A/130ms。并联使用同一驱动APU接触器和相连接触器，虽然每个接触器的启动电流不大于7A，但是两组触点不能够完全同步，造成继电器一组触点先接通，其瞬时承担14A的电流，超出其10A的过载能力，工作一段时间后，导致该组触点过流烧蚀粘连。

将该失效继电器进行了第三方失效分析，结论为：该继电器的失效原因是受到异常电应力作用，动簧片与常开触点之间流经大电流，造成动簧片过流熔融，金属结构之间粘连无法正常动作所致。

4 纠正措施

根据继电器触点电路的负载大小、负载特性，按标准要求合理选用继电器，提高触点的带载能力。此次更改的继电器与原继电器封装、体积、重量一致，试验数据均满足产品技术要求。对产品使用的所有继电器进行复查，核实其触点负载电流是否满足产品实际使用需要。对驱动接触器信号电路进行复查，核实印制板覆铜、印制板连接器以及对外连接导线是否能够承受启动接触器瞬间电流的使用要求。

5 结束语

交流发电机控制器能够进行发电机及发电系统的检测、监控、驱动、隔离以及故障保护等，作为电力系统的控制中心，其可靠性至关重要。为防止感性负载对继电器的损伤，可增加熄弧电路，限制感应电势的大小，使触点断开时不承受高电压，并释放感性元件存储的能量。对重要系统可采取继电器两对触点并联使用等措施，提高控制可靠性，或采取可靠性高的固态继电器代替电磁继电器。对继电器的固定采取减振措施，减轻直升机振动对继电器的影响[2]。