現(xiàn)代飛機發(fā)電系統(tǒng)及差動保護誤動的機理分析與優(yōu)化策略

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610092)

0 引 言

目前波音、空客的新型飛機系列及國內(nèi)外主要的軍用飛機，大多都采用恒速恒頻(constant speed constant frequency，CSCF)交流電源系統(tǒng)[1]。恒速恒頻交流電源系統(tǒng)最重要的是恒速傳動(constant speed drive，CSD)裝置。利用恒速傳動裝置可將發(fā)動機變速輸出轉(zhuǎn)換為發(fā)電機恒速輸入，并進一步驅(qū)動交流發(fā)電機輸出恒頻交流功率[2-4]。恒速傳動結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復雜、成本高、維護困難、能量利用率低等缺點，雖然在近幾十年的發(fā)展中性能得到了很好的提升[5-7]，但針對發(fā)電系統(tǒng)的故障隱患仍時常出現(xiàn)，嚴重影響飛機性能和飛行安全。

飛機上設備所需的電能大多離不開主交流發(fā)電系統(tǒng)。為了保證飛機可靠運行，除了需對主交流發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進行優(yōu)化，還需在系統(tǒng)安全性和保護上進行改善。為保護在區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障時的主交流發(fā)電機和系統(tǒng)饋線，需通過檢測保護電路部分兩側(cè)互感器的差動電流，通過發(fā)電機控制器觸發(fā)線路接觸器，實現(xiàn)差動保護。但電流互感器(current transformers，CT)飽和、選型錯誤，互感器負荷不平衡等因素都會影響電流差值檢測精度，并進一步影響差動保護性能[8]。文獻[9]提到長時間的直流分量、大的交流分量、混合交直流電流都易導致互感器的飽和，從而影響互感器電流檢測的精度。

為了提高發(fā)電機差動保護的可靠性，有部分學者提出采用偏置技術和高阻抗技術[10]。偏置技術即隨故障電流增加，動態(tài)設置繼電器值。高阻抗技術即設定繼電器阻抗值為高阻抗值。因此，通過限制差動元件的電流小于繼電器動作電流，在一定程度上提高了差動保護的可靠性。然而，上述方法在現(xiàn)代飛機領域使用中的效果不佳[10-13]。研究表明CT具有線性區(qū)域和飽和區(qū)域[10]。在線性區(qū)域內(nèi)，CT能較準確地將一次電流轉(zhuǎn)換到差值檢測控制器中。但在實際飛機故障發(fā)生時，需考慮故障發(fā)生時刻與讀取出偏差電流及其作用于繼電器時刻間存在的時間差值[12]。為了避免在外部故障發(fā)生時差動保護誤動作，文獻[13]提出了一種基于大電流約束的差值判定方法，但當發(fā)生內(nèi)部故障時，差動保護靈敏度較差。文獻[14]對發(fā)電機差動保護中電流互感器飽和問題進行了探究。文獻[15]對大容量發(fā)電機差動保護用電流互感器的選型作了分析。文獻[16]分析了電廠大型發(fā)電機組中互感器檢測一次和二次電流發(fā)生了相位變化的原因。文獻[14-16]對電流互感器分析及差動保護研究，對飛機的發(fā)電系統(tǒng)保護有一定的啟示，但對飛機差動保護誤動原因以及存在的隱患并未作出明確的解釋和分析。目前國內(nèi)外對飛機發(fā)電系統(tǒng)差動保護的研究并不完善，若不能提前發(fā)現(xiàn)供電系統(tǒng)的安全隱患，一旦發(fā)生事故將會造成無法挽回的后果，嚴重影響國內(nèi)民生及飛機的發(fā)展。

下面詳細描述飛機主交流發(fā)電系統(tǒng)及其差動保護原理，并分析了典型的短路故障及差動保護策略。提出了3種可能會造成差動保護誤動作的情形，并提出相應的改進措施。然后，通過電路方程和圖形模擬證明了所提理論分析的正確性，為飛機電氣系統(tǒng)的設計和改善整體安全性能提供了思路和保障。

1 飛機發(fā)電系統(tǒng)原理

目前飛機上最常用的交流發(fā)電機仍為三級式交流勵磁同步發(fā)電機，其原因是該結(jié)構(gòu)可對勵磁進行直接控制，并能實現(xiàn)在發(fā)電機斷開電源的瞬間移除激勵信號，確保發(fā)電機內(nèi)部的安全[1-3]。

1.1 飛機三級式交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)

圖1為簡化的三級同步交流發(fā)電機示意圖，包括副勵磁機、主勵磁機和主發(fā)電機。在圖1所示的發(fā)電機系統(tǒng)中：由第1級的副勵磁機產(chǎn)生電能，該部分的永磁鐵在運動過程中產(chǎn)生固定電樞中所需的三相電壓；進一步可通過發(fā)電機控制單元，調(diào)整交流電壓后作用于第2級主勵磁機部分，以產(chǎn)生穩(wěn)定的直流磁場；永磁鐵勵磁級產(chǎn)生足夠的能量在轉(zhuǎn)子中形成磁場，通過對主勵磁級磁場的控制調(diào)節(jié)主轉(zhuǎn)子的磁場強度，即可產(chǎn)生恒壓115 V輸出。

圖1 三級式交流勵磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)

發(fā)電機控制單元需保證：控制直流電壓幅值，調(diào)節(jié)第3級主發(fā)電機的勵磁電流；在發(fā)電機異常運行時(如過載、短路等故障)，斷開直流電路的電源。直流場通過第2級主勵磁機運動的電樞產(chǎn)生三相交流電壓，該交流電壓隨后轉(zhuǎn)換為直流電壓再反饋給第3級主發(fā)電機的運動的磁場電路。隨原動機同步旋轉(zhuǎn)的整流器再將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。最終可在主發(fā)電機電樞的輸出端得到飛機供電系統(tǒng)所需求的115 V/200 V三相交流電壓，該電壓的頻率由主發(fā)電機的極對數(shù)(p)和原動機軸的機械轉(zhuǎn)速共同決定。

1.2 飛機恒速交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)

通常情況飛機的原動機為主發(fā)動機，在發(fā)動機從空轉(zhuǎn)到全功率過程中，發(fā)動機軸轉(zhuǎn)動速度變化范圍較大，原動機的變速特性嚴重影響了三級式勵磁同步交流發(fā)電機性能的發(fā)揮。為了解決三級式同步交流發(fā)電機變速的問題，引入定速傳動驅(qū)動裝置，將發(fā)動機和三級發(fā)電機軸通過變速傳動齒輪箱機械耦合[1-5]。恒速驅(qū)動將驅(qū)動交流發(fā)電機的變速輸入量轉(zhuǎn)換為恒速輸出量，從而消除發(fā)動機轉(zhuǎn)速大范圍變化對三級式發(fā)電機造成的影響。目前有不少機型的飛機采用這種改進的恒速恒頻交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生穩(wěn)定的115 V/200 V、400 Hz的三相交流電為飛機上的交流負荷供能，或通過整流器轉(zhuǎn)換為直流電后為直流負載提供電能。

2 系統(tǒng)差動保護原理

與飛機發(fā)電機直接相連的主交流匯流條上，通常需安裝接觸器與線路互感器(current transformers of lines，CTL)。通過比較線路互感器采集的電流與發(fā)電機內(nèi)部互感器(current transformers of generator，CTG)采集的電流的差值，用于觸發(fā)保護發(fā)電機與主匯流條供電線路的差動保護[16-20]。

2.1 差動保護基本要求

在保護區(qū)內(nèi)發(fā)生饋線短路等故障時，在不影響飛機設備和其他功能前提下，差動保護的速度應越快越好?？紤]實際發(fā)電機勵磁控制繼電器(generator control relay，GCR)和發(fā)電機控制斷路器(generator control breaker，GCB)從命令發(fā)出到跳閘所需的延遲時間，以及GCR跳閘到勵磁機勵磁電流降到0所需的動作時間，通常需在60 ms內(nèi)發(fā)出斷開GCR和GCB的命令，確保在含額外的延遲和動作期的整段時間內(nèi)，防止發(fā)生饋線短路等故障導致火災等事故情況。

若保護區(qū)外發(fā)生短路等故障，保護電路不應產(chǎn)生故障信號，此時若發(fā)電機控制器控制GCR和GCB跳閘產(chǎn)生保護，屬于差動保護誤動作，應防止該情況發(fā)生。

2.2 典型的短路故障差動保護

根據(jù)差動保護基本要求，建立如圖2所示的含線路和發(fā)電機互感器的主交流供電電路。

假設互感器CTG接于發(fā)電機側(cè)，互感器CTL放置于接觸器與負載間、GCB的外側(cè)。兩互感器間為保護區(qū)，包括發(fā)電機定子繞組和發(fā)電機饋電線。圖2中兩組電流互感器CTG與CTL之間的部分，為差動保護區(qū)，由GCR和GCB觸發(fā)差動保護動作。

如圖2所示，改變電流電壓轉(zhuǎn)換電路中電阻R1和R2可改變流向整流濾波電路的電壓和電流。將輸入的交流電通過整流濾波后，可以濾掉電流中部分諧波并轉(zhuǎn)換輸出直流電；最終利用電壓檢測電路部分，協(xié)調(diào)Rk1、Rk2和Rk3阻值，當差動值過大后將擊穿二極管DW，最終觸發(fā)GCR故障信號放大器，斷開線路解除器實現(xiàn)差動保護。

在飛機主交流發(fā)電系統(tǒng)中，通常使用電流互感器測量各相電流，即線路上A、B、C相各放置一個電流互感器，發(fā)電機側(cè)A、B、C相也各有一個電流互感器。忽略互感器間材料差異以及線路損耗，系統(tǒng)正常運行時保護區(qū)內(nèi)沒有短路點。以A相為例，若a點沒有短路電流，則流過CTG的原邊電流iga和CTL的原邊電流ila相同，即iga=ila。忽略互感器導出誤差時，互感器各副邊電流為

(1)

式中,kl和kg為互感器變比。由于兩互感器副邊首

圖2 飛機主交流發(fā)電系統(tǒng)差動保護電路

尾相接，另一端共同接地，則此時沒有電流流入電阻R1和R2，即有

(2)

式中，Δicta為流入電壓電流轉(zhuǎn)換電路的電流。

若a點短路時，將短路點a接地，此時流入電阻R1、R2的電流為

(3)

式中：icta為流過CTG的二次側(cè)電流；ictla為流過CTL的二次側(cè)電流。

因此過大的短路電流，在R2上產(chǎn)生足夠大的壓降以擊穿穩(wěn)壓管DW。此時系統(tǒng)輸出短路故障信號，并斷開GCR和GCB。保護區(qū)內(nèi)任一點短路時的短路電流超過系統(tǒng)設定的限制電流時，發(fā)電機控制器則在短時間內(nèi)會向GCR和GCB發(fā)出跳閘命令，如B747飛機規(guī)定，當判斷短路電流達到(20±5) A時，40 ms內(nèi)將向GCR和GCB發(fā)出跳閘命令，以達到短路保護的目的。

3 差動保護誤動作

下面分析一次電流含直流分量、互感器兩相誤接與互感器接入方向相異對差動保護的影響。

3.1 一次側(cè)電流含有直流分量

忽略發(fā)電機側(cè)和線路側(cè)的兩組互感器材料差異，當飛機主交流發(fā)電系統(tǒng)正常運行時，根據(jù)圖4可以寫出線路側(cè)電流互感器的一次和二次側(cè)電流關系式為

(4)

式中：ila、iLa、icta分別為一次側(cè)電流、互感器上電流與二次側(cè)電流；LCTL、R1、kl分別為互感器電感值、忽略漏抗的二次繞組側(cè)電阻、互感器一次側(cè)和二次側(cè)匝數(shù)之比。

由于故障發(fā)生后的一次電流可表示為[19]

(5)

式中:Ila為一次電流的幅值;T1為系統(tǒng)的一次時間常數(shù)；θ為短路初始時(t=0)電壓相角;ωt為電流相角。

假設主交流發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生的短路為饋線上常規(guī)短路，則正常電壓波形過零時刻發(fā)生短路，能使得短路電流非周期分量達到最大值。即當θ=0時，假設LCTL為恒定常數(shù)，互感器一次二次繞組匝數(shù)相同，聯(lián)合式(4)和式(5)可以求解得到如下方程:

(6)

由式(6)可以看出，勵磁電流iLa與二次側(cè)電流均由非周期直流分量與交流分量組成。勵磁電流iLa隨等式右側(cè)第一項的直流分量增加，易導致鐵心飽和，而互感器鐵心飽和后將對測量帶來極大的干擾和誤差。二次側(cè)電流icta隨等式右側(cè)第一項直流分量的引入，波形將產(chǎn)生畸變，若將畸變后的電流再作為差動保護的判據(jù)，易導致差動保護誤操作；甚至可能在系統(tǒng)短路時，檢測的畸變電流與發(fā)電機側(cè)電流未達到保護設定值不觸發(fā)差動保護，將燒壞饋線與發(fā)電機。

以上表明，保護區(qū)內(nèi)短路產(chǎn)生的直流分量會影響互感器電流檢測精度，影響系統(tǒng)差動保護性能；同樣地，若負載側(cè)發(fā)生短路且向線路側(cè)引入了直流分量，未知的直流分量值可能造成互感器鐵心飽和，最終導致互感器二次側(cè)的電流畸變，其值嚴重偏離真實值會導致差動保護誤動(負載側(cè)短路應為過電流保護或負載斷路器斷開，而非觸發(fā)主交流發(fā)電機供電線路上的差動保護)。

3.2 互感器方向反向串接

如圖3所示，以A相電流為例，在互感器反向連接時，線路側(cè)采電流波形的正半周波形，而發(fā)電機側(cè)仍采取負半周波形。考慮互感器檢測為交流電流絕對值，對于系統(tǒng)和設備運行正常時，反向連接時，正半波檢測的最大值與負半波檢測最大值相等，考慮通信延時和誤差情況下，電流差值不會出現(xiàn)連續(xù)6拍均超過差動門限的情況下。

但飛機上負載種類繁多，功率范圍較大，特別是大功率設備和常用設備會出現(xiàn)異常短路。如圖3所示為非線性負載短路異常的一種可能情況，若電路中A相正半軸出現(xiàn)了高頻率震蕩的非線性電流，會在電流中產(chǎn)生間歇性震蕩電流尖峰；而由于短路為間歇性負載短路導致負半軸影響較小。

飛機上互感器間存在差異、線路存在阻抗，發(fā)電機和線路側(cè)電流檢測始終存在一定的差異性；而方向反接后，則很可能出現(xiàn)連續(xù)6次的差值均超過差動范圍，若系統(tǒng)判定連續(xù)6個變量差值滿足式(7)，發(fā)電機控制器將會觸發(fā)差動保護。

圖3 互感器方向反向串接各互感器測試電流

(7)

式中，ictmax為預設差動保護的差值上限。

由于該電流異常屬于負載側(cè)短路，而非保護區(qū)域內(nèi)部引起，因此系統(tǒng)正確執(zhí)行的邏輯應為觸發(fā)過電流保護或斷開負載斷路器，發(fā)電機觸發(fā)的差動保護屬于誤動作，應杜絕該誤動保護發(fā)生。

3.3 互感器兩相誤接，負載短路將引起差動誤保護

飛機實際運行過程中，負載設備繁多，線路復雜，電流很可能在外界干擾下產(chǎn)生瞬時波動，因此若僅僅比較單次瞬時電流差值與門限值就作為差動保護判定依據(jù)并不可靠。通常，在飛機實際差動保護觸發(fā)的條件為：在20～30個電流周期內(nèi)(約50～75 ms)，由兩側(cè)互感器檢測出任意一相電流差連續(xù)6～9次超過差動電流值，則通過發(fā)電機控制器觸發(fā)線路繼電器斷開線路。

這里考慮判定條件為連續(xù)25個電流周期，單個周期為8.5 ms，連續(xù)采樣6次共計51 ms，此時電流運行20.4個電流周期?；ジ衅髅看螜z測的電流值為該段時間內(nèi)的電流最大值，考慮涵蓋約3.5個正常電流的周期。因此，即使A相、B相連接錯誤，在系統(tǒng)正常運行情況下，測量時間段內(nèi)最大值之差也不會超過差值范圍。

如圖4所示，當負載端A相短路時，A相電流近乎為0，而B相仍存在電流值。此時A、B相差值在數(shù)值上接近B相的電流值，進而滿足差值大于差動電流門限。

從圖4可以看出，在持續(xù)20.4個電流周期后，理論上完全滿足差動要求，發(fā)電機控制器會直接觸發(fā)差動保護。但實際負載短路產(chǎn)生大電流理應過電流或斷路器斷開保護，但由于差動保護時間遠遠高于過電流和斷路器保護時間。因此此時為差動保護誤動作，且在系統(tǒng)正常運行情況無法通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)(正常情況下互感器錯接，不會產(chǎn)生故障情況，沒有故障數(shù)據(jù)無法判斷互感器是否接錯)。

圖4 互感器兩相誤接時二次側(cè)電流

因此，一次電流含直流分量、互感器兩相誤接與互感器接入方向相異均會對差動保護的精確度造成影響，甚至會產(chǎn)生差動保護誤動作，嚴重影響飛機的安全運行。

4 仿真驗證

為了驗證所提理論分析的正確性，在Matlab/Simulink 仿真平臺，結(jié)合圖1和圖2搭建飛機交流電源系統(tǒng)仿真模型，進行了交流供電系統(tǒng)仿真。

圖5和圖6為負載與系統(tǒng)正常運行情況下，輸出電壓和頻率仿真測試圖。其中各相電壓幅值為115 V，頻率為400 Hz，滿足GJB572A-2006飛機外部電源供電特性及一般要求的標準。

圖5 飛機正常運行時輸出電壓幅值波形

圖7和圖8為互感器相序誤接且發(fā)生單相短路時電源系統(tǒng)輸出電流和電壓波形，其中線路互感器CTL采集A相電流波形，發(fā)電機端電流互感器CTG采集B相電流波形。

從圖7可以看到在5.985 s時，A相發(fā)生單相短路，根據(jù)差動保護定義，連續(xù)6個脈沖電流差值超過差動保護限值時，差動保護動作，主交流發(fā)電機斷電，如圖8所示，電壓在6.000 s逐漸跌落至0 V。然而，此時系統(tǒng)理應作出斷路保護而非斷開主交流電源(因?qū)嶋H主交流電源端正常)，由于未正確檢測出負載故障，未斷開斷路器而直接進行差動保護，屬于差動保護誤動作行為。

圖6 飛機正常運行時輸出電壓頻率波形

圖7 互感器相序誤接且發(fā)生單相短路時輸出電流波形

圖8 互感器相序誤接且發(fā)生單相短路時輸出電壓波形

圖9負載電流異常且互感器檢測電流正負半波不同時輸出電流波形

圖9和圖10為負載出現(xiàn)異常電流(不滿足飛機供電兼容性)時電源系統(tǒng)輸出的電流和電壓波形，其中線路互感器CTL采集B相正半波電流波形，發(fā)電機端電流互感器CTG采集B相負半波電流波形。從圖9中可以看到在5.985 s時，B相正半波發(fā)生畸變，但該畸變在負半波無法測出。同理，在6次采樣后差動保護動作，主交流發(fā)電機斷電。如圖10所示，由于正負半波最大值大于差動門限，電壓在6.000 s逐漸跌落至0 V。由于實際主交流電源端正常，但因未正確檢測出負載故障，未斷開斷路器而直接進行差動保護，屬于差動保護誤動作行為。

圖10 負載電流異常且互感器檢測電流正負半波不同時輸出電壓波形

5 互感器差動保護誤動作解決方案

針對前述問題，對飛機的差動保護系統(tǒng)給出以下建議：

1)使用抗直流分量互感器。當一次側(cè)電流還有大量直流分量時，受直流分量的影響易使測量回路的電流互感器出現(xiàn)偏磁飽和，造成常規(guī)互感器測量不準。但選擇抗直流分量互感器后，由于磁心采用具有極佳線性且易激磁的非晶合金做成，在原邊通過一定直流分量時磁心不會飽和，在一定程度上可以提高檢測精度，減少差動保護誤動概率。

2)飛機安裝前，需反復確認互感器方向，保證線路側(cè)和發(fā)電機側(cè)采樣的是相同半軸的波形，即同為正半波或者負半波。目前國內(nèi)外飛機大多將發(fā)電機側(cè)互感器集成在恒速傳動裝置內(nèi)，可讓發(fā)電機廠家嚴格檢測互感器方向，并給出發(fā)電機內(nèi)互感器材料、規(guī)格等詳細數(shù)據(jù)，以便線路側(cè)CTL能盡可能選用匹配發(fā)電機側(cè)互感器的材料。

3)飛機安裝時，需確認互感器各相是否連接正確。在確認發(fā)電機側(cè)互感器的連接方向是否正確后，再根據(jù)發(fā)電機側(cè)互感器CTG的各相標識，一一匹配接入線路側(cè)各相互感器。最后通過人工檢查、系統(tǒng)通電檢查等保證飛機線路連接正確，進一步保證飛機運行安全。

6 結(jié) 論

有效的差動保護能保護發(fā)電機、主交流發(fā)電饋線及飛機供電的安全，但差動保護誤動作將會嚴重干擾飛機的正常飛行和安全。分析了一次電流含直流分量、互感器兩相誤接、互感器接入方向?qū)Σ顒颖Ｗo的影響，通過理論分析和圖形模擬方法對發(fā)電機特性及差動保護誤動作進行了分析，并證明了以上3種情形均會造成主交流發(fā)電系統(tǒng)差動保護誤動。通過Matlab/Simulik驗證了所提出分析的正確性，并提供了改進方案，優(yōu)化了飛機電氣系統(tǒng)的設計，為改善飛機整體的安全性能提供了思路和保障。