直升機匯流條功率控制器工作異常故障分析

吳昊，宋宜欣

（1.中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333001；2.中國人民解放軍91548部隊，海南三亞，572000）

0 前言

直升機電源系統主要交流發電機、交流發電機控制器、變壓整流器（簡稱：TRU）、匯流條功率控制器（簡稱：BPCU）、蓄電池組、電氣控制盒、交流配電盒、直流配電盒等組成。其中：BPCU 是直升機電源系統重要組成部分，用于對直升機交、直流電源系統進行狀態監測、控制和保護以及電能分配；TRU 作為二次電源，將交流發電機產生的115V、400Hz 交流電轉換為28V 直流電；蓄電池組作為應急電源，在TRU 喪失功能后為直升機部分用電設備供電，確保直升機安全著陸或返航。

BPCU 主要由敏感電路、邏輯控制電路、驅動電路、電源調理電路以及通訊電路等組成：敏感電路監測電源系統電壓、電流以及頻率等參數，并將數據通過通訊電路發送給機電管理系統，然后由機電管理系統發送給綜合任務處理系統進行顯示；邏輯控制電路將控制指令發送給驅動電路，驅動電路收到控制指令后操控相應繼電器或接觸器動作，實現不同電源間轉換以及故障保護等控制功能；電源調理電路通過DC/DC 轉換，為BPCU 內部各種電路提供所需工作電壓。

在某次地面通電過程中，直升機綜合任務處理系統顯示TRU 輸出電壓為24V，與正常值28V 不符；斷開TRU 開關，綜合任務處理系統顯示蓄電池組輸出電壓為20V，與正常值24V 不符；斷開蓄電池組開關，蓄電池組接觸器無法斷開、蓄電池組不能正常退網。在該型號電源系統設計原理中，蓄電池組接觸器受BPCU 控制，TRU 及蓄電池組輸出電壓由BPCU 采集后經機電管理系統送綜合任務處理系統進行顯示。同時發生蓄電池組接觸器、TRU 以及蓄電池組故障的可能性極小，且蓄電池接觸器通斷控制、TRU 及蓄電池組輸出電壓顯示均與BPCU 有關，因此可以初步判斷BPCU工作異常。

本文以此為背景，針對BPCU 工作異常進行分析，提出了排故建議和改進措施。

1 BPCU 工作原理

BPCU 內部與電壓敏感和蓄電池組接觸器控制相關部分原理圖見圖1。電源調理電路將電源系統輸入的直流電通過DC/DC 變換后為內部各種電路供電。電壓敏感電路主要由電阻R1、R2 及運算放大器組成，R1 阻值為200kΩ，R2 阻值為10kΩ，R1、R2 通過串聯分壓將運算放大器輸入電壓降低到合適范圍，經運算放大器隔離后送下級電路，通過軟件計算匯流條與BPCU 參考地之間電勢差值得出TRU 及蓄電池組輸出電壓。接通蓄電池組開關時，邏輯控制電路向驅動電路G 極發送高電平信號，D 極與S 極導通，通過二極管D2 向蓄電池組接觸器控制線圈輸入27V 電壓，蓄電池組接觸器接通；斷開蓄電池組開關時，邏輯控制電路向驅動電路G 級發送地電平信號，D 極與S 極不通，蓄電池組接觸器控制線圈輸入電壓為0V，蓄電池組接觸器斷開；由于蓄電池組接觸器控制線圈可以視同為電感，為防止在斷開蓄電池組開關時電感電壓突變損壞其他元器件，設置一條由機體、PGND/CGND 及二極管D1、D2 形成的續流通路，釋放蓄電池組接觸器控制線圈儲存的電能。PGND 為功率地，CGND 為控制地，兩者在BPCU 內部連接在一起，均為BPCU 的參考地。BPCU 內部PGND/CGND 與外部插座之間通過導線連接，導線一端與PGND/CGND 采用錫焊形式進行連接固定，另一端與插座通過接觸偶進行連接固定；BPCU 通過電連接器與機上線纜連接，線纜另一端通過接地塊與機體相連。

圖1 BPCU 內部原理圖

TRU 與蓄電池組并聯連接在同一根匯流條上，通過一根導線將匯流條與BPCU 連接，用于TRU 與蓄電池組輸出電壓的采集。TRU 正常工作期間，向匯流條輸出28V 電壓；蓄電池組正常工作期間，向匯流條輸出24V 電壓。TRU 和蓄電池組同時并網時，蓄電池組等同于負載，TRU 向蓄電池組充電，同時由于TRU 輸出電壓比蓄電池組輸出電壓高，因此BPCU 測量的匯流條電壓等于TRU 輸出電壓；斷開TRU 開關時，TRU 與匯流條斷開連接，蓄電池組向匯流條供電，此時BPCU 測量的匯流條電壓等于蓄電池組輸出電壓。

2 故障分析與定位

■2.1 故障分析

為減輕線纜重量，直升機直流電源系統一般采用單線制，負極接機體，所以直升機機體為電源系統及各用電設備的參考地。BPCU 內部以PGND/CGND 為參考地，當BPCU與機體之間連接良好時，PGND/CGND 與機體之間電阻mR不大于50mΩ（含導線電阻和接觸電阻），根據BPCU 工作電流約為2A來計算，PGND/CGND與機體之間最大電壓差：

設定匯流條真實電壓為U，BPCU 測量的匯流條電壓為U1，PGND/CGND 電壓為U2，機體電壓為0V，則：

BPCU 測量的匯流條電壓與真實值存在一定誤差，該誤差等于BPCU 參考地PGND/CGND 與機體之間電壓差?U，而?U最大值不超過0.1V，可以忽略不計，此時BPCU 將內部PGND/CGND 作為參考地，采集的匯流條電壓能真實反映電源系統電壓值。

而當BPCU 與機體之間連接異常，導致PGND/CGND與機體之間電壓差不可忽略時，將會導致BPCU 測量的匯流條電壓與正常值存在較大誤差。當TRU 和蓄電池組分別向匯流條供電時，輸出電壓正常值與綜合任務處理系統顯示值均有4V 壓差，根據U-U1=U2=?U= 4V，說明此時PGND/CGND 點電壓已抬升至4V。假定BPCU 在此時工作電流仍維持2A 不變，則：

可見此時PGND/CGND 與機體之間電阻遠大于正常情況下的電阻值。

斷開蓄電池組開關，雖然驅動電路D 極與S 極不通，驅動電路對外無27V 輸出電壓，但PGND/CGND 點仍存在4V 電壓，電流經過續流二極管D1 和D2，輸出至蓄電池組接觸器控制線圈，可以維持蓄電池組接觸器保持在接通狀態（接觸器控制線圈釋放電壓為1.0V～3.0V），此時蓄電池組將無法與電源系統斷開連接，繼續向機上供電。

根據上述分析，由于BPCU 與機體之間連接異常、PGND/CGND 與機體之間電阻mR遠大于正常值，導致BPCU 參考地與電源系統參考地（機體）之間有較大電壓差，該電壓差使BPCU 測量的匯流條與PGND/CGND 電勢差值變小，從而引起綜合任務處理系統電壓顯示不準確；同時在BPCU 參考地與機體之間形成較大電壓差時，斷開蓄電池組開關，PGND/CGND 點電壓能維持蓄電池組接觸器繼續保持接通狀態。

PGND/CGND 與機體之間電阻mR主要包含導線電阻和接觸電阻，由于BPCU 是在裝機使用一段使用時間之后出現工作異常情況，導線電阻正常情況下不會隨使用時間增長出現阻值變化情況，而在振動、電連接器接觸不良等情況下可能會引起接觸電阻增大。引起接觸電阻增大可能有以下幾方面原因：

（1）BPCU 內部故障

BPCU 內部PGND/CGND 與插座之間的導線采用錫焊形式進行連接，當焊接點存在虛焊情況時，在隨直升機長時間飛行情況下，由于振動原因出現松動，導致PGND/CGND與導線之間接觸電阻增大。

（2）機上線纜與BPCU 連接異常

BPCU 與機上線纜采用電連接器連接，當線纜插頭與BPCU 插座沒有擰緊到位時，可能會導致插頭與插座之間出現松動，從而引起電連接器的接觸銷和接觸偶之間接觸電阻增大；或者由于電連接器插拔次數過多，導致電連接器出現縮針、松動情況時，會導致接觸銷和接觸偶之間接觸電阻增大。

（3）接地塊異常

機上線纜與機體之間通過接地塊連接，接地塊在安裝前，需要對機體和接地塊接觸面進行打磨，然后在打磨區域涂上導電膠，再通過螺釘將接地塊固定在機體上。當接地塊固定螺釘松動時，會導致接地塊與機體之間接觸電阻增大；或者接地塊與機體之間導電膠導電性能下降時，也會導致接地塊與機體之間接觸電阻增大。

■2.2 故障定位

結合上述分析，開展下述工作以進行故障定位：

（1）更換BPCU。將另一架直升機上工作正常的BPCU 串換至故障直升機上，重新上電，故障依舊存在。

（2）檢查機上線纜與BPCU 連接情況。對機上線纜插頭和BPCU 插座進行目視檢查和晃動，未發現電連接器縮針或松動現象。將線纜插頭與BPCU 插座恢復連接，按要求緊固到位，重新上電，故障依舊存在。

（3）檢查接地塊。檢查接地塊固定螺釘，未發現松動現象。將接地塊拆下，用砂紙將接地塊和機體殘余導電膠打磨掉，重新涂抹導電膠后恢復接地塊安裝。重新上電，TRU和蓄電池組輸出電壓顯示正常；斷開蓄電池組開關，蓄電池組可以與匯流條正常脫開連接。

通過開展相關工作，故障最終定位為接地塊與機體之間接觸電阻增大，導致BPCU 工作異常。

3 機理分析

導電膠是一種固化或干燥后具有一定導電性的膠粘劑，對施膠工藝和工作環境都有著較高的要求。在施膠過程中，如果施膠溫度或固化時間不夠，會導致粘接力達不到使用要求，從而在后期導電性能逐步下降；同時，由于直升機在夏天高溫環境下長時間停放在無防護措施的停機坪上，艙內溫度可高達70℃，高溫環境會加速導電膠的老化，使其導電性能降低；另外，當直升機進行油料加注作業時，燃油、液壓油、滑油等油料可能順著機體流向地面，當料流過接地塊表面時，導電膠與油料發生反應，使其導電性能降低。多種因素綜合下，當導電膠導電性能下降后，接地塊與機體接觸電阻增大，BPCU 內部PGND/CGND 電壓抬升，引起BPCU 工作異常。

4 排故建議

在日常使用過程中因BPCU與機體之間電阻增大導致BPCU工作異常的概率較小，發生故障后準確定位佐證故障現象，為后續排故提供方向。當確定電源系統故障與BPCU 有關時，因BPCU 拆裝簡單，應優先更換BPCU，排除產品自身問題，然后再進行BPCU 接地電阻檢查，以縮短排故時間、減少工作量。進行接地電阻檢查時，應使用微歐計、毫歐計等專業檢測設備，而不建議使用萬用表。根據上述分析，即使導電膠導電性能下降后，BPCU 與機體之間電阻增大，但增大后電阻值僅有2Ω，萬用表由于精度原因難以準確測量出電阻變化異常情況。

5 改進措施

（1）接地塊安裝時嚴格按照施膠工藝流程進行，并在接地塊安裝后使用微歐計等專業測量儀器測量接地塊與機體之間接觸電阻，確保接地塊接觸電阻在出廠前處于合格范圍內；選用耐溫、耐油性能更加優異的導電膠，延長導電膠使用壽命，避免導電膠過早出現導電性能下降現象。

（2）對接地塊安裝工藝進行改進，在安裝接地塊時不再涂抹導電膠，采用其他方式來保證兩個搭接面的搭接電阻滿足要求。例如在搭接面采用鍍銀工藝，由于銀的導電性能優于鋁合金，鍍銀后再安裝接地塊可以將接觸電阻控制在有效范圍內。

（3）對BPCU 進行改進設計，將PGND 與CGND 分開接地，可以有效避免BPCU 與機體之間電阻增大導致BPCU 工作異常問題，改進后電路圖見圖2。BPCU 改進設計前，根據運算放大器虛斷原理，運算放大器輸入電流可以忽略不計，則電壓敏感電路工作電流：

圖2 改進后BPCU 內部原理圖

由于1R阻值為200kΩ，2R阻值為10kΩ，mR電阻遠小于1R、2R，可以忽略不計，則：

由于I2= 0.13mA，相對于BPCU 工作電流2A 可以忽略不計，因此I≈I1。由于BPCU 內部PGND 與CGND 連接在一起，當BPCU 與機體接地電阻變大后，PGND 和CGND 電壓會一起抬升。而對BPCU 改進設計后，即使PGND 與CGND 接地電阻均偏大，假設此時Rm1、Rm2電阻均為2Ω，則：

PGND 電壓抬升對CGND 沒有影響，CGND 與機體之間電壓差依舊較小，仍然可以忽略不計，電壓敏感電路測量的電壓值依舊具有參考意義；斷開蓄電池組開關，蓄電池組接觸器可以正常斷開、蓄電池組能正常退網。

6 結論

通過對故障進行原因分析和定位，并通過機理分析，最終確定BPCU 工作異常與接地塊上涂抹的導電膠導電性能下降有關。在日常使用維護過程中，如果發生與BPCU 工作正常異常有關故障，建議先更換BPCU，在排除產品自身問題后再進行接地電阻檢查，從而縮短排故周期、減少工作量。另外，建議在后續型號設計工作中，選用耐溫、耐油性能更加優異的導電膠或采用改進工藝替代導電膠；當然，將BPCU 的PGND 與CGND 分開接地，才是排除外部因素干擾，確保自身正常工作的最有效手段。