吳昊，宋宜欣

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

0 前言

直升機(jī)電源系統(tǒng)主要交流發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)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(jī)電源系統(tǒng)重要組成部分，用于對直升機(jī)交、直流電源系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、控制和保護(hù)以及電能分配；TRU 作為二次電源，將交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的115V、400Hz 交流電轉(zhuǎn)換為28V 直流電；蓄電池組作為應(yīng)急電源，在TRU 喪失功能后為直升機(jī)部分用電設(shè)備供電，確保直升機(jī)安全著陸或返航。

BPCU 主要由敏感電路、邏輯控制電路、驅(qū)動電路、電源調(diào)理電路以及通訊電路等組成：敏感電路監(jiān)測電源系統(tǒng)電壓、電流以及頻率等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過通訊電路發(fā)送給機(jī)電管理系統(tǒng)，然后由機(jī)電管理系統(tǒng)發(fā)送給綜合任務(wù)處理系統(tǒng)進(jìn)行顯示；邏輯控制電路將控制指令發(fā)送給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路收到控制指令后操控相應(yīng)繼電器或接觸器動作，實現(xiàn)不同電源間轉(zhuǎn)換以及故障保護(hù)等控制功能；電源調(diào)理電路通過DC/DC 轉(zhuǎn)換，為BPCU 內(nèi)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(jī)綜合任務(wù)處理系統(tǒng)顯示TRU 輸出電壓為24V，與正常值28V 不符；斷開TRU 開關(guān)，綜合任務(wù)處理系統(tǒng)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(guān)，蓄電池組接觸器無法斷開、蓄電池組不能正常退網(wǎng)。在該型號電源系統(tǒng)設(shè)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(jīng)機(jī)電管理系統(tǒng)送綜合任務(wù)處理系統(tǒng)進(jìn)行顯示。同時發(fā)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(guān)，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(jìn)行分析，提出了排故建議和改進(jìn)措施。

1 BPCU 工作原理

BPCU 內(nèi)部與電壓敏感和蓄電池組接觸器控制相關(guān)部分原理圖見圖1。電源調(diào)理電路將電源系統(tǒng)輸入的直流電通過DC/DC 變換后為內(nèi)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(lián)分壓將運算放大器輸入電壓降低到合適范圍，經(jīng)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(guān)時，邏輯控制電路向驅(qū)動電路G 極發(fā)送高電平信號，D 極與S 極導(dǎo)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(guān)時，邏輯控制電路向驅(qū)動電路G 級發(fā)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(guān)時電感電壓突變損壞其他元器件，設(shè)置一條由機(jī)體、PGND/CGND 及二極管D1、D2 形成的續(xù)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(nèi)部連接在一起，均為BPCU 的參考地。BPCU 內(nèi)部PGND/CGND 與外部插座之間通過導(dǎo)線連接，導(dǎo)線一端與PGND/CGND 采用錫焊形式進(jìn)行連接固定，另一端與插座通過接觸偶進(jìn)行連接固定；BPCU 通過電連接器與機(jī)上線纜連接，線纜另一端通過接地塊與機(jī)體相連。

圖1 BPCU 內(nèi)部原理圖

TRU 與蓄電池組并聯(lián)連接在同一根匯流條上，通過一根導(dǎo)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(wǎng)時，蓄電池組等同于負(fù)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(guān)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(jī)直流電源系統(tǒng)一般采用單線制，負(fù)極接機(jī)體，所以直升機(jī)機(jī)體為電源系統(tǒng)及各用電設(shè)備的參考地。BPCU 內(nèi)部以PGND/CGND 為參考地，當(dāng)BPCU與機(jī)體之間連接良好時，PGND/CGND 與機(jī)體之間電阻mR不大于50mΩ（含導(dǎo)線電阻和接觸電阻），根據(jù)BPCU 工作電流約為2A來計算，PGND/CGND與機(jī)體之間最大電壓差：

設(shè)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(jī)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(jī)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(nèi)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(tǒng)電壓值。

而當(dāng)BPCU 與機(jī)體之間連接異常，導(dǎo)致PGND/CGND與機(jī)體之間電壓差不可忽略時，將會導(dǎo)致BPCU 測量的匯流條電壓與正常值存在較大誤差。當(dāng)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(wù)處理系統(tǒng)顯示值均有4V 壓差，根據(jù)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(jī)體之間電阻遠(yuǎn)大于正常情況下的電阻值。

斷開蓄電池組開關(guān)，雖然驅(qū)動電路D 極與S 極不通，驅(qū)動電路對外無27V 輸出電壓，但PGND/CGND 點仍存在4V 電壓，電流經(jīng)過續(xù)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(tài)（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(tǒng)斷開連接，繼續(xù)向機(jī)上供電。

根據(jù)上述分析，由于BPCU 與機(jī)體之間連接異常、PGND/CGND 與機(jī)體之間電阻mR遠(yuǎn)大于正常值，導(dǎo)致BPCU 參考地與電源系統(tǒng)參考地（機(jī)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(wù)處理系統(tǒng)電壓顯示不準(zhǔn)確；同時在BPCU 參考地與機(jī)體之間形成較大電壓差時，斷開蓄電池組開關(guān)，PGND/CGND 點電壓能維持蓄電池組接觸器繼續(xù)保持接通狀態(tài)。

PGND/CGND 與機(jī)體之間電阻mR主要包含導(dǎo)線電阻和接觸電阻，由于BPCU 是在裝機(jī)使用一段使用時間之后出現(xiàn)工作異常情況，導(dǎo)線電阻正常情況下不會隨使用時間增長出現(xiàn)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(nèi)部故障

BPCU 內(nèi)部PGND/CGND 與插座之間的導(dǎo)線采用錫焊形式進(jìn)行連接，當(dāng)焊接點存在虛焊情況時，在隨直升機(jī)長時間飛行情況下，由于振動原因出現(xiàn)松動，導(dǎo)致PGND/CGND與導(dǎo)線之間接觸電阻增大。

（2）機(jī)上線纜與BPCU 連接異常

BPCU 與機(jī)上線纜采用電連接器連接，當(dāng)線纜插頭與BPCU 插座沒有擰緊到位時，可能會導(dǎo)致插頭與插座之間出現(xiàn)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(shù)過多，導(dǎo)致電連接器出現(xiàn)縮針、松動情況時，會導(dǎo)致接觸銷和接觸偶之間接觸電阻增大。

（3）接地塊異常

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

■2.2 故障定位

結(jié)合上述分析，開展下述工作以進(jìn)行故障定位：

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

（2）檢查機(jī)上線纜與BPCU 連接情況。對機(jī)上線纜插頭和BPCU 插座進(jìn)行目視檢查和晃動，未發(fā)現(xiàn)電連接器縮針或松動現(xiàn)象。將線纜插頭與BPCU 插座恢復(fù)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(fā)現(xiàn)松動現(xiàn)象。將接地塊拆下，用砂紙將接地塊和機(jī)體殘余導(dǎo)電膠打磨掉，重新涂抹導(dǎo)電膠后恢復(fù)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(guān)，蓄電池組可以與匯流條正常脫開連接。

通過開展相關(guān)工作，故障最終定位為接地塊與機(jī)體之間接觸電阻增大，導(dǎo)致BPCU 工作異常。

3 機(jī)理分析

導(dǎo)電膠是一種固化或干燥后具有一定導(dǎo)電性的膠粘劑，對施膠工藝和工作環(huán)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(dǎo)致粘接力達(dá)不到使用要求，從而在后期導(dǎo)電性能逐步下降；同時，由于直升機(jī)在夏天高溫環(huán)境下長時間停放在無防護(hù)措施的停機(jī)坪上，艙內(nèi)溫度可高達(dá)70℃，高溫環(huán)境會加速導(dǎo)電膠的老化，使其導(dǎo)電性能降低；另外，當(dāng)直升機(jī)進(jìn)行油料加注作業(yè)時，燃油、液壓油、滑油等油料可能順著機(jī)體流向地面，當(dāng)料流過接地塊表面時，導(dǎo)電膠與油料發(fā)生反應(yīng)，使其導(dǎo)電性能降低。多種因素綜合下，當(dāng)導(dǎo)電膠導(dǎo)電性能下降后，接地塊與機(jī)體接觸電阻增大，BPCU 內(nèi)部PGND/CGND 電壓抬升，引起B(yǎng)PCU 工作異常。

4 排故建議

在日常使用過程中因BPCU與機(jī)體之間電阻增大導(dǎo)致BPCU工作異常的概率較小，發(fā)生故障后準(zhǔn)確定位佐證故障現(xiàn)象，為后續(xù)排故提供方向。當(dāng)確定電源系統(tǒng)故障與BPCU 有關(guān)時，因BPCU 拆裝簡單，應(yīng)優(yōu)先更換BPCU，排除產(chǎn)品自身問題，然后再進(jìn)行BPCU 接地電阻檢查，以縮短排故時間、減少工作量。進(jìn)行接地電阻檢查時，應(yīng)使用微歐計、毫歐計等專業(yè)檢測設(shè)備，而不建議使用萬用表。根據(jù)上述分析，即使導(dǎo)電膠導(dǎo)電性能下降后，BPCU 與機(jī)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(zhǔn)確測量出電阻變化異常情況。

5 改進(jìn)措施

（1）接地塊安裝時嚴(yán)格按照施膠工藝流程進(jìn)行，并在接地塊安裝后使用微歐計等專業(yè)測量儀器測量接地塊與機(jī)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(nèi)；選用耐溫、耐油性能更加優(yōu)異的導(dǎo)電膠，延長導(dǎo)電膠使用壽命，避免導(dǎo)電膠過早出現(xiàn)導(dǎo)電性能下降現(xiàn)象。

（2）對接地塊安裝工藝進(jìn)行改進(jìn)，在安裝接地塊時不再涂抹導(dǎo)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(dǎo)電性能優(yōu)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(nèi)。

（3）對BPCU 進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，將PGND 與CGND 分開接地，可以有效避免BPCU 與機(jī)體之間電阻增大導(dǎo)致BPCU 工作異常問題，改進(jìn)后電路圖見圖2。BPCU 改進(jìn)設(shè)計前，根據(jù)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(jìn)后BPCU 內(nèi)部原理圖

由于1R阻值為200kΩ，2R阻值為10kΩ，mR電阻遠(yuǎn)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(nèi)部PGND 與CGND 連接在一起，當(dāng)BPCU 與機(jī)體接地電阻變大后，PGND 和CGND 電壓會一起抬升。而對BPCU 改進(jìn)設(shè)計后，即使PGND 與CGND 接地電阻均偏大，假設(shè)此時Rm1、Rm2電阻均為2Ω，則：

PGND 電壓抬升對CGND 沒有影響，CGND 與機(jī)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(guān)，蓄電池組接觸器可以正常斷開、蓄電池組能正常退網(wǎng)。

6 結(jié)論

通過對故障進(jìn)行原因分析和定位，并通過機(jī)理分析，最終確定BPCU 工作異常與接地塊上涂抹的導(dǎo)電膠導(dǎo)電性能下降有關(guān)。在日常使用維護(hù)過程中，如果發(fā)生與BPCU 工作正常異常有關(guān)故障，建議先更換BPCU，在排除產(chǎn)品自身問題后再進(jìn)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(xù)型號設(shè)計工作中，選用耐溫、耐油性能更加優(yōu)異的導(dǎo)電膠或采用改進(jìn)工藝替代導(dǎo)電膠；當(dāng)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。