航空電氣系統(tǒng)中故障電弧研究

摘 要

介紹故障電弧定義，分析航空故障電弧產(chǎn)生原因、途徑及特性，提出電弧模型建立方法及電弧特性仿真，從中發(fā)現(xiàn)航空故障電弧所具有的特殊性，以此促進故障電弧問題的解決，早日實現(xiàn)在飛機上安裝故障電弧保護器，確保飛機飛行安全可靠。

【關(guān)鍵詞】航空故障電弧 電弧特性 電弧數(shù)學模型 仿真

隨著飛機多電和全電供電技術(shù)的迅猛發(fā)展，導(dǎo)線和電纜使用量增多。飛機上導(dǎo)線或電纜在過載和短路，環(huán)境溫度的影響，飛機液壓油或潤滑油對導(dǎo)線腐蝕損傷，老齡飛機上的導(dǎo)線老化等等，都可能導(dǎo)致導(dǎo)線或電纜產(chǎn)生故障電弧。產(chǎn)生故障電弧時，導(dǎo)致飛機部件失靈，或引發(fā)火災(zāi)，甚至導(dǎo)致空難事故。由于電弧電流太小，不能使飛機上熱保護斷路器和固態(tài)功率控制器動作。為此，在飛機線路原保護設(shè)備基礎(chǔ)上還需增加故障電弧保護器。國內(nèi)外對故障電弧的研究主要側(cè)重于高壓輸電線路的故障電弧識別，其電弧特征和檢測方法并不適用于航空低壓環(huán)境交流115V/200V、400HZ或者直流28V線路環(huán)境下的故障電弧保護，使用檢測設(shè)備笨重，不符合航空領(lǐng)域的要求，因此，開展航空故障電弧的研究是必要的，具有重要的意義。

1 航空電氣系統(tǒng)故障電弧產(chǎn)生原因及途徑

1.1 故障電弧的定義

電弧是兩個電極之間跨越某種絕緣介質(zhì)的持續(xù)放電現(xiàn)象。典型的電弧是在陰、陽兩極之間的空氣間隔中形成的。線路因絕緣老化或者短路等原因而引起的電弧稱為“故障電弧”，也稱“壞弧”，這類電弧會產(chǎn)生火災(zāi)引發(fā)嚴重事故。另一類電弧如電機旋轉(zhuǎn)、插拔帶電插頭、

轉(zhuǎn)換電路開關(guān)或者接觸器內(nèi)部觸頭斷開電路，也會產(chǎn)生電弧，這些電弧是瞬時性的，也并不影響線路和設(shè)備的正常工作，稱為“好弧”，電路保護斷路器不應(yīng)動作。

1.2 航空故障電弧產(chǎn)生的原因及途徑

航空故障電弧的產(chǎn)生原因和途徑主要有下面三種：

1.2.1 絕緣碳化

在交流120V線路中，如果存在碳化傳導(dǎo)路徑，也可能引起持續(xù)電弧。也稱為“焦介電弧”。特別是飛機上采用芳香族聚酞亞胺絕緣外皮的線路，潮濕和污染物的綜合作用導(dǎo)致絕緣表面有漏電流流通，逐漸形成碳化路徑。而碳化通道的產(chǎn)生需要幾個月甚至幾年。

1.2.2 外界引起的空氣電離

如果飛機上的配電母線發(fā)生嚴重的電弧故障，會噴出大量的電離氣體，這些電離氣體飛到另外的線路，會引起該處空氣電離導(dǎo)致該線路拉弧。若有燃燒事故，會使空氣的介電強度降低，使絕緣碳化，或空氣電離，此時也會產(chǎn)生電弧危險。

1.2.3 短路

短路一種是金屬性短路，短路點是具有足夠厚度的金屬；另一種是電弧性短路，最初的金屬短路點沒有持續(xù)存在，電流流經(jīng)電弧。

2 航空電氣系統(tǒng)故障電弧的分類

根據(jù)航空電氣系統(tǒng)所特有的環(huán)境和現(xiàn)代飛機供電系統(tǒng)的布線模式，即是現(xiàn)代飛機所采用的是交流和直流混合供電及分布布線模式，交流電是采用三相四線制，把飛機機體作為中線，直流電源把飛機機體作為負極線，由此，針對航空故障電弧產(chǎn)生的原因和方式，可以將航空故障電弧分為串聯(lián)故障電弧、并聯(lián)故障電弧兩種。

2.1 串聯(lián)故障電弧

串聯(lián)故障電弧主要是因正負電極之間的接頭松弛或接頭接觸不良導(dǎo)致。串聯(lián)電弧一般都在插件或其他設(shè)備等之間的相互連接處發(fā)生。當設(shè)備之間連接部位出現(xiàn)損壞時，被損壞部位的兩端會出現(xiàn)電壓和電流，初始時刻電壓或電流都十分的微弱，但隨著絕緣層的破壞或?qū)w的逐漸氧化和腐蝕，電壓或電流也會逐步增大，最終引發(fā)故障電弧。

串聯(lián)電弧電流值遠遠小于傳統(tǒng)斷路保護器的額定電流值，其電弧能量遠遠小于并聯(lián)電弧，這對故障電弧的檢測帶來極大的困難。但在長時間放電后，同樣會燒毀線路接頭并引發(fā)火災(zāi)。

2.2 并聯(lián)故障電弧

并聯(lián)故障電弧是由于線路的絕緣層破壞，形成的短路電弧。如三相交流電的相線與相線或相線與飛機機體短路接觸。通常情況下并聯(lián)電弧電流幅值大于斷路器額定值，能夠被正常斷開，但有時達不到過流保護器的額定值不能斷開，其產(chǎn)生的能量遠大于串聯(lián)電弧，且易接觸到易燃材料，故其危害性更大。

3 航空電氣系統(tǒng)故障電弧的特性分析

航空故障電弧較于普通低壓電弧具有顯著的特征，主要表現(xiàn)在以下4個方面：

（1）由于航空導(dǎo)線、電纜絕緣性能好，使電弧持續(xù)時間短，呈零星或間歇的形式出現(xiàn)，沒有規(guī)律性，難捕捉；

（2）電弧電流強度通常比短路電流小，容易在過零點熄滅，短時間的電弧電流穿插于各部分正常電流之間，回路中的電流會明顯減小。

（3）故障電弧電氣環(huán)境更復(fù)雜，波形更復(fù)雜，其電流和電壓畸變更嚴重；

（4）電弧頻率為400Hz，不同于地面工頻50Hz。

4 航空電氣系統(tǒng)故障電弧的仿真研究

4.1 故障電弧的數(shù)學模型

必須建立電弧的動態(tài)數(shù)學模型，目前研究故障電弧的動態(tài)模型主要有兩類。

第一種是“物理—數(shù)學模型”，即是詳細研究電弧的物理過程，根據(jù)能量守恒之律和弧柱等離子體特性寫出方程式組，并經(jīng)一系列運算建立電弧數(shù)學模型。

第二種電弧模型是“黑盒模型（black-box-model）”，即將電弧作為一個兩端元件，用某個數(shù)學方式來決定傳遞函數(shù)。只對故障電弧引發(fā)電壓或電流變化進行研究，而對內(nèi)部因素不做研究。

Cassie與Mayr是“黑盒模型”的典型代表。這兩種模型既簡單由實用，常被引入交流電路中進行建模和仿真，但在要求較高的仿真要求中有不足之處。隨著電弧模型研究的深入，適于低壓故障電弧模型還有MatteWS模型、Stokes和Fisher模型。其中Stokes和Fisher模型比Mattews模型對實際情況分析和解決，更有說服力，更符合故障電弧的特性。在此選擇Stokes為電弧數(shù)學模型進行仿真。

4.2 電弧仿真模型的建立

假設(shè)交流電單相與機體短接，電路中有感性負載，那么故障發(fā)生點的等效電感電壓Ux可以近似認為：

（1）

根據(jù)Stokes提出的一個經(jīng)驗公式：

（2）

在上述條件下，電弧電流滿足下式：

（3）

上述式中：R-故障發(fā)生點的等效電阻；L-故障發(fā)生點的等效電感；g-電弧放電間隙；t-燃弧時間；iarc-故障電弧電流；Uarc-故障電弧電壓；Ux-故障發(fā)生點的等效電感電壓；Umax-交流電源幅值電壓；ω-交流電的角頻率。（3）式是Stokes故障電弧數(shù)學模型。由stokes公式可以看出，電弧電流取決于故障點的等效阻抗，與放電間隙密切相關(guān)。

4.3 航空故障電弧仿真模型的實現(xiàn)

下面以MATLAB軟件為平臺，選擇Stokes電弧模型，建立故障電弧仿真模型。該模型主要有求和板塊、正弦板塊、物理分析板塊和微分板塊等。利用Stokes模型結(jié)合電弧接機體故障繪制故障電弧仿真模型，如圖1所示。

在圖1故障電弧仿真模型中，有顏色的板塊是電氣系統(tǒng)主要參數(shù)板塊，如故障電路正弦電壓源板塊“Source-sin”、等效電阻板塊“R”和等效電抗板塊“X”等。航空電氣系統(tǒng)中所采用的電源主要是115伏的三相交流電源，所以電源的正弦交流信號板塊Soope，頻率為400赫茲，增益板塊Umax則設(shè)置為115，并將板塊顏色標為紅色；電弧的放電間隙板塊ARC-L，板塊標為藍色。

4.4 航空故障電弧負載特性仿真

這里重點研究阻性負載、感性負載條件下的仿真。

4.4.1 等效電路為感性

R<

4.4.2 等效電路為阻性

R>>X，電壓源為115V，400HZ正弦交流電，電弧間隙l=0.00254m，設(shè)置R=1Ω，L=0.0004mH，X=0.001Ω。則故障電弧波形如圖3所示。圖中，感抗對電弧影響很小，電弧電流電壓和電壓源電壓幾乎同相位，電弧電流有明顯零休區(qū)，電弧熄滅階段時間較長；電弧電流畸變很小，幾乎沒有畸變；電弧電壓波形近似方波形，電弧電壓在電弧電流過零區(qū)斜率最大。

5 結(jié)語

從研究中得知，航空故障電弧的產(chǎn)生存在隱性積累過程、電弧產(chǎn)生時會引發(fā)新的電弧，要特別關(guān)注航空故障電弧在不同負載性質(zhì)時的電流特性的不同，為解決航空電氣系統(tǒng)故障電弧的問題提供參考。

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