民用飛機線束電弧故障因素分析及預防措施

李妍加 董文倩

摘 要：線束電弧故障可能使周圍的線束、系統(tǒng)和結構零部件損傷，甚至失效，極大地影響了民用飛機的安全性和可靠性。因此，需要在民用飛機的設計、制造、操作與維護中，加強線束電弧故障的預防意識。本文首先介紹了民用飛機線束電弧故障的機理，其次對線束電弧故障的類型及引發(fā)故障的因素進行了分析，重點對預防線束電弧故障的措施進行了說明，對民用飛機電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）的設計具有一定的參考意義。

關鍵詞：電弧；隔離；絕緣；EWIS

引言

EWIS作為機上眾多關鍵系統(tǒng)之一，其穩(wěn)定性在某種程度上決定了民用飛機的安全性。在民用飛機的整個使用壽命期間，EWIS可能在不同區(qū)域以不同的形式出現損傷，由此損傷導致的連帶故障發(fā)生概率將會增大，而在眾多故障失效情況中，線束電弧故障極大地威脅著民用飛機的安全性。當導線與導線，導線與機上導體之間的電場強度超過導體之間絕緣介質的擊穿強度時，在線束中就會產生電弧甚至引發(fā)事故。

1 電弧機理、類型及產生原因

1.1 電弧機理

正常狀態(tài)下，氣體具有良好的電氣絕緣性能，但當在氣體間隙的兩端加上足夠大的電場時，電流便會通過氣體，這種現象就稱為氣體放電。放電現象與氣體的種類、壓力、電極的材料和幾何形狀、兩極間的距離以及加在間隙兩端的電壓等因素有關。電弧是氣體放電的一種形式，也是電能通過氣體產生的發(fā)光放電現象。電弧的特點是溫度很高，電流很小，持續(xù)時間短，一旦出現擊穿點則會頻繁出現。電弧的產生會釋放大量的熱，并且有可能形成點火源，引燃周圍的易燃物。電弧印跡是一種在絕緣表面形成導電碳通路的現象，絕緣層的裂縫易產生電弧并使絕緣層碳化，碳殘余物是導電的，由此形成了短暫的電流通路。

1.2 線束電弧故障類型及產生原因

民用飛機線束上的電弧故障一般分為并行電弧故障和串行電弧故障。

并行電弧故障一般在線束中產生，通常發(fā)生在導線之間或導線與金屬結構之間。在民機電氣系統(tǒng)中，并行電弧故障主要是由導線絕緣層的破損造成導體外露產生的。并行電弧故障會釋放巨大的能量，導致周圍易燃物持續(xù)過熱引發(fā)火災。

民用飛機上產生線束并行電弧故障的主要原因在于絕緣層受損或老化，而造成絕緣層受損或老化的因素如下：

（1）由于機體結構空間有限，導致線束不可避免的與敷設區(qū)域的結構件直接接觸，加之飛機在長時間飛行過程中會產生大量的震動，線束與周圍堅硬的結構件表面產生摩擦致使絕緣層破損；

（2）線束安裝時，超過允許的半徑彎曲會破壞導線絕緣層的性能；

（3）線束密閉于機身內且散熱不充分使其長時間處于高溫狀態(tài)。飛機起降過程中溫度的劇烈變化，也會導致線束表面凝結水霧。長時間處于潮濕環(huán)境會使導線絕緣層分解老化進而引起絕緣材料的損壞；

串行電弧故障一般產生于單根線路，主要發(fā)生在線束端接插頭松動處。在松動處的兩端，電壓開始時有幾百毫伏，導體逐漸緩慢氧化、腐蝕直至被加熱，當電壓逐漸發(fā)展到幾伏時就會產生電弧故障。線束端接器件的氧化腐蝕、連接損壞以及內部金屬導體斷裂等都有可能引起串行電弧故障。

線束端接處的松動通常由以下兩個因素導致：

（1）飛機中高振區(qū)發(fā)生的正常振動導致線束端接處的松動；

（2）飛機的維修和檢查等人為操作導致線束端接處的松動。

2 線束電弧故障預防措施

2.1 并行電弧故障預防措施

EWIS安裝設計時需要考慮采用適當的空間分離、應力釋放以及合理選擇導線絕緣材料等措施，降低并行電弧故障產生的風險。

2.1.1 分離/隔離

線束設計和安裝時應與其他的飛機零部件、結構之間保持足夠的物理間距，避免線束受尖銳邊角的磨擦導致絕緣材料的受損。由于空間等其他因素限制而不能保持最小分離距離時，線束應額外增加護孔環(huán)或護邊等隔離措施，防止線束的磨損。如圖1所示，由于線束與結構之間缺少隔離器件，在振動情況下，極易導致線束與結構減輕孔之間的磨損而引發(fā)并行電弧故障。

2.1.2 應力釋放

線束安裝時由于過度彎曲導致絕緣層褶皺加劇，飛機在長時間的運行中，褶皺處的導線絕緣層會出現開裂老化現象，易引發(fā)并行電弧故障，如圖2所示為線束過度彎曲的示例。三維設計時，設計人員應嚴格遵循設計規(guī)范的要求設置線束彎曲半徑，一般單根導線或電纜，最小的彎曲半徑應是其外徑的10倍；由多根導線和電纜組成的線束，其最小彎曲半徑應是線束外徑的6倍，且絕對不能小于其中直徑最大導線的10倍徑；同軸電纜的彎曲半徑是其外徑的10倍。當線束由于結構空間有限無法滿足規(guī)定的彎曲半徑時，可以通過改變敷設路徑或調整卡箍安裝方向等措施，使線束敷設路徑滿足規(guī)定的彎曲半徑值。

同時，為了避免線束和單根導線長時間處于拉緊狀態(tài)，線束安裝設計時還應提供充足的松弛量。通常兩個支撐點之間的線束可以允許存在0.5 in的松弛量，避免過長的線束余量隨意抖動，與其他線束、結構或設備相碰撞導致導線絕緣層損傷。

2.1.3 導線絕緣材料選用

絕緣材料良好的性能可以有效降低電弧故障發(fā)生的概率，設計階段對于導線絕緣材料的選擇顯得尤為重要。選擇導線絕緣材料時，應考慮到導線絕緣材料的耐磨性、抗電弧特性、絕緣強度以及環(huán)境耐受性等能力。某些絕緣材料，如芳香烴聚酰亞胺絕緣材料比其他類型絕緣材料更容易產生電弧印跡，應嚴格限制其在電氣線路中使用。

在飛機的發(fā)動機艙和APU艙等高溫區(qū)域，線束長時間暴露于過熱環(huán)境下，導線的絕緣層極易出現干燥和破裂現象而加速老化。因此，飛機的高溫區(qū)域應采用耐高溫導線，如含氟聚合物和聚酰亞胺的絕緣材料，這種絕緣材料在高溫環(huán)境下可繼續(xù)維持機械和電氣特性，對降低線束電弧故障起到了有效的作用。

2.2 串行電弧故障預防措施

為減輕線束串行電弧故障對臨近線束、飛機結構和系統(tǒng)造成的損害，EWIS設計階段可以通過優(yōu)選端接器件、定期維護及規(guī)范人為操作等措施，盡可能避免串行電弧故障的發(fā)生。

2.2.1 優(yōu)選端接器件

由于多數的串行電弧故障都是由振動引起的端接處接觸不良或斷續(xù)連接造成。因此，對于飛機的中高振動區(qū)域，應特別關注線束端接器件的選型問題。

對于連接器的選用，在中等振動區(qū)域，盡量選擇具有鎖緊裝置的連接器以防止振動引起的接頭松動，在高振動和持續(xù)振動區(qū)域，推薦使用帶有螺紋連接的連接器。

對于卡箍的選用，在高振區(qū)可采用抗振性能良好的金屬卡箍支撐線束，尤其注意線束端接區(qū)域卡箍的布置，盡量使卡箍安裝角度與線束走向一致并起到有效固定線束的作用，避免線束因劇烈振動導致的串行電弧故障，如圖3所示為線束端接區(qū)域卡箍的安裝方式。

對于其他線束端接器件，如接線模塊、斷路器、接觸器等，如果長時間處于振動環(huán)境，線束端接處也會出現斷續(xù)連接、腐蝕、斷裂等問題。因此，選型時也需要特別關注線束端接器件所使用的環(huán)境，避免出現線束串行電弧故障繼而引發(fā)火災。

2.2.2 定期維護

為了能夠及時發(fā)現線束端接處的連接斷開等故障，有必要對線束的端接器件進行定期的檢查。在線束端接器件選型階段，設計人員通過提前預估其工作壽命，制定合理的端接器件維護周期，可方便維護人員日后有針對性地對線路故障進行排查檢修。

線束端接器件的可靠性與器件本身、安裝方式及工作環(huán)境均有一定的關系，EWIS設計階段無法十分準確地預估出器件的工作壽命。但設計人員可以依據相似機型的經驗數據及供應商提供的產品手冊等信息，預估線束端接器件工作壽命；同時也可以在試驗室模擬不同的使用環(huán)境，并通過一段時間的試驗，使端接器件自身潛在的缺陷逐漸暴露出來，從而為設計人員預估線束端接器件的工作壽命提供有力的數據支持。此外，維修人員也可依據端接器件預估的工作壽命，在線路故障維修檢查時，定期更換有潛在損壞可能的端接器件，盡量使用抗振動性能更加優(yōu)良的器件來實現線路功能，及時有效的避免串行電弧故障的發(fā)生。

2.2.3 規(guī)范人為操作

飛機上進行維修檢查時應謹慎操作，維修人員不應在線束上踩踏，行走和攀爬，同樣也不能將連接器和所連接的線束作為扶手使用，盡量避免人為失誤造成線束端接處接頭的松弛連接。

3 結語

隨著飛機線束電弧故障引發(fā)的事故逐漸增多，電弧故障的預防設計也越發(fā)受到適航當局和飛機設計方的高度重視。為了保證飛機能夠安全、可靠的工作，必須從設計的各個方面考慮線束電弧故障問題。本文分析了引發(fā)線束電弧故障的幾種主要因素，并對電弧故障的預防措施進行了歸納和總結，但電弧故障的原因和防護設計不止本文所述，仍有待進一步研究與探索。

參考文獻

[1]楊立樹.航空電氣系統(tǒng)絕緣故障的研究[D].大連理工大學，2008.

[2]呂明，劉洋，李鵬昌.民用飛機線束電弧問題研究[J].航空科學技術，2014，（11）：19-22.

（作者單位：中航沈飛民用飛機有限責任公司 工程研發(fā)中心）