飛機(jī)電源配電線路故障在翼測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

楊娟 李運(yùn)富 任仁良

摘 ?要： 飛機(jī)電源系統(tǒng)的配電線路安全直接影響著飛機(jī)上電氣設(shè)備的工作安全。飛機(jī)供電線路阻值以及故障保護(hù)時(shí)間是重要性能參數(shù)，反映了線路的導(dǎo)電性和可靠性?；贚abVIEW開發(fā)的飛機(jī)電源配電線路故障在翼測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了配電線路、跳開關(guān)和連接件等多種線路連接元素的總等效阻值測試，診斷回路導(dǎo)通性故障;并通過人機(jī)交互界面按需設(shè)置模擬飛機(jī)線路過載或短路故障，測試線路故障保護(hù)時(shí)間和I2t保護(hù)曲線，獲取跳開關(guān)性能狀態(tài)。該測試系統(tǒng)在不影響飛機(jī)原有線路構(gòu)型情況下模擬線路故障并實(shí)現(xiàn)在翼測試，可快速診斷線路導(dǎo)通性及保護(hù)器件性能狀態(tài)，具備多通道拓展功能，對飛機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷研究具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 飛機(jī)電源; 配電系統(tǒng); 線路故障; 跳開關(guān); 保護(hù)時(shí)間; 在翼測試

中圖分類號： TN954+.2?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）10?0113?05

Design research of fault on?wing test system for electrical power

distribution circuit of aircraft

YANG Juan1， LI Yunfu2， REN Renliang1

（1. Engineering Technical Training Center， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China;

2. College of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： The power distribution line status of the aircraft′s power supply system affects the operation safety of the airborne electrical equipment directly. The resistance value and fault protection time of the power supply circuit of aircraft are important performance parameters that can reflect the conductivity and reliability of the circuit. Therefore， a fault on?wing test system is developed for the electrical power distribution circuit of the aircraft on the basis of the LabVIEW， so as to realize total equivalent resistance value test of various line connection elements such as power distribution line， circuit breakers and connecters， and diagnose the conductivity fault of the loop. The overload and short circuit faults of the aircraft line are set and simulated on demand by means of the human?machine interactive interface. The line fault protection time and I2t protection curve are tested to obtain the performance states of circuit breakers. The test system can simulate the circuit faults and implement the on?wing test without affecting the original circuit configuration of the aircraft， and rapidly diagnose the line connectivity and performance states of protective devices， which has a multi?channel expansion function， and a certain reference value for research on fault diagnosis of the power supply system of aircraft.

Keywords： aircraft power supply; power distribution system; line fault; circuit breaker; protection time; on?wing test

0 ?引 ?言

飛機(jī)電源系統(tǒng)配電包括從電源匯流條到用電設(shè)備輸入端的部分，由電網(wǎng)配電裝置和電網(wǎng)保護(hù)裝置組成，其作用是將電源產(chǎn)生的電能傳輸和分配到飛機(jī)各用電設(shè)備。以B787為代表的“多電飛機(jī)”上機(jī)載大功率負(fù)載數(shù)量大幅增加，對電網(wǎng)的沖擊明顯增多。現(xiàn)代飛機(jī)配電線路復(fù)雜程度越來越高，線路的相互干擾隨之增多。此外，隨著飛機(jī)逐漸進(jìn)入老齡化，線路及保護(hù)器件老化問題逐漸凸顯[1?5]。飛機(jī)地面排故維修過程中，人工測試方法僅能利用簡單儀表實(shí)現(xiàn)跳開關(guān)通斷測試，無法深度探知器件的性能狀態(tài)以及產(chǎn)生誤動作的幾率。此外，針對老齡飛機(jī)所開展的定期線路檢查工作面臨著線路保護(hù)跳開關(guān)數(shù)量龐大，拆卸困難，規(guī)格多樣的問題，通過人工逐一完成，工作量大且效率極低，又容易產(chǎn)生誤檢，漏檢等人為差錯。航空維護(hù)過程中，在翼測試目標(biāo)配電線路故障狀態(tài)并對線路中保護(hù)器件進(jìn)行參數(shù)測量和評定十分必要。

1 ?測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

飛機(jī)配電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 ?飛機(jī)配電系統(tǒng)示意圖

飛機(jī)電源配電線路故障在翼測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示[6?7]。

圖2 ?測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該測試系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)配電回路正常工作模式下線路阻值測試和配電回路非正常工作模式下跳開關(guān)保護(hù)時(shí)間測試。系統(tǒng)主要分為6個模塊：電源模塊、人機(jī)交互控制與指示模塊、負(fù)載控制模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和被測件模塊。上述6個模塊綜合實(shí)現(xiàn)測試參數(shù)設(shè)置功能、負(fù)載控制功能、被測件測試功能和參數(shù)比較分析功能。硬件模塊中集成了軟件功能，實(shí)現(xiàn)整個故障檢測、參數(shù)測試和數(shù)據(jù)分析與比較功能。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心部件連接情況如圖3所示。圖3中，測試設(shè)備通過外接電纜直接連接飛機(jī)3相115 V/400 Hz電源作為系統(tǒng)直接或間接的工作電源。變壓整流器是飛機(jī)二次電源設(shè)備，輸出穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)參數(shù)符合飛機(jī)供電特性標(biāo)準(zhǔn)，將3相115 V/400 Hz飛機(jī)電源轉(zhuǎn)換成28 V機(jī)載直流電為測試主回路提供工作電源。其中電子負(fù)載、工控一體機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡環(huán)路實(shí)現(xiàn)人工遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總回路電流值。

圖3 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡采用USB?6009數(shù)據(jù)采集卡，單通道最高采樣率為48 KSPS，實(shí)時(shí)采集回路電流值，系統(tǒng)可同時(shí)連接8路測試通道，一次接線實(shí)現(xiàn)8路回路測試。功控一體機(jī)是測試軟件的硬件平臺，可通過操作鼠標(biāo)鍵盤或者直接手觸液晶顯示屏操控兩種方式來對測試系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互控制。工控一體機(jī)控制分別與電子負(fù)載通過USB轉(zhuǎn)TTL的轉(zhuǎn)接接口相連、通過USB接口與數(shù)據(jù)采集卡相連;電子負(fù)載單元與數(shù)據(jù)采集卡通過BNC接口連接。為避免受機(jī)上其他設(shè)備信號干擾，線路連接全部使用屏蔽導(dǎo)線。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用NI公司的LabVIEW 2015作為開發(fā)平臺。LabVIEW具有內(nèi)置的圖形用戶界面，操作直觀，使用簡便，包含豐富的數(shù)據(jù)分析處理庫函數(shù)，提供了編程巨大的靈活性和很高的可靠性，能夠充分實(shí)現(xiàn)操作靈活、功能強(qiáng)大和用戶界面友好的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)軟件部分通過LabVIEW 2015程序編輯，實(shí)現(xiàn)信號的記錄、信號的實(shí)時(shí)分析、信號的后期分析和輸出圖形的功能。

3.1 ?測試初始化設(shè)置

測試初始化設(shè)置部分，設(shè)置數(shù)據(jù)端口選擇下拉菜單，并可對電子負(fù)載實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作模式和人工操作模式選擇。初始設(shè)置如圖4所示。

圖4 ?初始設(shè)置

3.2 ?線路電阻測試

線路電阻直接反映了目標(biāo)線路的連接質(zhì)量和導(dǎo)電狀態(tài)。一條供電線路中集成了多種電阻元素，包括導(dǎo)線阻值、跳開關(guān)接觸電阻、線路中有壓接、搭接、插接、螺栓緊固連接和焊接等各種連接電阻，線路的總阻值計(jì)算為：

[R線=i=1nRi] （1）

通過測量線路電阻可定性地判斷線路連接的可靠性和安全性，定性檢查線路的導(dǎo)電性和接地是否良好，是質(zhì)量檢查或故障診斷的手段之一。

飛機(jī)配電線路保護(hù)器件跳開關(guān)的接觸電阻是接觸表面兩邊的電位差與通過的電流的比值，符合歐姆定律。以額定電流為1 A的跳開關(guān)為例，測量小功率連接器的接觸電阻時(shí)，如信號通道的接插件、繼電器和開關(guān)等，為了防止接觸表面受熱燒結(jié)，要用小電流進(jìn)行測量，這樣才能反映在小電流下使用時(shí)的實(shí)際情況。

線路電阻測試條件是在被測件額定功率條件下完成。根據(jù)配電線路中跳開關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定線路電流值，如圖5所示。檢測線路中電子負(fù)載兩端實(shí)際電壓和電流值通過檢測模塊獲取，如圖6所示。

圖5 ?設(shè)定電流值程序

回流中導(dǎo)線阻值、跳開關(guān)接觸電阻、線路中壓接、搭接、插接、螺栓緊固連接和焊接等各種連接電阻的等效電阻總和為：

[RX=US-U實(shí)I實(shí)] ? ? ? ?（2）

式中：[RX]為線路電阻;[US]為飛機(jī)供電電源;[U實(shí)]為電子負(fù)載兩端實(shí)際電壓值;[I實(shí)]為線路實(shí)際電流值。

圖6 ?線路實(shí)際值檢測

3.3 ?過載/短路故障設(shè)置及保護(hù)時(shí)間測試

飛機(jī)電氣設(shè)備使用不當(dāng)，電機(jī)、電器、電線等電氣設(shè)備的絕緣老化，受機(jī)械損傷或戰(zhàn)斗損壞等原因，都有可能使電氣線路發(fā)生過載或短路。電路短路時(shí)將出現(xiàn)很大的短路電流， 隨之產(chǎn)生大量熱量和機(jī)械力，致使設(shè)備損壞，供電中斷，甚至造成事故;如果故障處產(chǎn)生電弧， 將使故障處金屬熔化或燃燒從而出現(xiàn)間歇性短路，這是極其危險(xiǎn)的。通過測試系統(tǒng)模擬飛機(jī)電源配電線路過載和短路故障，是測試線路故障保護(hù)功能的基礎(chǔ)。調(diào)節(jié)電子負(fù)載，模擬線路過載或短路故障，過載故障輸出范圍為100%I額

以保護(hù)電流額定值為1 A的飛機(jī)配電線路為例，非正常工作狀態(tài)下線路電流可通過人工或遠(yuǎn)程控制電子負(fù)載調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)1.0～11.9 A范圍內(nèi)的過載數(shù)值設(shè)定，以及12.0～17.8 A范圍內(nèi)的短路數(shù)值設(shè)定。數(shù)值設(shè)置可根據(jù)需求選擇0.1和1兩檔設(shè)定值遞增輸入，過載測試點(diǎn)119個，或可按需填寫加載數(shù)值。程序設(shè)置見圖7。

圖7 ?線路過載故障和短路故障設(shè)置

跳開關(guān)是飛機(jī)配電線路最常用保護(hù)裝置，以串聯(lián)方式接入被保護(hù)的電路中，當(dāng)被保護(hù)的電路因電網(wǎng)波動發(fā)生過載或短路故障時(shí)，線路電流達(dá)到或大于某一數(shù)值時(shí)， 跳開關(guān)動作，從而切斷被保護(hù)電路，保護(hù)機(jī)載設(shè)備和飛機(jī)電源系統(tǒng)。飛機(jī)跳開關(guān)性能直接影響著配電網(wǎng)絡(luò)的安全性，準(zhǔn)確測試其性能參數(shù)對于保證飛機(jī)電網(wǎng)安全有一定意義。跳開關(guān)保護(hù)反映時(shí)間的大小是重要性能參數(shù)[8?11]。根據(jù)MIL?STC?1760和MIL?P?81653B標(biāo)準(zhǔn)的要求，飛機(jī)線路保護(hù)器件需滿足跳開時(shí)間反延時(shí)的特性要求。

[T=A（IIp）B-1·Tp] ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[T]為反延時(shí)關(guān)斷動作時(shí)間;[I]為實(shí)際采樣電流;[Ip]為額定電流;[Tp]為時(shí)間常數(shù);A和B為不同反延時(shí)特性方程常數(shù)。根據(jù)不同的反延時(shí)保護(hù)特性，常數(shù)A和B的取值有所區(qū)別，一般反延時(shí)A=0.14，B=0.02;非常反延時(shí)A=13.5，B=1;特別反延時(shí)A=80，B=2。飛機(jī)配電線路選擇特別反延時(shí)保護(hù)。

保護(hù)時(shí)間測試如圖8所示，測試回路電子負(fù)載輸出數(shù)據(jù)大于0.2時(shí)，開始進(jìn)入線路過載或短路故障啟示計(jì)時(shí)時(shí)刻，通過計(jì)時(shí)子VI檢測跳開關(guān)過流保護(hù)跳開時(shí)刻，前后時(shí)間差為過載保護(hù)時(shí)間。

圖8 ?保護(hù)時(shí)間測試

4 ?測試系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

工控一體機(jī)控制單元設(shè)有支持觸摸屏功能RS 232&

USB組合接口，用戶可通過操作鼠標(biāo)鍵盤或者直接手觸液晶顯示屏操控兩種方式來對測試系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互控制見圖9。通過圖9a）中的測試主界面，用戶可進(jìn)入完成系統(tǒng)初始設(shè)置、過載/短路故障設(shè)置、保護(hù)時(shí)間測試、接觸電阻測試以及退出測試系統(tǒng)。圖9b）中的測試子界面提供了各個測試內(nèi)容的控制按鈕和顯示數(shù)值或曲線。

5 ?測試案例分析

以某型飛機(jī)負(fù)載LOAD1和負(fù)載LOAD2的工作回路為例，在翼測試線路連接示意圖如圖10所示。

負(fù)載采用飛機(jī)DC 28 V BAT BUS匯流條供電，線路保護(hù)跳開關(guān)C001額定電流值為1 A。負(fù)載LOAD1線路由飛機(jī)匯流條經(jīng)過Line1→跳開關(guān)C01→Line2→拼接管SM01→Line3→航空插頭D10→Line4→接線塊TB01→Line5→拼接管SM02，拼接管SM02并聯(lián)接出Line6和Line7，分別連接上負(fù)載LOAD1的航空插頭D30的2號和3號插釘， Line8接地（飛機(jī)外殼）;負(fù)載LOAD2線路由飛機(jī)匯流條經(jīng)過Line1→跳開關(guān)C01→Line2→拼接管SM01→Line9→航空插頭D20→Line10→接線柱XB1→Line11→接線塊TB02→Line12→拼接管SM03→Line13→LOAD2插頭D40的1號插釘，Line15接地（飛機(jī)外殼）。

圖9 ?測試系統(tǒng)主界面和子界面

圖10 ?在翼測試線路連接示意圖

圖10中，LOAD1的配電線路導(dǎo)線總長7.1 m，線路中存在4個線路轉(zhuǎn)接和連接部件，電氣連接點(diǎn)若干;LOAD2的配電線路導(dǎo)線總長10.8 m，線路中存在5個線路轉(zhuǎn)接和連接部件，電氣連接點(diǎn)若干。

為了避免測試過程中起動機(jī)載電源，并在不破壞飛機(jī)原有電路基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)配電線路故障在翼測試，將匯流條與Line1脫開，由電氣連接線路將測試系統(tǒng)DC 28 V測試電源接入替代匯流條工作電源;另一端將D30與LOAD1脫開，將測試系統(tǒng)負(fù)載輸出正極線路02和03以及接地線路01經(jīng)過匹配接口與D30相連。

在上位機(jī)上遠(yuǎn)程控制電子負(fù)載設(shè)備，在跳開關(guān)C01額定功率條件下測試線路電阻，測量值為2.013 Ω，說明線路導(dǎo)通性良好，診斷被測配電回路處于無故障狀態(tài)。

從1.0 A開始逐點(diǎn)設(shè)置線路過載功率值，每間隔0.1 A測量一個線路故障保護(hù)時(shí)間，系統(tǒng)采集并儲存數(shù)據(jù)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，利用Matlab的M文件繪制過載電流值與保護(hù)時(shí)間對應(yīng)曲線，與參考區(qū)間對比如圖11所示。

圖11 ?實(shí)測保護(hù)時(shí)間與參考區(qū)間對比

圖11中，LOAD1配電回路保護(hù)時(shí)間實(shí)測值在器件參考帶區(qū)間中，線路短路故障（1 200%額定功率）保護(hù)時(shí)間為0.101 s，線路過載故障（110%額定功率）保護(hù)時(shí)間為15.789 s，符合性能指標(biāo)要求。在線路額定電流臨界點(diǎn)工作條件下，系統(tǒng)可持續(xù)工作。

被測件I2t保護(hù)曲線如圖12所示。

圖12 ?I2t保護(hù)曲線

圖12中，短路狀態(tài)下，I2t值最大。系統(tǒng)回路在110%～1 100%過載狀態(tài)下，假如輸入電流為恒定值，保護(hù)時(shí)間大小取決于該電流值的大小。

在測試LOAD2配電回路時(shí)，將負(fù)載輸出01，02和03線路脫開，將04和05通過匹配接口與D40連接。測試過程與LOAD1相同。通過測試實(shí)例可知，該系統(tǒng)可順利實(shí)現(xiàn)一次接線，通過上位機(jī)系統(tǒng)指令分配，單獨(dú)測試不同目標(biāo)配電回路的要求。

6 ?結(jié) ?論

飛機(jī)電源配電線路故障在翼測試系統(tǒng)在不改變飛機(jī)配電線路原有構(gòu)型基礎(chǔ)上測試目標(biāo)線路等效總阻值，診斷線路導(dǎo)通性;并設(shè)置模擬線路過載或短路故障，測試飛機(jī)線路保護(hù)器件跳開關(guān)的保護(hù)時(shí)間值及I2t保護(hù)曲線，進(jìn)一步判定線路保護(hù)器件的性能狀態(tài)。通過本測試系統(tǒng)在飛機(jī)線路故障排除階段可快速確定跳開關(guān)誤動作或真實(shí)失效狀態(tài)，在線路定期維護(hù)階段測試跳開關(guān)現(xiàn)實(shí)性能狀態(tài)，評估使用壽命，避免了維修過程中破壞飛機(jī)原有線路構(gòu)型，解決工作效率低、人工耗時(shí)等問題[12?16]。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較長的使用壽命和升級空間，未來可根據(jù)需求加入新的模塊或升級現(xiàn)有模塊實(shí)現(xiàn)新的測試功能。

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