航空電氣電弧、短路危害及保護(hù)研究

曹濤

(中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引 言

1998年9月2日凌晨，一架隸屬瑞士航空，編號(hào)HB-IWF的MD-11三發(fā)寬體客機(jī)，在墜入大西洋后解體，全機(jī)229人無一生還。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)查，最終確認(rèn)此次空難是由電弧引發(fā)的非阻燃材料燃燒引起的火災(zāi)導(dǎo)致的[1]。2001年4月25日，加拿大航空公司一架DC-9客機(jī)從美國(guó)達(dá)拉斯市起飛，飛往加拿大多倫多市，飛機(jī)起飛后一個(gè)半小時(shí)，機(jī)尾盥洗室由于線路短路起火，引發(fā)嚴(yán)重的客艙火災(zāi)，造成23名乘客死亡的慘劇[2]。一次次慘痛的空難事件，使得航空電氣電弧、短路危害及保護(hù)的研究顯得非常重要。

國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量航空電氣電弧、短路的研究，但是大多都是有關(guān)理論方法和軟件仿真方面的研究。薛沛祥等[3]、王莉等[4]利用MATLAB軟件進(jìn)行了電氣電弧的研究；呂明等[5]、侯福生等[6]研究了電氣線路中電弧產(chǎn)生的原因和防護(hù)方法；楊軍等[7]對(duì)電弧的數(shù)學(xué)模型——黑盒模型和磁流體力學(xué)模型進(jìn)行了研究，選取簡(jiǎn)化的Schavemaker模型進(jìn)行分析。有些學(xué)者在試驗(yàn)室采用電弧發(fā)生裝置來研究電弧檢測(cè)和電弧特性，例如，王禹等[8]在試驗(yàn)室搭建了電弧發(fā)生裝置進(jìn)行電弧研究。

本文通過試驗(yàn)室搭建民用飛機(jī)115 V/400 Hz三相交流電氣線路，這種線路在民用飛機(jī)上屬于典型線路，采用試驗(yàn)法對(duì)飛機(jī)電氣電弧、短路故障現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證，分析傳統(tǒng)熱斷路器(Thermal Circuit Breaker，簡(jiǎn)稱TCB)的工作特性，確認(rèn)電氣電弧、短路故障對(duì)電氣線路和設(shè)備產(chǎn)生的危害程度；同時(shí)，探索更好的電氣電弧、短路保護(hù)方法。

1 電弧、電路原理及分類

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，表現(xiàn)為電流通過某些絕緣介質(zhì)(如空氣)所產(chǎn)生的瞬間火花。按電流種類可分為：交流電弧、直流電弧和脈沖電弧。電弧具有能量集中、溫度高、亮度大的特點(diǎn)，是一種具有強(qiáng)光和高溫的電游離現(xiàn)象[4]。民用飛機(jī)線束的電弧通常發(fā)生在導(dǎo)線之間或?qū)Ь€與金屬結(jié)構(gòu)之間，屬于并聯(lián)電弧，釋放出的能量巨大，超過5 500 ℃，可能引起導(dǎo)線絕緣層破裂碳化，形成導(dǎo)電通道，使金屬導(dǎo)體過熱從而引發(fā)火災(zāi)[9]。

按照故障電弧產(chǎn)生的位置可分為兩類：串型電弧和并行電弧，如圖1所示。串型故障電弧是由電極之間的松弛連接或接觸不良造成的。串型電弧一般發(fā)生在連接插件或串連負(fù)載連接處，腐蝕氧化、連接損壞、電纜絕緣劣化、內(nèi)部金屬導(dǎo)體斷裂等都可能引起串型故障電弧。并型故障電弧發(fā)生在相線與中線或相線與相線之間，由導(dǎo)體絕緣破壞等原因引起，是兩導(dǎo)線之間短路或?qū)Ь€與結(jié)構(gòu)之間的瞬時(shí)短路，是一種短路電弧[8]。

(a) 串型電弧 (b) 并型電弧

圖1 電弧故障類型

Fig.1 Types of arc fault

在航空電氣系統(tǒng)中，比如打孔形成的金屬碎屑綁扎在了線纜中，飛機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的飛行振動(dòng)，金屬碎屑會(huì)對(duì)線纜產(chǎn)生磨損，造成導(dǎo)線之間產(chǎn)生并行短路電弧。如果這種短路現(xiàn)象持續(xù)存在，就形成短路。本文研究的就是飛機(jī)上這種因金屬多余物引起的三相交流電路任意兩相線路分別產(chǎn)生短路電弧和短路，對(duì)線路、設(shè)備和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損壞。從而尋找新的技術(shù)，對(duì)線路中的電弧、短路進(jìn)行保護(hù)。

2 航空電氣電弧、短路特性試驗(yàn)

目前絕大部分民用飛機(jī)使用的是三相交流115 V/400 Hz恒頻電或三相交流115 V/360～800 Hz變頻電。本文試驗(yàn)采用115 V/400 Hz恒頻地面電源，地面電源功率120 kVA。

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)搭建民用飛機(jī)典型的三相交流電路，采用115 V/400 Hz、120 kVA恒頻地面電源，饋電線通過傳統(tǒng)的熱斷路器(50 A)連接到交流接觸器，在交流接觸器的任意兩相間，通過金屬導(dǎo)體進(jìn)行短接，表征民用飛機(jī)金屬多余物產(chǎn)生的電弧、短路現(xiàn)象，驗(yàn)證熱斷路器的保護(hù)能力，以及觀察電弧、短路產(chǎn)生的危害。搭建試驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 三相交流電路電弧、短路試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 模擬電弧試驗(yàn)

模擬電弧試驗(yàn)，斷路器輸出端的電壓變化如圖3所示，可以看出：電弧產(chǎn)生時(shí)電壓下降到約70 V。

斷路器輸入端的電流變化如圖4所示(試驗(yàn)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)電流單位未更改，故顯示的單位為Volts，實(shí)際為電流A)，可以看出：電弧產(chǎn)生時(shí)，電流激增至約2 400 A；電弧產(chǎn)生時(shí)間約30 ms，由于時(shí)間過短，熱斷路器無法產(chǎn)生保護(hù)，斷路器未跳開。

圖3 斷路器輸出端電壓(模擬電弧試驗(yàn))

圖4 斷路器輸入端電流(模擬電弧試驗(yàn))

2.3 模擬短路試驗(yàn)

模擬短路試驗(yàn)，斷路器輸出端的電壓變化如圖5所示，可以看出：短路產(chǎn)生時(shí)電壓下降至約106 V。

斷路器輸入端的電流變化如圖6所示，可以看出：短路產(chǎn)生時(shí)電流激增至約2 600 A；短路時(shí)間約220 ms，短路時(shí)間足夠長(zhǎng)，觸發(fā)了熱斷路器的保護(hù)功能，斷路器跳開保護(hù)。

圖5 斷路器輸出端電壓(模擬短路試驗(yàn))

圖6 斷路器輸入端電流(模擬短路試驗(yàn))

3 熱斷路器電路中的電弧、短路保護(hù)分析

熱斷路器電路中的電弧、短路試驗(yàn)已進(jìn)行多次，結(jié)果分析如表1所示。熱斷路器的安/秒特性曲線如圖7所示，由于熱斷路器安/秒特性曲線并沒有給出0.1～0.5 ms之間的曲線，根據(jù)熱斷路器安/秒特性曲線趨勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)难由臁?/p>

表1 電弧、短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

圖7 熱斷路器安/秒特性曲線

4 電弧、短路對(duì)線路、設(shè)備的危害

4.1 電弧危害

將金屬導(dǎo)體作為多余物，緩慢地靠近短路點(diǎn)(如圖2所示)。金屬多余物接近短路點(diǎn)，導(dǎo)致相間短路，產(chǎn)生電弧。在電弧中心產(chǎn)生高溫，引起局部空氣體積快速膨脹，將金屬導(dǎo)體沖走，并同時(shí)形成爆破音，熔融的液態(tài)金屬也會(huì)因局部氣體快速膨脹而飛濺。連續(xù)進(jìn)行5次電弧故障試驗(yàn)，斷路器均未跳開，如表1所示。

通過5次電弧試驗(yàn)可以看出：每次電弧短路的時(shí)間雖然較短，但是多次的電弧短路故障已經(jīng)對(duì)接觸器與接觸器座的連接點(diǎn)產(chǎn)生了損傷。如果持續(xù)的電弧放電，必然造成接觸器的損壞。

4.2 短路危害

為了觸發(fā)短路，將金屬導(dǎo)體卡在短路點(diǎn)，然后接通地面電源，連續(xù)進(jìn)行3次觸發(fā)短路故障試驗(yàn)，每次斷路器均跳開，如表1所示。在此過程中，故障點(diǎn)短路產(chǎn)生局部高溫，導(dǎo)致接觸器殼體、絕緣底座等受損，附近相關(guān)導(dǎo)線絕緣層以及接線端子絕緣保護(hù)套受損碳化。

通過電弧危害和短路危害的對(duì)比可以看出：在并型電弧中，電弧其實(shí)是一種時(shí)間更短的短路現(xiàn)象。而電氣短路時(shí)間較電弧長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量大，可以瞬間將接觸器損壞。

如何通過新的技術(shù)和方法，在電弧發(fā)生時(shí)就進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)，對(duì)航空電氣線路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

5 電弧檢測(cè)和保護(hù)方法

近年來，有學(xué)者提出在固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controller,簡(jiǎn)稱SSPC)中集成電弧檢測(cè)功能的想法[10-11]，即把繼電器、斷路器和電弧故障斷路器三種飛機(jī)配電系統(tǒng)中常用裝置集成于一體。一方面可以節(jié)約空間，減輕重量，另一方面也便于配電系統(tǒng)的集中管理，同時(shí)設(shè)備數(shù)量的減少也有利于提高配電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因此，為了全面提高航空電氣系統(tǒng)的安全性，對(duì)具有電弧檢測(cè)功能的SSPC進(jìn)行研究具有重要意義[12]。根據(jù)美國(guó)故障電弧斷路器安全標(biāo)準(zhǔn)UL1699，在400 Hz航空交流線路中，當(dāng)電弧故障斷路器在100 ms內(nèi)察覺到8個(gè)半周的故障電弧時(shí)，斷路器需要執(zhí)行脫扣動(dòng)作，切斷電路[13]。

5.1 時(shí)域檢測(cè)方法

時(shí)域檢測(cè)方法通過監(jiān)測(cè)電弧電壓與電流波形實(shí)現(xiàn)。由于電弧電流波形畸變，可以選取電弧電流的平均值或者峰值作為特征值進(jìn)行比較[14-15]；發(fā)生直流電弧故障時(shí)，可用分流器測(cè)得電弧電流突變的特性[16]。劉天宇[17]選取的電弧檢測(cè)判據(jù)為電流變化率判據(jù)與電流峰值判據(jù)，每檢測(cè)到一次電弧事件時(shí)，檢測(cè)結(jié)果輸出高電平，如圖8所示。本文在軟件設(shè)計(jì)程序中加入負(fù)載切換防止誤動(dòng)作的程序，以增強(qiáng)電弧檢測(cè)功能的抗干擾能力。

圖8 時(shí)域檢測(cè)法電弧檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.2 頻域檢測(cè)方法

頻域檢測(cè)方法通過分析電壓電流諧波含量實(shí)現(xiàn)，最常用的是傅里葉變換。一個(gè)典型的故障電弧電流與正常電流的FFT分析結(jié)果如圖9所示[17]，可以看出：故障電弧電流直流分量與諧波含量明顯高于正常電流，且基波含量有所下降。

(a) 正常電流波形

(b) 故障電流波形

(c) 正常電流頻譜

(d) 故障電流頻譜

5.3 時(shí)-頻域檢測(cè)方法

時(shí)-頻域檢測(cè)方法通過小波變換研究電弧電壓、電流的瞬態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電弧的檢測(cè)。小波變換能同時(shí)兼顧信號(hào)在時(shí)域與頻域的信息，如圖10所示[18]。

圖10 電弧電流db3小波3層分解結(jié)果

6 結(jié) 論

(1) 通過試驗(yàn)室試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)上金屬多余物引起的電弧故障，表明傳統(tǒng)熱斷路器不能實(shí)現(xiàn)電氣電弧故障的保護(hù)。如果電氣電弧進(jìn)一步發(fā)展為短路，傳統(tǒng)熱斷路器可以起到保護(hù)作用。如果一直處于電氣電弧故障狀態(tài)，將對(duì)飛機(jī)線路和設(shè)備產(chǎn)生不可控的危害。

(2) 即使發(fā)生幾次電氣電弧故障，就能對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損壞，現(xiàn)有的時(shí)域檢測(cè)方法、頻域檢測(cè)方法、時(shí)-頻域檢測(cè)方法，都采用100 ms內(nèi)8個(gè)半周的故障電弧檢測(cè)控制，這時(shí)對(duì)線路及電氣設(shè)備都已產(chǎn)生不可恢復(fù)的損壞。如果發(fā)生在燃油箱等危險(xiǎn)區(qū)域，將對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生災(zāi)難級(jí)的危害。因此必須更早地發(fā)現(xiàn)電弧并對(duì)其進(jìn)行保護(hù)隔離。

(3) 通過電弧、短路試驗(yàn)，在民用飛機(jī)配電及線路設(shè)計(jì)時(shí)，一定要做好相間隔離保護(hù)，防止電弧、短路對(duì)線路和設(shè)備的損壞。