航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件絕緣故障分析與性能測試

孫兆榮 袁少帥 英福君 石旭東

摘? 要： 絕緣性能是航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行及維護(hù)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全。針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件兩類關(guān)鍵的絕緣故障進(jìn)行了仿真分析，明確了絕緣電阻值與絕緣性能間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件絕緣性自動(dòng)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用硬件設(shè)備與上位機(jī)軟件控制相結(jié)合的模式。硬件系統(tǒng)包括高阻測量模塊、控制模塊、動(dòng)態(tài)組合切換模塊及轉(zhuǎn)接線纜等。軟件系統(tǒng)采用基于不同型號發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫的組件化程序設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)硬件模塊間的通信控制、測量邏輯控制、絕緣性測量回路建立、人機(jī)交互及數(shù)據(jù)報(bào)表生成與存儲(chǔ)等功能。該系統(tǒng)可一機(jī)多用，配合相應(yīng)的轉(zhuǎn)接線纜，可實(shí)現(xiàn)全部型號發(fā)動(dòng)機(jī)的絕緣性自動(dòng)測試需求，測試精度與測試速度得到大幅提高。

關(guān)鍵詞： 絕緣性能測試; 航空發(fā)動(dòng)機(jī); 電氣附件; 自動(dòng)化; 故障仿真; 網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類號： TN876?34; TP216? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）06?0129?04

Insulation faults analysis and performance testing for aero?engine electrical accessory

SUN Zhaorong， YUAN Shaoshuai， YING Fujun， SHI Xudong

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

Abstract： Insulation performance is an important indicator in the operation and maintenance of aero-engine， which concerns the flight safety of the aircraft. The two key insulation faults simulation and analysis for aero-engine electrical accessories are carried out， and the relationship between insulation resistance and insulation performance is clarified. An automatic insulation testing system for the aero-engine electrical accessory is designed based on all the above. The mode combined the hardware equipment with the upper computer software control is used for the system. The hardware system includes high resistance measurement module， control module， dynamic combination switching module and transfer cables， and so on. The software system realizes these functions such as the communication control between hardware modules， measurement logic control， establishment of insulation measurement circuit， human?computer interaction and data report generation and storage by means of the modular program design thinking based on the databases of different types′ engines. This system can realize multiple purposes in one machine， and meet the requirement of automatic insulation testing for all types′ engines with the corresponding transfer cables， which greatly improves the testing accuracy and testing speed.

Keywords： insulation performance testing; aero?engine; electrical accessory; automation; fault simulation; network communication

0? 引? 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件定義為發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳感器、執(zhí)行器及連接部件等，用于發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的獲取與實(shí)時(shí)監(jiān)測、發(fā)動(dòng)機(jī)控制回路數(shù)據(jù)交互與控制系統(tǒng)作動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)保護(hù)與切斷等。飛機(jī)飛行中，電氣附件將遭受電磁、機(jī)械、化學(xué)、外力、熱等各種因素的影響。隨著飛行周期的增加，電氣附件的絕緣介質(zhì)將發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，可能引起絕緣介質(zhì)的腐蝕、磨損及老化，甚至導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的破損[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，絕緣結(jié)構(gòu)的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度直接影響電氣附件的使用壽命。如對電氣附件存在的絕緣故障檢查不及時(shí)，維護(hù)不到位，將會(huì)影響電氣附件的數(shù)據(jù)獲取、傳輸、作動(dòng)及附近的電氣線路，甚至導(dǎo)致絕緣擊穿、匝間短路等絕緣故障，嚴(yán)重時(shí)引起電弧放電現(xiàn)象。如果電弧放電發(fā)生在燃油系統(tǒng)回路中，可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)起火，危及飛行安全。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件的絕緣故障研究及絕緣測試是十分必要的。

1? 測試需求分析

根據(jù)CMM（Compartment Maintenance Manual）手冊規(guī)定，發(fā)動(dòng)機(jī)維修過程中需要對電氣附件的絕緣性能進(jìn)行測試與分析，包括同一電氣附件不同插針間的絕緣測量（Pin/Pin）、同一電氣附件不同插針與地間的絕緣測量（Pin/Gnd）。以某型民航發(fā)動(dòng)機(jī)為例，CMM手冊明確規(guī)定了30個(gè)電氣附件共124個(gè)絕緣測試要求，具體分布如表1所示。

根據(jù)手冊中絕緣測試的要求，電氣附件絕緣故障分為兩大類：

1） 層間絕緣故障：指同一電氣附件中，同一線圈或不同線圈絕緣介質(zhì)間由于絕緣性能下降引起的絕緣故障。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)體積有限，電氣附件的不同線圈間、同一線圈的匝間、電氣線路間分布緊密，當(dāng)兩個(gè)相互靠近的匝間絕緣介質(zhì)均發(fā)生絕緣老化，可能在絕緣故障處產(chǎn)生電弧放電。

2） 對地絕緣故障，指同一電氣附件中，線圈或電氣線路絕緣介質(zhì)與地間由于絕緣性能下降造成的絕緣故障。當(dāng)絕緣介質(zhì)發(fā)生絕緣老化，對地絕緣阻值減小時(shí)，可能引起電壓擊穿。當(dāng)絕緣介質(zhì)被擊穿時(shí)，由于大電流的流過，絕緣介質(zhì)將出現(xiàn)燒焦的現(xiàn)象，對飛行安全帶來極大的危害。

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣活門為例，如圖1a）所示，設(shè)備號為W3P15的E/G兩插針間的測量方式稱為Pin/Pin測量，手冊中要求在DC 250 V電壓下，插針E和G及J和L間的最小絕緣值均為1 000 kΩ。如圖1b）所示，A/GND，L/GND，C/GND，J/GND，G/GND和E/GND，插針與地間的絕緣測量方式稱為Pin/Gnd測量。手冊中要求在DC 250 V電壓下，插針號為A，L，C，J，G，E的6個(gè)插針分別與地間的最小絕緣值為 1 000 kΩ。

2? 絕緣故障模型與仿真

2.1? 對地的絕緣故障模型與仿真

通過分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件的工作過程，搭建電氣附件對地絕緣故障的等效電路模型。如果絕緣介質(zhì)某處存在絕緣老化現(xiàn)象，隨著該處等效絕緣電阻R0、等效絕緣電容C0的不斷變化，R0與地間的電壓同時(shí)變化，得到絕緣故障處電壓U0與R0的關(guān)系。假設(shè)C0固定，通過改變電氣附件線圈對地的等效絕緣電阻值模擬其絕緣故障，得出U0和R0的變化關(guān)系。模擬電路的原理如圖2所示[2?3]。

在電氣附件對地絕緣故障仿真電路中，絕緣處的對地電壓如下：

式中：R0為絕緣故障處等效絕緣阻值;R為電氣附件的等效阻值;L為電氣附件的等效電感;C為電氣附件的等效電容;C0為絕緣故障處的等效電容。

當(dāng)C0取一系列固定值時(shí)，通過不斷改變電氣附件對地的電阻來模擬絕緣性能的變化過程，U0隨R0的變化關(guān)系如圖3所示。

當(dāng)C0取不同值時(shí)，隨著R0的不斷減小，U0存在明顯的過渡變化，在圖3的拐點(diǎn)前，U0隨R0的減小幾乎無變化。當(dāng)R0繼續(xù)減小而出現(xiàn)在拐點(diǎn)后時(shí)，U0隨R0的減小而直線上升。因此，拐點(diǎn)處對應(yīng)的R′（等效絕緣阻值的最小值）可作為判斷絕緣性能的閾值。當(dāng)R0>R′時(shí)，電氣附件的絕緣性良好;當(dāng)R0

2.2? 層間絕緣故障模型與仿真

航空發(fā)動(dòng)機(jī)供電為115 V、400 Hz的交流電，當(dāng)線圈發(fā)生絕緣磨損時(shí)，把線圈間的絕緣阻值等效為Z，則電弧故障的等效電路如圖4所示。

根據(jù)等效電路列KVL方程，可得：

式中：[Uarc]為電弧電壓;[iarc]為電弧電流;R為等效絕緣電阻;X為等效電抗;[L]為等效電感。

斯托克斯經(jīng)驗(yàn)公式如下：

將式（2）代入式（3）可得出電弧電壓與電弧電流間的關(guān)系如下：

式中，[g]為電弧放電間隙。

利用Matlab/Simulink建立電弧故障的仿真模型，通過改變線圈間的絕緣阻值R引起的電路變化來模擬電弧故障，其模型如圖5所示。

當(dāng)線圈絕緣層嚴(yán)重磨損時(shí)，層間的絕緣電阻很小，基本上可以等效為短路。假如取極端時(shí)的等效絕緣阻值，即R→0，此時(shí)的電流變化情況如圖6所示。

當(dāng)線圈不存在層間絕緣故障時(shí)，R在幾百兆歐以上。假如取極端時(shí)的等效絕緣電阻，即R→∞，此時(shí)的電流變化情況如圖7所示。

當(dāng)?shù)刃Ы^緣阻值R從∞逐漸減小到0時(shí)，線圈間的電流與R間的關(guān)系如圖8所示。

通過圖6、圖7可知，在線圈間完全短路或完全絕緣兩種極端情況下，電流的變化可達(dá)到1×105倍。由圖8可知，兩線圈間的等效絕緣阻值R大于某個(gè)值，即在拐點(diǎn)前時(shí)，電流幾乎無變化，當(dāng)兩線圈間的等效絕緣阻值R小于某值，即在拐點(diǎn)之后時(shí)，電流直線上升，將發(fā)生電弧現(xiàn)象[4?6]。

3? 電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)

3.1? 測試系統(tǒng)硬件

測試系統(tǒng)分為核心控制模塊、高阻測量模塊、動(dòng)態(tài)回路切換模塊及轉(zhuǎn)接線纜等，靜態(tài)測試系統(tǒng)連接如圖9所示。該系統(tǒng)可針對任意型號發(fā)動(dòng)機(jī)完成580個(gè)測試點(diǎn)的自動(dòng)絕緣測試，并將測試結(jié)果及故障與否記錄到數(shù)據(jù)庫，生成測試報(bào)表。

高阻表正負(fù)端分別連接在矩陣開關(guān)節(jié)點(diǎn)A和B，使其與雙刀矩陣開關(guān)相應(yīng)的縱向通道連接。在執(zhí)行絕緣測試時(shí)，閉合B組縱向節(jié)點(diǎn)（B，Y1）以及F組縱向節(jié)點(diǎn)（F，Y1），閉合A組縱向節(jié)點(diǎn)（A，Y2）以及E組縱向節(jié)點(diǎn)（E，Y2），待測端子分別與E組縱向通道及F組縱向通道相連。此時(shí)，高阻表正負(fù)端分別與待測端子和地相連，形成兩線制的絕緣測試回路。

3.2? 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)采用基于數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)的組件化程序設(shè)計(jì)思路，主要模塊包括人機(jī)交互模塊、絕緣測量模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊等，軟件結(jié)構(gòu)如圖10所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)采用基于LabVIEW可視化軟件。軟件系統(tǒng)主要包含測試程序軟件及數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫調(diào)用是執(zhí)行該測試模塊的基礎(chǔ)，其調(diào)度關(guān)系如圖11所示。

不同型號發(fā)動(dòng)機(jī)對應(yīng)相應(yīng)的機(jī)型配置數(shù)據(jù)庫。絕緣測試開始時(shí)，數(shù)據(jù)庫調(diào)度程序從機(jī)型配置數(shù)據(jù)庫中提取發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)信息及每條測試回路的矩陣開關(guān)節(jié)點(diǎn)，并控制被測回路矩陣開關(guān)節(jié)點(diǎn)的通斷，構(gòu)成滿足絕緣測試要求的回路。測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫用于記錄絕緣性測試結(jié)果信息。操作記錄數(shù)據(jù)庫用于記錄測試的執(zhí)行步驟。故障記錄數(shù)據(jù)庫用于記錄測試中存在絕緣故障的結(jié)果信息，方便發(fā)動(dòng)機(jī)測試工程師查看測試故障及排故。底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)測試程序模塊與硬件模塊的通信，通過調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)軟件調(diào)度硬件模塊執(zhí)行相應(yīng)的功能。

3.3? 測試系統(tǒng)測試結(jié)果

以某型號發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為例，該系統(tǒng)可完成248個(gè)測試點(diǎn)的自動(dòng)絕緣測試，測試用時(shí)約20 min。測試結(jié)果包括電氣附件件號、針腳號、手冊規(guī)定的絕緣阻值區(qū)間、絕緣測試要求的電壓、測試阻值、測試結(jié)果等關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)場測試的部分測試數(shù)據(jù)如圖12所示。實(shí)測阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于絕緣電阻最小值，說明該發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件不同插針間、插針與地間的絕緣性良好，不存在絕緣故障隱患。

4? 結(jié)? 論

通過民航發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件絕緣性能測試需求分析、絕緣性故障類型仿真建模，確定電氣附件絕緣故障的阻值閾值，指導(dǎo)測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中絕緣阻值區(qū)間的設(shè)置。航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件絕緣性測試系統(tǒng)已在發(fā)動(dòng)機(jī)維修單位投入使用，良好地完成了電氣附件絕緣性測試功能，能實(shí)現(xiàn)不同型號發(fā)動(dòng)機(jī)的測試需求，大大縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的占廠時(shí)間，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)試車次數(shù)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的維修成本。

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