航空接觸器動(dòng)作特性的退化現(xiàn)象與機(jī)理分析

張?jiān)?， 張秋生 ， 于春風(fēng) ， 劉治國(guó)

（1. 海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041；2. 92635部隊(duì)，山東 青島 266041）

0 引言

航空接觸器具有電路通斷控制功能，主要用于控制交流、直流主電路或大容量電路通斷的控制開關(guān)，其可靠性直接決定控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。三相交流接觸器觸頭磨損嚴(yán)重是造成其失效的主要原因[1-3]。其失效機(jī)理有很多，其中非常重要的一個(gè)方面就是三相觸頭不同步，即三相觸頭不能同時(shí)斷開或閉合，會(huì)導(dǎo)致各相觸頭磨損不均勻，使壽命下降。同時(shí)，觸頭不同步還會(huì)造成供電網(wǎng)絡(luò)三相電源不均衡，造成發(fā)電機(jī)保護(hù)，影響電網(wǎng)負(fù)載設(shè)備的正常工作；另一方面，某些航空電氣設(shè)備啟動(dòng)工作中產(chǎn)生的浪涌電流產(chǎn)生的高溫會(huì)加速交流接觸器觸頭熔焊趨勢(shì)，進(jìn)一步導(dǎo)致接觸器觸頭失效[4-9]。如果接觸器的動(dòng)作時(shí)間不符合要求，電路長(zhǎng)期出現(xiàn)異常浪涌電流，將對(duì)整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生致命性的破壞。

姬華等[10]通過試驗(yàn)驗(yàn)證和分析手段研究了觸頭彈跳、線圈參數(shù)以及電工純鐵材料性能等因素對(duì)交流接觸器吸合時(shí)間的影響，提出通過優(yōu)化觸頭彈簧參數(shù)、嚴(yán)格控制接觸器觸頭的彈簧力、優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)品線圈參數(shù)以及使用高牌號(hào)的電工純鐵等措施，降低交流接觸器的吸合時(shí)間，使產(chǎn)品的吸合特性更佳。但是，對(duì)交流接觸器多路觸頭之間的不同步性指標(biāo)并未研究。孫凱革等[11]對(duì)航空三相交流接觸器因長(zhǎng)期大負(fù)載工作引起觸頭發(fā)生熔焊的機(jī)理和失效原因進(jìn)行研究，并從產(chǎn)品維護(hù)和可修復(fù)性的角度，提出基于各接觸器的實(shí)際狀態(tài)，結(jié)合飛機(jī)大修，采取打磨、拋光觸頭的方法，減小觸頭接觸電阻，抑制觸頭磨損擴(kuò)大趨勢(shì)，突破接觸器修理技術(shù)瓶頸。鄭淑梅等[12]針對(duì)電弧電流對(duì)交流接觸器觸頭的侵蝕這一最主要因素，提出交流接觸器電壽命分布特征的數(shù)學(xué)模型，解釋了實(shí)際使用中交流接觸器電壽命呈現(xiàn)出的分散性。于春風(fēng)等[13]通過設(shè)計(jì)航空直流接觸器檢測(cè)試驗(yàn)條件及檢測(cè)電路對(duì)接觸器開展自然環(huán)境試驗(yàn)，表明當(dāng)前因飛機(jī)航空接觸器故障而影響飛機(jī)電氣系統(tǒng)正常工作的危險(xiǎn)性故障有很多，而地面維護(hù)人員缺乏相應(yīng)的理論研究思路和試驗(yàn)檢測(cè)手段，給接觸器的維護(hù)和使用帶來了極大的挑戰(zhàn)，是目前急需解決的一大技術(shù)難題。

本研究針對(duì)飛機(jī)泵站航空交流接觸器工作不穩(wěn)定引發(fā)的飛機(jī)發(fā)電機(jī)斷電故障，開展航空交流接觸器觸頭動(dòng)作特性的退化現(xiàn)象與機(jī)理分析，揭示觸頭動(dòng)作不同步使接觸器觸頭磨損及浪涌電流使接觸器觸頭產(chǎn)生熔焊故障的機(jī)理，為接觸器保護(hù)電路設(shè)計(jì)及改進(jìn)相應(yīng)維護(hù)手段提供借鑒。

1 故障情況

1.1 故障現(xiàn)象

根據(jù)飛行員觀察，飛機(jī)在著陸瞬間出現(xiàn)“右發(fā)電機(jī)斷開”及“非并聯(lián)工作故障”燈亮的故障。斷開右發(fā)電機(jī)重新接通后，一切恢復(fù)正常。因?yàn)轱w機(jī)著陸瞬間會(huì)接通泵站工作，所以反映該現(xiàn)象以后，地面維護(hù)人員檢查泵站所在線路，發(fā)現(xiàn)泵站自動(dòng)保護(hù)開關(guān)均無異?，F(xiàn)象。該飛機(jī)再次飛行后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)“輔助液壓故障”燈亮，輔助液壓壓力表無指示，停車后檢查發(fā)現(xiàn)泵站自保電門斷開。“輔助液壓故障”燈亮是因?yàn)楸谜緹o法工作而引起。

1.2 地面復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

圖1為飛機(jī)泵站供電線路簡(jiǎn)圖。在地面，將斷開的泵站自保電門接通，脫開泵站輸入線路，接通泵站電源，用萬用表檢查泵站自保電門端、泵站接觸器端以及泵站輸入端電壓，均符合規(guī)定要求。重新接通泵站通電檢查，當(dāng)?shù)孛娼涣麟娫赐娊油ū谜緯r(shí)，泵站工作聲音不正常。地面接通泵站時(shí)泵站工作情況會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況：1）接通泵站自動(dòng)保護(hù)開關(guān)，泵站工作不正常，持續(xù)5 s不正常工作以后，人為斷開泵站自動(dòng)保護(hù)開關(guān)；2）接通泵站自動(dòng)保護(hù)開關(guān)，泵站工作不正常，約2 s后自動(dòng)轉(zhuǎn)為正常工作；3）隨著通電次數(shù)頻繁，后續(xù)接通泵站時(shí)，泵站工作不正常約3 s，泵站自動(dòng)保護(hù)電門自動(dòng)斷開。在泵站工作不正常時(shí)用萬用表測(cè)泵站接觸器，有一路相電壓達(dá)200 V左右（正常為115 V），此時(shí)泵站工作不正常且有白煙產(chǎn)生，而自保開關(guān)不能斷開，立即人為斷開泵站自保電門，未能完成對(duì)該接觸器的三路測(cè)量。

圖1 泵站供電線路簡(jiǎn)圖Fig.1 Power supply line diagram of pump station

更換泵站接觸器，地面反復(fù)通電檢查泵站工作情況，發(fā)現(xiàn)情況正常，沒有再出現(xiàn)過右發(fā)斷開故障。將拆下的泵站接觸器用外加27 V電源反復(fù)通電接通10余次，發(fā)現(xiàn)其中一路觸頭在接觸器接通狀態(tài)下接觸電阻較其他觸頭明顯變大，最后變化為兆歐級(jí)別。

1.3 故障原因分析

根據(jù)地面檢查情況，初步判斷右發(fā)電機(jī)在飛機(jī)著陸瞬間斷開的原因是泵站接觸器工作性能不穩(wěn)定，造成接通泵站的瞬間泵站所接的電網(wǎng)工作電壓不穩(wěn)定、過載，某一相電壓過大，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)控制保護(hù)裝置斷開右發(fā)輸出。通過查看右發(fā)電機(jī)斷開現(xiàn)象架次的飛行參數(shù)，顯示有4次右發(fā)電機(jī)輸出斷開時(shí)飛機(jī)交流電源系統(tǒng)AB線電壓187 V，BC線電壓208 V，時(shí)間段長(zhǎng)達(dá)4 s，而正常應(yīng)為200 V，說明此時(shí)飛機(jī)交流電網(wǎng)系統(tǒng)確實(shí)受到干擾。

1.4 故障后果分析

該故障為飛機(jī)電源用戶設(shè)備（泵站線路接觸器）非正常工作導(dǎo)致三相電源不均衡，而該泵站自動(dòng)保護(hù)開關(guān)不能及時(shí)斷開泵站工作，而使得電網(wǎng)三相電不均衡，進(jìn)一步影響右發(fā)電機(jī)輸出不均衡，導(dǎo)致在飛機(jī)著陸過程中右發(fā)電機(jī)斷開。此時(shí)，右發(fā)電機(jī)控制保護(hù)器斷開右發(fā)電機(jī)輸出，進(jìn)行對(duì)發(fā)電機(jī)的保護(hù)。并且兩路電網(wǎng)并聯(lián)斷開，從而保護(hù)機(jī)上電網(wǎng)不受影響。如果此時(shí)發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作不能及時(shí)斷開，將影響右發(fā)電機(jī)斷開輸出，這樣左右發(fā)電機(jī)都沒有輸出，后果將不堪設(shè)想。要對(duì)接觸器失效機(jī)理進(jìn)行分析，需要對(duì)故障接觸器進(jìn)行較完整的檢測(cè)，找到問題根源的同時(shí)，提出相應(yīng)的維護(hù)解決措施，使故障從根本上杜絕，避免飛機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)再次出現(xiàn)故障，危及飛行安全。

2 電氣性能測(cè)試與分析

2.1 測(cè)試電路搭建

航空接觸器動(dòng)作時(shí)間測(cè)試電路如圖2所示。1/2、3/4、5/6是三相接觸器三路常開觸頭，示波器Ch1、Ch2、 Ch3通道分別測(cè)量三路常開觸頭的電壓，Ch4通道測(cè)量直流接觸器線圈電壓。通斷控制器可實(shí)現(xiàn)接觸器按照規(guī)定時(shí)間連續(xù)通斷，其基本原理為Jt1、Jt2電子時(shí)間繼電器互鎖控制，也可以用可編程控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)。具體測(cè)量實(shí)物如圖3所示。

圖2 航空三相交流接觸器同步性測(cè)試電路Fig.2 Synchronization test circuit of aviation three-phase AC contactor

圖3 航空交流接觸器同步性測(cè)試實(shí)物Fig.3 Real objects for synchronization test of aviation AC contactor

2.2 動(dòng)作時(shí)間測(cè)試

打開圖2中的供電開關(guān)。當(dāng)線圈通電，接觸器吸合。在接觸器吸合瞬間，示波器Ch4通道顯示接觸線圈電壓波形，Ch1、Ch2和Ch3通道分別顯示1/2、3/4和5/6三路常開觸頭的電壓波形（圖4a）。利用示波器光標(biāo)，讀出接觸器線圈通電瞬間電壓波形與各路觸頭接通瞬間電壓波形間隔時(shí)間，即為各路常開觸頭吸合時(shí)間。根據(jù)圖4所示的電壓波形，5/6觸頭未檢測(cè)到電壓，說明5/6觸頭不導(dǎo)通。這與前述故障分析中其中一路觸頭在接觸器接通狀態(tài)下接觸電阻較其他觸頭明顯變大，最后變化為兆歐級(jí)別的檢查結(jié)果相符。同時(shí)，根據(jù)各路觸頭波形波動(dòng)讀出觸頭彈跳時(shí)間。

圖4 航空接觸器觸頭吸合、釋放動(dòng)作電壓波形Fig.4 Voltage waveform of pull-in and release action of aviation contactor contact

斷開圖2中的供電開關(guān)。當(dāng)線圈斷電，接觸器釋放。在接觸器釋放瞬間，示波器Ch4通道顯示接觸線圈電壓波形，Ch1、Ch2和Ch3通道分別顯示三路常開觸頭的電壓波形（圖4b）。利用示波器光標(biāo)，讀出接觸器線圈斷電瞬間電壓波形與觸頭斷電瞬間電壓波形間隔時(shí)間，即為常開觸頭釋放時(shí)間。根據(jù)圖4b所示電壓波形，觸頭釋放瞬間，線圈產(chǎn)生較大的反電勢(shì)。5/6觸頭由于吸合未導(dǎo)通，未測(cè)量到釋放動(dòng)作時(shí)間。最后，得到測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 航空接觸器動(dòng)作時(shí)間測(cè)試結(jié)果Table 1 Action time test results of aviation contactorms

2.3 電氣性能測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)表1可知，除了吸合彈跳時(shí)間外，動(dòng)作時(shí)間均超過2 ms。根據(jù)GJB 1461A—2017含可靠性指標(biāo)的電磁繼電器總規(guī)范，對(duì)于電氣設(shè)備中使用的主觸頭額定電流為5 A（阻性）和5 A以上（其輔助觸頭的額定電流可以低于5 A）的電磁繼電器（含接觸器），具有多觸頭組的產(chǎn)品。各觸頭組吸合和釋放時(shí)間差值對(duì)于觸頭額定值不大于15 A的產(chǎn)品不應(yīng)超過1 ms，對(duì)于觸頭額定值大于15 A的產(chǎn)品不應(yīng)超過2 ms。因此，故障接觸器同步性不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，交流接觸器5/6觸頭出現(xiàn)不動(dòng)作現(xiàn)象導(dǎo)致電能不能傳輸?shù)截?fù)載端。

3 金相檢測(cè)與分析

為了給接觸器工作失效分析提供佐證，對(duì)航空交流故障接觸器進(jìn)行金相檢測(cè)?，F(xiàn)將原機(jī)故障件和一個(gè)同型號(hào)正常接觸器進(jìn)行拆解，通過體式顯微鏡和掃描電鏡，對(duì)比觀察2臺(tái)接觸器的動(dòng)、靜觸頭宏觀和微觀形貌。

3.1 宏觀檢查

對(duì)2臺(tái)接觸器進(jìn)行拆解，拆開后的交流接觸器動(dòng)、靜觸頭結(jié)構(gòu)無明顯差異。故障件觸頭形貌見圖5，故障件和正常件觸頭的宏觀形貌見圖6。

圖5 故障件觸頭分布Fig.5 Contact distribution of the faulty contactor

圖6 故障件和正常件觸頭宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of the contacts of the faulty and normal contactor

通過宏觀形貌觀察可以發(fā)現(xiàn)，2臺(tái)接觸器全部的動(dòng)、靜觸頭均表面凹凸不平，可見觸頭燒蝕的現(xiàn)象，并在觸頭周圍形成黑色印跡。其中失效接觸器（故障件）可見觸頭材料由動(dòng)觸頭向靜觸頭的轉(zhuǎn)移，觸頭輪廓不規(guī)則，5#、6#觸頭情況最嚴(yán)重，與前述5/6觸頭檢測(cè)不動(dòng)作的結(jié)果一致。未失效接觸器（正常件）沒有發(fā)現(xiàn)明顯的觸頭材料轉(zhuǎn)移跡象。

3.2 微觀觀察

由于未對(duì)接觸器進(jìn)行物理破壞，所以僅對(duì)2臺(tái)接觸器的動(dòng)觸頭進(jìn)行微觀形貌觀察。故障件1#～4#觸頭形貌相近，如圖7、圖8所示。可見觸頭表面存在熔融形貌，高倍下可見熔融區(qū)域微小附著物，觸頭輪廓區(qū)域存在少量金屬熔融噴濺形貌。

圖7 故障件1#動(dòng)觸頭微觀形貌Fig.7 Micro morphology of 1# moving contact of the faulty contactor

圖8 故障件3#動(dòng)觸頭微觀形貌Fig.8 Micro morphology of 3# moving contact of the faulty contactor

5#故障件整體形貌見圖9。觸頭表面反復(fù)的熔融堆積，并存在微裂紋，觸頭輪廓區(qū)域存在大量金屬熔融噴濺形貌，輪廓不清晰。正常件觸頭形貌與故障件形貌相近，1#～6#故障件觸頭均可見金屬熔融形貌，熔融區(qū)域可見微小附著物，存在熔融噴濺區(qū)。

圖9 故障件5#動(dòng)觸頭微觀形貌Fig.9 Micro morphology of 5# moving contact of the faulty contactor

3.3 金相檢測(cè)結(jié)果分析

對(duì)送檢的2臺(tái)接觸器的觸頭進(jìn)行宏觀、微觀觀察，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2臺(tái)接觸器全部動(dòng)、靜觸頭宏觀觀察表面形貌凹凸不平，觸頭燒蝕并積碳；微觀觀察觸頭表面存在熔融形貌，熔融區(qū)域可見微小附著物，存在熔融噴濺區(qū)。此外，故障件觸頭可見明顯的材料遷移現(xiàn)象（觸頭材料由動(dòng)觸頭向靜觸頭轉(zhuǎn)移），觸頭輪廓不規(guī)則；其中故障件 5#、6#觸頭情況最嚴(yán)重，觸頭表面反復(fù)的熔融堆積，并存在微裂紋，觸頭邊緣因存在大量金屬熔融噴濺形貌，而輪廓不清晰。

根據(jù)金相結(jié)果分析，結(jié)合該型接觸器在飛機(jī)使用的實(shí)際工況判斷，該型接觸器所接工作電路中，泵啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，使觸點(diǎn)產(chǎn)生瞬間高溫，加速觸點(diǎn)軟化融化。伴隨接觸器使用時(shí)間延長(zhǎng)，觸點(diǎn)表面形貌逐步劣化（熔融凝固產(chǎn)生表面凹凸不平、碎屑、孔洞、裂紋、觸點(diǎn)材料遷移等），不僅導(dǎo)致接觸器綜合性能下降，還會(huì)導(dǎo)致接觸器的耐線路系統(tǒng)過載能力不足等問題。

4 綜合原因分析

通過以上電氣性能及金相檢測(cè)分析結(jié)果推斷，對(duì)于該故障接觸器：一方面，在泵站接通的瞬間，浪涌電流使得泵站所接電網(wǎng)工作偶發(fā)相間電壓不穩(wěn)定，使接觸器過載使用；另一方面，長(zhǎng)期存在的浪涌電流使得該接觸器觸點(diǎn)經(jīng)常處于高溫狀態(tài)，從而加速觸點(diǎn)老化進(jìn)程，在超壽命使用的情形下，造成該接觸器耐過載能力下降，因而無法承受上述過載工作，導(dǎo)致接觸器失效。因此，在接觸器設(shè)計(jì)端，應(yīng)設(shè)計(jì)電流尖峰以抑制電路減弱啟動(dòng)浪涌電流對(duì)觸頭的熔焊腐蝕；在維護(hù)端，應(yīng)對(duì)接觸器開展定期檢測(cè)維護(hù)，并將接觸器列為有壽件進(jìn)行控制；同時(shí)在機(jī)載設(shè)備故障診斷和健康管理端，對(duì)接觸器狀態(tài)參數(shù)開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

1）接觸器觸頭同步時(shí)間超過2 ms的標(biāo)準(zhǔn)要求，接觸器泵類負(fù)載長(zhǎng)期啟動(dòng)產(chǎn)生的浪涌電流是導(dǎo)致接觸器耐線路系統(tǒng)過載能力不足的重要原因。

2）在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減弱泵類負(fù)載啟動(dòng)浪涌電流對(duì)觸頭電燒蝕的危害。