淺談航空航天用電線耐電弧試驗(yàn)方法

郭漢洋，吳 旼，陶 君

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.機(jī)械工業(yè)電工材料及特種線纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，上海200093)

0 引言

近年來，我國(guó)航空航天用電線持續(xù)快速發(fā)展，且絕大多數(shù)采用的是體積小、重量輕的耐高溫電線。對(duì)于電線的檢測(cè)將成為航空航天用電線的重要保障，在航空航天用電線的檢測(cè)項(xiàng)目中，耐干/濕電弧試驗(yàn)是兩個(gè)非常重要的項(xiàng)目。

耐干/濕電弧試驗(yàn)主要是針對(duì)聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線，該類電線采用聚酰亞胺雙面復(fù)合聚四氟乙烯的復(fù)合膜和聚四氟乙烯組合絕緣。聚酰亞胺的耐輻射性能最好，密度小，可大大減少電線電纜的重量和空間，但是聚酰亞胺易被氧原子侵蝕，而且耐電弧能力差。故上述兩種試驗(yàn)方法對(duì)評(píng)估聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線的安全性能將起到極其重要的作用。

電線在工作中，產(chǎn)生電弧的原因有多種，包括絕緣老化、錯(cuò)誤安裝、絕緣擦破等，甚至可能由水以及其他能傳導(dǎo)的流體引起。有證據(jù)表明電弧傳播試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)因?yàn)殡娀‘a(chǎn)生的方法不同而不同。因此，需要選一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法來評(píng)估絕緣耐普通電弧傳播的性能。在2011年GJB 773A《航空航天用含氟聚合物絕緣電線電纜通用規(guī)范》的修訂工作中，將聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線也納入了標(biāo)準(zhǔn)范圍，同時(shí)，新標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了耐干/濕電弧試驗(yàn)的方法及要求。

本文就耐干/濕電弧試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)時(shí)遇到的一些實(shí)際情況進(jìn)行描述和分析。

1 試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線，目前國(guó)際上常用的標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)－航空分部(Society of Automotive Engineers-Aerospace Division)頒布的SAE AS22759A［1］(2006年)及其更改單(2008年)和相關(guān)詳細(xì)規(guī)范 SAE AS22759/80B ～92B、SAE AS22759/180 ～192，在SAE AS 22759A中，該標(biāo)準(zhǔn)中所引用的耐干/濕電弧試驗(yàn)按照 MIL-STD-2223［2］的更改單(1994年)和SAE AS4373 ，但在 SAE AS22759/80B～92B、SAE AS22759/180～192中，均注明電弧試驗(yàn)方法按SAE AS4373進(jìn)行，在此情況下，以SAE AS4373為準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)介紹

2.1 耐干電弧試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方法描述

耐干電弧試驗(yàn)的測(cè)試方法按SAE AS4373D試驗(yàn)方法508。該試驗(yàn)方法由刀片切割引起電弧，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中電源、試驗(yàn)電流、電路電阻及其它參數(shù)都針對(duì)導(dǎo)體線規(guī)為20AWG的電線進(jìn)行了優(yōu)化，故標(biāo)準(zhǔn)建議使用導(dǎo)體線規(guī)為20AWG的電線進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)試樣為7根長(zhǎng)約35 cm電線組成的電線束。一個(gè)完整的試驗(yàn)需要15束電線。將一束試樣按圖1用系帶捆扎成一束電線。電線束結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中 A1、B1、A2、B2、C1 為主動(dòng)線，D1 和 D2為被動(dòng)線。

圖1 干電弧試驗(yàn)電線束捆扎方式

圖2 電線束結(jié)構(gòu)

每束電線剝?nèi)?根主動(dòng)線的絕緣層，并將之按圖3進(jìn)行電路連接。包扎好的電線束水平放置，A1和B1電線朝上，D1和D2電線與固定裝置底座完全接觸，啟動(dòng)裝有切割刀片的切割裝置，使切割刀片往復(fù)切割A(yù)1和B1電線。每股試樣試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)選擇不同的電路電阻，分別為 0 Ω、0.5 Ω、1.0 Ω、1.5 Ω和2.0 Ω，在每個(gè)電路電阻下進(jìn)行三束試樣的測(cè)試。

對(duì)于所有完成試驗(yàn)的電線束，測(cè)量每一根電線的物理破壞長(zhǎng)度，并對(duì)每一束電線中的A2、B2、C1、D1、D2進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，記錄每一束電線束中通過耐壓試驗(yàn)的電線根數(shù)。

圖3 干電弧試驗(yàn)電路圖

2.1.2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)電源為三相，由圖3可見，A1和A2為A相中并聯(lián)的兩根電路，B1和B2為B相中并聯(lián)的兩根電路，而圖2中顯示除D1和D2外，其余5根電線排列使得緊密排列成的三角形3根電線分別為三相電路中的一支。耐干電弧試驗(yàn)由切割刀片往復(fù)切割電線束中A1和B1兩根電線，當(dāng)切割刀片將絕緣層切破時(shí)，兩根電線的導(dǎo)體和切割刀片之間產(chǎn)生導(dǎo)通，A1和B1相間產(chǎn)生短路，產(chǎn)生電弧的同時(shí)，由于短路產(chǎn)生較大的電流，使得電路中的斷路器跳閘(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定斷路器跳閘的電流為7.5 A)。短路產(chǎn)生的電弧將A1和B1燒斷，同時(shí)產(chǎn)生的劇烈的火花會(huì)將線束中其他電線的絕緣表面燒蝕，若其他電線的絕緣燒穿的話，可能連續(xù)造成相間短路從而引起更強(qiáng)烈的電弧而進(jìn)一步使得破壞增大，故試驗(yàn)中止條件也包括A2、B2、C1相斷路器跳閘的可能。對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的判斷不光是考慮線束中其他電線耐壓是否通過，絕緣表面被燒蝕的長(zhǎng)度也被列入考核范圍，如果絕緣的抗電弧能力較弱，可能造成整束電線絕緣全部被燒毀。耐干電弧試驗(yàn)后的樣品見圖4。

2.2 耐濕電弧試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方法描述

耐濕電弧試驗(yàn)的測(cè)試方法按SAE AS4373D試驗(yàn)方法509。該試驗(yàn)方法通過將鹽水滴在預(yù)先破壞的電線上使電線間形成導(dǎo)電通路來產(chǎn)生電弧。與耐干電弧試驗(yàn)相同，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中電源、試驗(yàn)電流、電路電阻及其它參數(shù)都針對(duì)導(dǎo)體線規(guī)為20 AWG的電線進(jìn)行了優(yōu)化，故標(biāo)準(zhǔn)建議使用導(dǎo)體線規(guī)為20 AWG的電線進(jìn)行試驗(yàn)。所有試樣在試驗(yàn)前應(yīng)通過浸水電壓試驗(yàn)。

試驗(yàn)試樣為7根長(zhǎng)20～40 cm電線組成的電線束，一個(gè)完整的試驗(yàn)需要15束電線。將一束試樣按圖5所示用系帶捆扎成一束電線。電線束結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每束電線剝?nèi)?根主動(dòng)線的絕緣層，并將之按圖6進(jìn)行電路連接。用刀片在A1和B1的中間圍繞電線一周切開0.5～1.0mm的凹槽，使導(dǎo)體暴露并保證凹槽間距為6.0～6.5mm。包扎好的電線束呈水平放置，A1和B1電線朝上。將氯化鈉溶液以每分鐘8～10滴的速度滴入兩個(gè)凹槽的中間位置，從而使電線間形成導(dǎo)電通路產(chǎn)生電弧。與耐干電弧試驗(yàn)一樣，應(yīng)選擇5個(gè)不同的電路電阻，在每個(gè)電路電阻下進(jìn)行三束試樣的測(cè)試。

圖4 耐干電弧試驗(yàn)后試樣照片

圖5 電線束捆扎方式

圖6 濕電弧試驗(yàn)電路圖

2.2.2 試驗(yàn)原理

耐濕電弧試驗(yàn)與耐干電弧試驗(yàn)線束中7根電線的位置排列相同。當(dāng)電解液滴落進(jìn)兩根電線的凹槽之間，使得A1和B1間形成通路而產(chǎn)生電弧。由于電線存在毛細(xì)作用，電解液會(huì)滲入導(dǎo)體內(nèi)部，故產(chǎn)生的電弧會(huì)從絕緣內(nèi)部開始燒蝕聚酰亞胺層和導(dǎo)體，隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，兩個(gè)凹槽處的導(dǎo)體隨著燒蝕慢慢地相互接近，如果在8 h之內(nèi)，凹槽之間的導(dǎo)體距離足夠近以至于形成短路，則會(huì)產(chǎn)生較大的電流，使得電路中的斷路器跳閘。短路產(chǎn)生的電弧將A1和B1燒斷，同時(shí)產(chǎn)生的劇烈的火花會(huì)將線束中其他電線的絕緣表面燒蝕，若其他電線的絕緣燒穿的話，可能連續(xù)造成相間短路從而引起更強(qiáng)烈的電弧而進(jìn)一步使得破壞增大，故試驗(yàn)中止條件也包括A2、B2、C1相斷路器跳閘的可能。

對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的判斷不光是考慮線束中其他電線耐壓是否通過，絕緣表面被燒蝕的長(zhǎng)度也被列入考核范圍，如果絕緣的抗電弧能力較弱，可能造成整束電線絕緣全部被燒毀。耐濕電弧試驗(yàn)后試樣照片見圖7。

圖7 耐濕電弧試驗(yàn)后試樣照片

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

耐干/濕電弧試驗(yàn)均用于考核聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線承受電弧損傷的能力，不同的是前者采用機(jī)械強(qiáng)行切破絕緣產(chǎn)生電弧，而后者采用電解質(zhì)使相間形成通路產(chǎn)生電弧對(duì)絕緣慢慢進(jìn)行燒蝕。

由于聚四氟乙烯的抗電弧性能要優(yōu)于聚酰亞胺，對(duì)聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線的耐干/濕電弧試驗(yàn)結(jié)果影響較大的是絕緣層的繞包工藝和聚四氟乙烯層的燒結(jié)狀態(tài)。如果繞包密封性及絕緣燒結(jié)狀態(tài)效果較好，試驗(yàn)產(chǎn)生的電弧對(duì)除A1和B1外的其余5根電線的燒蝕會(huì)因?yàn)榫鬯姆蚁┑谋Ｗo(hù)而減弱，通過耐壓的電線數(shù)目較多，這一點(diǎn)在耐濕電弧試驗(yàn)中更為明顯。對(duì)于目前得到的一些試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，燒結(jié)狀態(tài)及繞包密封性好的電線在耐濕電弧試驗(yàn)規(guī)定的8 h內(nèi)未出現(xiàn)任何一相的斷路器跳閘，而較差的電線在試驗(yàn)3～4 h后就因?yàn)楫a(chǎn)生強(qiáng)大的電弧出現(xiàn)斷路器跳閘的現(xiàn)象而中止試驗(yàn)。對(duì)于試驗(yàn)后試樣的檢查，較好的電線絕緣被破壞的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于較差的電線，且破壞主要集中在A1和B1兩根電線上。

4 結(jié)束語

聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線現(xiàn)在已經(jīng)在航空航天應(yīng)用領(lǐng)域中占有舉足輕重的地位，越來越多的企業(yè)開始關(guān)心這種新型的電線。耐干/濕電弧試驗(yàn)是聚酰亞胺復(fù)合薄膜/聚四氟乙烯組合絕緣電線檢驗(yàn)項(xiàng)目中非常重要的一項(xiàng)，應(yīng)得到相關(guān)電線生產(chǎn)企業(yè)及檢測(cè)機(jī)構(gòu)的重視。

［1］SAE AS22759A Wire，Electrical，fluoropolymer-insulated，copper or copper alloy［S］.

［2］MIL-STD-2223 Test methods for insulated electric wire［S］.

［3］SAE AS4373D Test methods for insulated electric wire［S］.