航空電氣系統(tǒng)中故障電弧的研究

【摘要】本文主要是對航空電氣系統(tǒng)下的故障電弧進行分析，在電弧理論的指導下，從航空電弧的特點入手進行分析研究，對其可能產生的波形進行仿真分析，從而在電弧故障斷路器的作用中指出如何可能將其運用到航空領域中去。

【關鍵詞】航空電氣電纜故障電弧分析

一、引言

線路故障在航空電氣系統(tǒng)故障中是較為常見的一種，其表現(xiàn)形式各有不同，有指示儀表的不穩(wěn)定，操控機械的不工作，信號不正常等。軍用機和民用機的機齡超過10年之后，深埋在結構之中的總長可達幾百千米的電線開始產生裂紋和磨損。人們一度認為這種故障影響不大，長期被忽視，但這種故障可在一架普通的飛機中出現(xiàn)幾百處之多，而且難檢測，其所產生的電弧和電磁輻射可能是致命的。飛機電線老化或絕緣層磨損是產生故障主要原因。

二、航空電氣系統(tǒng)故障

在航空電氣系統(tǒng)中，有許多的故障問題，就拿飛機導線來說，其存在的故障是現(xiàn)代飛機常見的故障。在飛機及其內部部件（如發(fā)動機、APU等）的使用初期，因為廠家裝配不適當的原因，比較容易出現(xiàn)導線故障；通過適當的調整和修理，飛機及其部件存在一段較長時間平穩(wěn)期，這個階段的導線故障率很低，甚至為零；隨著機齡的增長，由于導線老化、腐蝕、磨損等原因，導線故障的發(fā)生開始變得相對頻繁[2]。

三、故障電弧分析

3.1電弧的產生

在電弧研究過程中，研究電弧發(fā)生的條件是有重要意義的。電弧的發(fā)生有以下幾個主要途徑：（1）電路開斷時電弧的發(fā)生，在觸頭開始分離運動時，作用在它們之間的接觸壓力將減少，接觸面積也縮小，接觸處的電流密度逐漸增大，因而接觸電阻和觸頭中放出的熱量就增加。如果這放電是穩(wěn)定的，則就是所謂的開斷電弧。（2）真空和氣體間隙的擊穿。電弧可以在真空的兩電極間發(fā)生。這種電弧可以稱為真空電弧。（3）觸頭閉合時電弧的發(fā)生。當連接到電壓源的兩個觸頭閉合之前會發(fā)生電擊穿。這時可以發(fā)生通常的電弧放電。（4）從火花放電到電弧放電的轉變。火花放電可以引起具有大的壓力躍變的沖擊波。

3.2飛機故障電弧的類型和特點

到現(xiàn)在為止，我們可以把電弧故障分成兩種基本的類型：串聯(lián)和并聯(lián)。（1）串聯(lián)電路中的電弧故障。當串聯(lián)載流加載電氣設備時發(fā)生串聯(lián)電弧故障，這一般都是一種無息識的破壞。電弧可能會通過斷掉的線之間的空隙產生，這會導致局部的熱量增加。在串聯(lián)電弧中電流的數量是根據負荷而定的。如果串聯(lián)電弧電流是在傳統(tǒng)電路阻斷器的載流容量的額定值之下，那這個串聯(lián)電弧電流就不會造成危害，因此在這種情況下，傳統(tǒng)的電路阻斷器、熱量阻斷器、磁性阻斷器都不會跳閘。串聯(lián)電弧能導致局部過熱，這有很大的危害。（2）并聯(lián)電路中的電弧故障。并聯(lián)電弧的發(fā)生是一種相反電極的導體之間的一種無意識的導通。并聯(lián)電弧僅漢受到源頭故障電流值和故障電抗值的影響。電線到地面的弧故障是另外一種并聯(lián)電弧故障，它的發(fā)生，是由于無接地線的導體和周圍和大地這個導體相聯(lián)接的金屬護欄或是其它的金屬結構體發(fā)生電弧故障。

3.3故障電弧斷路器設計

根據航空領域中電弧故障斷路器工作的基本原理，設計簡單工作流程圖如圖1：

四、故障電弧仿真設計

本章將從簡單電路入手，對故障電弧通過MATLAB進行分析，對簡單電路進行仿真，從而在仿真模型所得到的電路圖中分析討論。

4.1故障電弧模型搭建

黑盒電弧模型是用數學描述電氣電弧道具的。這種形式的模型不能描述航空電氣系統(tǒng)故障形成的復雜物理過程，但是可以對電弧電流及電壓特性進行仿真分析。標準電壓和電流的描繪用來求取微分等式的參數，描述了精確測量法電氣電弧的非線性阻抗。

4.2電弧模型的實現(xiàn)

以MATLAB軟件為平臺，利用Sinulink/PSB（電力系統(tǒng)模塊庫）中的元件建立的通用電弧模型如圖2所示。電弧模型由電壓控制的電流源、微分方程編輯器、定值檢測、階躍信號、電壓測量等模塊組成。

4.3仿真結果

按照故障電弧模型搭建電路，以Mayr模型為例，在阻性負載下通過Simulink進行仿真圖，電路圖如圖3：

從應用電弧模型所進行的簡單仿真波形可以看到，電路電壓從零點不斷升高，最后保持不變，而同時電流從最高值不斷下降，最后降為零，這是仿真了故障電弧斷路器斷開故障電路，電弧熄滅的階段。為完成對電弧燃燒過程的特性仿真，還需要結合航空電氣系統(tǒng)的具體參數對電弧模型進行參數調整，并改變負載情況，獲得航空電氣系統(tǒng)故障電弧的電壓和電流波形。

五、結束語

本文的主要工作是圍繞航空電纜故障電弧來進行的，目前飛機一般采用115/200V，400Hz的交流系統(tǒng)，由于飛機供電系統(tǒng)布線的復雜性，發(fā)現(xiàn)排除電纜的故障一直是個難題。文中分析了航空故障電弧的類型及其形成機理，對故障電弧的產生、電弧的組成以及電弧的特性進行了總結。在此基礎上，對航空故障電弧斷路器進行了框架設計。最后利用MATLAB軟件對電弧特性進行了初步仿真。完成故障電弧模型的搭建，并對開斷過程中電壓和電流的波形進行了初步仿真。

參考文獻

[1]談勇.飛機線路故障問題及其對策.船舶維修與工程.2006.

[2]陳德桂.低壓電弧故障斷路器———一種新型低壓保護電器，通用低壓電器，2007.

[3]任斌斌.航空電氣中電纜故障與對策.科技資訊.2009（27）