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(jìn)行分析，在電弧理論的指導(dǎo)下，從航空電弧的特點(diǎn)入手進(jìn)行分析研究，對其可能產(chǎn)生的波形進(jìn)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(yùn)用到航空領(lǐng)域中去。

【關(guān)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(jī)械的不工作，信號不正常等。軍用機(jī)和民用機(jī)的機(jī)齡超過10年之后，深埋在結(jié)構(gòu)之中的總長可達(dá)幾百千米的電線開始產(chǎn)生裂紋和磨損。人們一度認(rèn)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(jī)中出現(xiàn)幾百處之多，而且難檢測，其所產(chǎn)生的電弧和電磁輻射可能是致命的。飛機(jī)電線老化或絕緣層磨損是產(chǎn)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(jī)導(dǎo)線來說，其存在的故障是現(xiàn)代飛機(jī)常見的故障。在飛機(jī)及其內(nèi)部部件（如發(fā)動機(jī)、APU等）的使用初期，因?yàn)閺S家裝配不適當(dāng)?shù)脑颍容^容易出現(xiàn)導(dǎo)線故障；通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和修理，飛機(jī)及其部件存在一段較長時(shí)間平穩(wěn)期，這個(gè)階段的導(dǎo)線故障率很低，甚至為零；隨著機(jī)齡的增長，由于導(dǎo)線老化、腐蝕、磨損等原因，導(dǎo)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(chǎn)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(gè)主要途徑：（1）電路開斷時(shí)電弧的發(fā)生，在觸頭開始分離運(yùn)動時(shí)，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(shí)電弧的發(fā)生。當(dāng)連接到電壓源的兩個(gè)觸頭閉合之前會發(fā)生電擊穿。這時(shí)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(zhuǎn)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(jī)故障電弧的類型和特點(diǎn)

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(dāng)串聯(lián)載流加載電氣設(shè)備時(shí)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(chǎn)生，這會導(dǎo)致局部的熱量增加。在串聯(lián)電弧中電流的數(shù)量是根據(jù)負(fù)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(gè)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(dǎo)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(dǎo)體之間的一種無意識的導(dǎo)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(dǎo)體和周圍和大地這個(gè)導(dǎo)體相聯(lián)接的金屬護(hù)欄或是其它的金屬結(jié)構(gòu)體發(fā)生電弧故障。

3.3故障電弧斷路器設(shè)計(jì)

根據(jù)航空領(lǐng)域中電弧故障斷路器工作的基本原理，設(shè)計(jì)簡單工作流程圖如圖1：

四、故障電弧仿真設(shè)計(jì)

本章將從簡單電路入手，對故障電弧通過MATLAB進(jìn)行分析，對簡單電路進(jìn)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(shù)學(xué)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(fù)雜物理過程，但是可以對電弧電流及電壓特性進(jìn)行仿真分析。標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流的描繪用來求取微分等式的參數(shù)，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(shí)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(jié)果

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

從應(yīng)用電弧模型所進(jìn)行的簡單仿真波形可以看到，電路電壓從零點(diǎn)不斷升高，最后保持不變，而同時(shí)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(jié)合航空電氣系統(tǒng)的具體參數(shù)對電弧模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，并改變負(fù)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(jié)束語

本文的主要工作是圍繞航空電纜故障電弧來進(jìn)行的，目前飛機(jī)一般采用115/200V，400Hz的交流系統(tǒng)，由于飛機(jī)供電系統(tǒng)布線的復(fù)雜性，發(fā)現(xiàn)排除電纜的故障一直是個(gè)難題。文中分析了航空故障電弧的類型及其形成機(jī)理，對故障電弧的產(chǎn)生、電弧的組成以及電弧的特性進(jìn)行了總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，對航空故障電弧斷路器進(jìn)行了框架設(shè)計(jì)。最后利用MATLAB軟件對電弧特性進(jìn)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(jìn)行了初步仿真。

參考文獻(xiàn)

[1]談勇.飛機(jī)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(hù)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）