航空導線耐濕電弧標準的比較與試驗分析

吳 旼，郭漢洋

(1.上海交通大學，上海200240;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

由于高空和地面間溫差很大，飛機內會凝結很多濕氣，所以航空導線一旦受損，濕氣就會進入絕緣之中，在導線之間形成通路，引起電弧。這種電弧就稱為濕電弧，因其較小，在暴露處反復出現的時間可能很短，不能使斷路器跳閘，故很難被發現，但隨著時間的推移，最終可能造成電線短路，引發火災。

1994年，美國軍用標準主要針對聚酰亞胺/聚四氟乙烯復合絕緣線，首先提出了耐電弧試驗的要求，因為此電線是通過繞包后燒結的方式，將兩種材料組合在一起的，以便性能互補，但其內層的聚酰亞胺易被電弧中產生的原子氧侵蝕，耐電弧能力差，而外層的聚四氟乙烯的抗電弧能力非常好。近年來，航空導線耐電弧性能越來越受到重視，2011年，美國航空導線新的產品標準中，輻照交聯乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣線也引入了耐電弧試驗的性能要求。

我國航空導線標準主要是參照美國航空導線相關標準而制定的。在目前的美國標準中，航空導線濕電弧試驗主要涉及的有ASTM D 3032—2010［1］、SAE AS 4373E—2012［2］、MIL-STD-2223 Notice 1:1994［3］。其中，SAE AS 4373E是MIL-STD-2223基礎上的延續，試驗方法差別不大;ASTM D 3032和SAE AS 4373E對濕電弧試驗條件的規定差異較大。本文將對這兩個標準中的耐濕電弧試驗方法進行比較，并分析其試驗結果。

1 試驗標準

1.1 試驗原理

耐濕電弧試驗的試樣是7根電線以六包一的方式組成的線束。把其中兩根電線的絕緣層割出一個凹槽，置于線束的最上層，兩個凹槽之間有一定間距;將電解液滴落到兩根電線的凹槽之間，模擬開裂電線絕緣處在潮濕環境或表面有可電離污染物情況;滴落的電解液集聚在線束中，形成通路，產生電弧。

試驗電源為三相電源，線束中相同相位的電線不相鄰。當線束中產生電弧時，劇烈火花會對其他相鄰電線的絕緣表面產生燒蝕。一旦相鄰電線的絕緣被燒穿，可能引起相間短路，產生更加強烈的電弧，進一步對線束產生破壞。

1.2 標準差異

SAE AS 4373E和MIL-STD-2223這兩個標準中的耐濕電弧試驗，除電解液的滴落高度不同外，其余要求基本相同，而ASTM D 3032中的耐濕電弧試驗與其存在較大差異。這就導致試驗現象和試驗結果完全不同。表1為SAE AS 4373E、MIL-STD-2223和ASTM D 3032濕電弧試驗條件的對比。

表1 不同標準中濕電弧試驗條件對比

2 試驗準備

試驗選取3個不同廠家生產的、型號為M22759/87-20(20AWG)的聚酰亞胺復合薄膜/聚四氟乙烯復合絕緣電線進行測試。

為了使試驗結果有可比性，考慮到ASTM D 3032與SAE AS 4373E標準之間的差異，電路中串聯電阻均選用1.0Ω，通過每根電線的電流設定為(1.0±0.2)A，除非斷路器出現跳閘，試驗最長持續時間為8 h。

線束起弧時，可能會對附近的材料產生損傷。為直觀對比兩種試驗方法中線束產生電弧的情況，試驗過程中在線束的兩側5 cm處貼上鋁箔，記錄電弧對兩側鋁箔的損傷。試驗結束后，對除A1、B1以外的所有電線進行1 000 V、1 min的浸水電壓試驗，用以評估電弧對電線的破壞情況。

3 試驗結果

3.1 SAE AS 4373E

試驗8 h后，3個試樣的斷路器均未出現跳閘的情況，除A1、B1兩相的導體被燒斷外(見圖1)，其余5根電線均能通過浸水電壓試驗。A1、B1兩相的破壞長度如表2所示。

圖1 SAE AS 4373E濕電弧試驗后的試樣

表2 按SAE AS 4373E進行的濕電弧試驗結果

試驗過程發現，由于試樣平行放置，電解液集聚在A1、B1兩相電線之間的凹槽中，在兩相電線裸露的導體之間形成通路，產生的電弧比較劇烈。由于毛細作用，電解液會滲透到導體的內部，從電線的內部燒蝕導體和聚酰亞胺薄膜。試驗持續4 h左右，3個試樣的A1相、B1相的導體均被燒短，導致斷路，外層的聚四氟乙烯絕緣并未出現明顯的損傷，對內層的聚酰亞胺薄膜和導體仍產生保護，從而阻止了電弧的進一步產生和蔓延。

圖2 SAE AS 4373E濕電弧試驗后鋁箔的燒蝕情況

水平放置的試樣所產生的電弧，平均分布在A1相、B1相暴露的導體之間，因此，在鋁箔上留下的燒蝕點相對較為分散，大小也相對均勻(見圖2)。由于產生的電弧比較劇烈，單個燒蝕點的直徑較大。當A1、B1兩相出現斷路后，由于聚四氟乙烯的保護，產生的電弧主要存在于絕緣層內側，不會對鋁箔產生損傷。對試驗后的樣品檢查發現，樣品3的試樣破壞長度最大，但對鋁箔的破壞卻最小。由此可見，產生電弧的大小及對外界的破壞程度，與電線的抗濕電弧能力沒有必然的關系。

3.2 ASTM D 3032

樣品1、樣品2試驗均持續了8 h，所有的電線均未出現斷路。A1、B1兩相導體未被燒斷，其余5根電線均能通過浸水電壓試驗。試樣3在試驗持續4 h后，C1相斷路器跳閘。A1、B1、C2相斷路，C1、N相絕緣被電弧燒蝕破壞，露出導體(見圖3)。僅A2、B2兩相電線通過浸水電壓試驗。記錄導體露出的最大長度如表3所示。

圖3 ASTM D 3032濕電弧試驗后的樣品3

試驗過程中發現，由于試樣傾斜放置，電解液基本上受重力作用而順著A1、B1兩相電線之間的凹槽流下，所以線束中集聚的電解液比較少。此外因兩個環形凹槽間距較大，故產生的電弧較小，且主要集中于燒蝕電線外層的聚四氟乙烯絕緣(見圖4)。

圖4 ASTM D 3032濕電弧試驗后的試樣

表3 按ASTM D 3032進行的濕電弧試驗結果

圖5 ASTM D 3032濕電弧試驗后鋁箔的燒蝕情況

傾斜放置的試樣所產生的電弧，主要集中在兩個環形凹槽較低點的位置，因此，電弧在鋁箔上留下的燒蝕點較為集中。雖然試驗所產生的電弧相對較小，但因位置集中，故對鋁箔的損傷較為明顯。樣品1、樣品2經過8 h持續的電弧試驗后，鋁箔上出現集中的大面積損壞(見圖5)。樣品3由于試驗時間僅4 h，并未出現如前兩個試樣所產生的大面積損壞，但還是可以看出鋁箔上的燒蝕點集中。直徑較大的燒蝕點，主要是由A1、B1兩相短路時產生的大電弧所造成的。

4 結論

(1)按SAE AS 4373E進行濕電弧試驗，電弧較大，且均勻分布在兩暴露導體之間，故對周圍環境破壞的范圍較大。而按ASTM D 3032進行濕電弧試驗，電弧主要集中在兩個環形凹槽較低點的位置，雖然電弧較小，但是比較集中，長期作用對電弧附近區域破壞嚴重。

(2)SAE AS 4373E中的耐濕電弧試驗，原本主要是針對聚酰亞胺/聚四氟乙烯復合絕緣線，電弧主要產生在絕緣內側，僅對導體和內層絕緣進行燒蝕。若外層絕緣抗電弧性能優越，則能防止電弧的進一步蔓延和擴散。而按ASTM D 3032進行的濕電弧試驗，電弧主要產生在電線外部，對外層絕緣進行燒蝕。由于該試驗方法對時間沒有限制，所以試驗最終引起大電弧導致斷路器跳閘。

［1］ASTM D 3032—2010 Standard test methods for hookup wire insulation［S］.

［2］MIL-STD-2223 Notice 1:1994 Test methods for insulated electric wire［S］.

［3］SAE AS 4373E—2012 Test methods for insulated electric wire［S］.