民用飛機直流開關電弧效應仿真分析

孫鑒非+劉麥玲+胡林權+劉湛+柴焱

【摘 要】本文首先介紹了民用飛機控制板開關運行過程中電弧效應對系統可能造成的不良影響，以及電弧效應的國內外研究現狀，然后基于MATLAB/SIMULINK仿真環境，建立了基于MAYR方程的仿真模型，對開關電弧效應進行仿真驗證，并給出初步分析結果，最后驗證分析結果的有效性。

【關鍵詞】開關電弧；MAYR；仿真分析

0 引言

電弧效應是所有電氣系統設計時必須面對和解決的問題[1]。根據不同電氣系統的運行特點，電弧大致可以分為交流電弧與直流電弧兩類。其中，直流電弧因并沒有交流電弧有自然電流過零的特性，其電弧效應產生的危害和隱患甚至會更大。尤其在民用飛機領域，存在大量的直流開關設計環節，因此直流開關回路的設計質量，極大的影響著整個飛機電氣系統的可靠性和穩定性。因此，直流電弧開關電弧效應，長久以來都是民用飛機電氣設計人員研究的痛點和焦點所在。

所以為了規避直流開關電弧效應，對民用飛機電氣系統造成不利影響，在民用飛機直流開關回路設計過程中，有必要對直流開關電弧效應進行軟件建模，分析其造成的影響程度大小，并結合系統設計特性，給出相應的改進方案。

1 直流開關電弧效應國內外研究現狀

在電弧物理數學模型研究領域，國外研究人員早在1939年，就提出了最初的凱西（Cassie）模型。Cassie模型數學機理是將電弧燃燒熄滅的物理過程，等效為一個動態的隨輸入電壓、輸入電流波動的動態電阻，將其代入所涉及回路中進行數學運算，最終得到電弧在回路中的運行特性。該模型對電弧的諸多物理參數進行了假設，可以對交流電弧進行一定程度定性、定量的分析。但是其不能體現直流電壓與直流點就對電弧動態特性的影響，因此對直流電弧的適應性相對較差。

在Cassie模型的基礎上，針對開關直流電弧的特殊性，國外研究人員進一步提出了梅爾（MAYR）電弧模型。MAYR電弧模型，假設電弧在確定的圓柱形氣流通道內放電，假定圓柱體在電弧放電時間段內體積恒定，直徑不變。以開關斷開瞬間，回路的剩余能量為初始條件，能量的傳到是利用空氣電離的特性常數，對開關電弧從產生、持續最后熄滅的過程進行數學解析，最終擬合得到開關電弧持續過程中的電壓電流曲線。MAYR模型目前已經在直流開關電弧效應的研究中得到了廣泛的應用，是目前比較成熟的電弧模型。

隨著20世紀90年代以來計算機仿真技術的飛速發展，研究人員開始考慮將電弧的物理數學模型與計算機仿真軟件有機結合。利用計算機的強大計算能力，輔助進行電弧這一非線性電氣現象的研究。其中，MATLAB/SIMULINK軟件作為一款相對成熟的電氣仿真軟件，以其強大的模塊化電氣接口、優異的數學運算速度，一直以來受到了相關設計人員的廣泛青睞。因此，本文以MATLAB/SIMLINK為仿真環境，利用MAYR電弧數學模型，對民用飛機28V直流開關回路電弧效應進行建模，并給出初步仿真分析結果。

2 基于MATLAB軟件直流開關電弧效應仿真分析

本文所構架的基于MATLAB軟件直流開關電弧效應仿真模型如圖1所示。在主回路中，供電電源采用飛機28V直流電源，在電源輸入端串入電感，模擬飛機線路中寄生電感以及阻抗參數。主回路負載是單個直流步進電機閥門，因該模型是研究直流開關電弧效應，所以無需對負載側的控制策略做完整的模擬，僅需將電機以及控制部分模型簡化為如圖1所示的等效電感、電阻和電容模塊。開關電弧模型在圖面顯示上示意為一個開關式樣，內部封裝了基于MAYR模型的電弧數學模型，主旨建模思路是將開關關斷瞬間，負載側電感電容儲存的瞬態能量值作為MAYR模型的輸入，根據所假設直流電弧的物理參數，對電弧運行時電壓電流特性進行測算。

本文基于該仿真模型，對28V步進電機閥門負載關斷時開關電弧效應進行了仿真，仿真結果如圖2所示。初始電源電壓都加載在負載側，開關本身視作無電阻導線，不承受電壓。在0.02S時，開關開始由開通轉為關斷狀態，由于步進電機繞組的電感電流無法突變，電感上存儲了一定量的電感能，因此在關斷瞬間產生了約80V的反電勢，反電勢與電源電壓一起由開關關斷所產生的電弧承受。此時，開關在硬件接觸上，已經從回路斷開，但是由于電感能量泄放需要，開關觸點之間拉出電弧，電弧電流在極短時間內，隨著反電勢電壓的下降而減小，最終電感電流通過電弧釋放完畢。

3 結語

本文基于MAYR電弧數學模型，以及MATLAB電氣仿真環境，搭建了基于民用飛機直流開關關斷時產生的電弧回路仿真模型，并進行了初步仿真。通過仿真結果可以看出，在負載側存在感性元件的情況下，開關關斷瞬間，會產生四五倍電源電壓的反電勢電壓，隨著電感能量的釋放，開關電弧所承受的電壓和電流，經過極短時間下降到穩定值。在此期間，電弧放電能量，隨著航線運營時間的增長，開關作動次數的增加，必然會對直流開關造成不可逆的影響。因此，有必要設計緩沖回路，對開關電弧能量釋放過程進行優化，從而延長民用飛機直流開關使用壽命。

【參考文獻】

[1]齊鄭，楊以涵.中性點非有效接地系統單相接地選線技術分析[J].電力系統自動化，2004，28（14）：125.

[2]李燁，楊炳元，李博.基于電弧模型的小電流接地系統故障選線分析[J].內蒙古電力技術，2010，28（3）：17-20.

[責任編輯：楊玉潔]