航空發動機電氣附件線路絕緣性故障分析

任中杰+張家寶+周建洪+黎良辰+穆懷天

摘 要：航空發動機經常工作在高溫、高速、高負荷、強振動的惡劣環境下，其內部的電氣附件線路在這些惡劣環境中容易發生故障。電氣線路的絕緣性故障是一種常見的故障，分析電氣附件線路中可能出現的絕緣性故障種類，并針對每種故障畫出等效電路，然后進行仿真，從而得出結論。總結并分析常見的絕緣性故障種類，可以提高發動機的維修效率，并保證飛機的飛行安全。

關鍵詞：航空發動機；電氣線路；絕緣性故障

電氣附件是航空發動機的基本單元，其種類繁多，連接電氣附件的線路稱之為電氣附件線路，發動機體積龐大，電氣附件數量極多，其內部的電氣附件線路錯綜復雜，導線粗細不一，長度最長可達幾十公里，發生故障時排查起來非常困難。在此對常見的電氣附件線路的絕緣性故障進行了分類，并對每類故障進行了仿真，從而得出故障產生的機理，在故障排查過程中更具有針對性，從而提高發動機的維修效率，并保證飛機的飛行安全。

1 航空發動機電氣線路絕緣性故障原因

航空發動機工作環境惡劣，系統之間互相影響，高溫、高速、高負荷、強振動等因素都有可能引起電氣附件線路產生故障，線路的絕緣層損壞是多種因素共同作用的結果。電氣線路的絕緣故障有以下兩種特點：（1）線路集中，線路間擠壓、摩擦等造成線路絕緣層損壞；（2）大面積的化學腐蝕、高溫、高壓等條件下引起線路老化，提前對線路進行測量可有效減少該類故障所引起的事故。

造成電氣附件線路絕緣層腐蝕老化的原因主要有以下四種：（1）機械老化；（2）化學腐蝕；（3）熱老化；（4）電老化。

2 航空發動機電氣附件線路絕緣故障種類

波音公司的標準線路施工手冊和空客公司的電器標準線路施工手冊都對所有相關的電氣附件的絕緣電阻最小值和電壓值做了相應的數值要求。通過查詢PW4000系列某一型號航空發動機相應的標準線路施工手冊，30多種電氣附件涉及127處測量點，統計了這些絕緣測量點的測量方式，結果如表1。

表1 電氣附件數量及絕緣測量方法

通過分析該表，得到了兩種發動機電氣附件絕緣測量點的測量方式：第一種是同一個電氣附件的不同測量點之間的測量方式，即Pin/Pin方式；第二種是同一個電氣附件的測量點與地面之間的測量方式，即Pin/Gnd方式。

（1）Pin/Pin（層間）絕緣故障。航空發動機電氣附件數量極多，電氣附件線路分布緊密，兩束距離很近的導線如果出現線路絕緣層老化，并且沒有及時發現并排除故障，則線路之間容易產生電弧，容易引發火災，若該線路出現在油箱附近，則會引起爆炸事故，危害極大。

（2）Pin/Gnd（對地）絕緣故障。電氣附件線路的絕緣層老化時，導線對地的絕緣電阻就會減小，有可能引起電壓擊穿，回流過大，使得線路絕緣層被燒焦，對飛行安全造成極大危害。

3 航空發動機電氣附件線路絕緣故障仿真

為了更有效地保證飛機的飛行安全，我們要對發動機電氣附件線路絕緣故障進行預防，在此對上述電氣附件中的線圈兩種絕緣故障進行仿真，分析電氣附件的絕緣性能的好壞對系統的影響。

3.1 電氣附件對地絕緣故障仿真

在電氣附件的絕緣介質發生老化的過程中，產生絕緣故障的地方對地電容是隨著絕緣老化程度的不斷加深而逐漸增大，對地的絕緣電阻是隨著絕緣老化程度的不斷加深而逐漸減小的。

定義在航空發動機電氣附件絕緣介質中某一處出現絕緣老化現象，當此處的等效絕緣電阻Ro、等效絕緣電容Co的值不斷變化時，測出等效絕緣電阻Ro與接地線之間的電壓，可以得到等效絕緣電阻Ro與絕緣處電壓Uo之間的關系。通過固定等效絕緣電容Co的值，不斷改變線圈對地的等效絕緣電阻模擬傳感器線圈絕緣性故障，可以得到絕緣處電壓與等效絕緣阻值變化的關系，測試電路的原理圖如圖1所示[1]。

當絕緣故障處的等效電容Co取一系列固定值時，通過不斷的改變線圈對地的阻值模擬絕緣性能變化過程，可以得到絕緣故障處電壓Uo隨絕緣介質對地絕緣阻值Ro變化的關系如圖2所示。

從圖2中可以看出，當絕緣故障處的電容Co分別取不同值時，隨著絕緣電阻Ro的不斷減小，絕緣故障處的電壓Uo存在著明顯的過度變化，在圖中的拐點之前，絕緣故障處的電壓Uo隨著等效絕緣電阻Ro的減小幾乎沒有任何變化，而在等效絕緣電阻Ro的值繼續變小出現在拐點之后，絕緣故障處的電壓Uo隨著等效絕緣電阻Ro的減小直線上升。從圖中可以看出，拐點對應的等效絕緣電阻最小值R'可以看作判斷絕緣電阻性能好壞的標志，當等效絕緣電阻值大于R'時，航空發動機電氣附件的絕緣性能良好，當等效絕緣電阻值小于R'時，航空發動機電氣附件的絕緣性能出現故障。在等效絕緣電阻小于R'并持續減小時，可以看到對地電壓值直線上升，發生了電壓擊穿現象。在飛機附件維修手冊中對每一個電氣附件的等效絕緣最小值R'都給出了詳細的值。

3.2 電氣附件層間絕緣故障仿真

航空發動機電氣附件長時間運行在高溫、潮濕、震動等十分惡劣的環境中，在電磁、電場、機械、化學等外因的作用下，電氣附件中線圈的絕緣層十分容易發生損壞，絕緣層損壞導致兩個線圈之間會出現金屬導體裸漏，造成兩者之間的氣體間隙被擊穿，發生電弧現象。

航空發動機內部一般使用的是幅值為115V、頻率為400Hz的交流電，在線圈發生絕緣磨損后，將兩線圈之間的絕緣值等效為Z，由此電弧故障的簡化等效電路圖如圖3所示[2]。

當發動機電氣附件中線圈的絕緣層磨損十分嚴重時，層間絕緣故障基本上相當于短路，取極端情況下等效絕緣電阻R的阻值，即等效絕緣電阻R趨向于零，得到電流的變化如圖4所示。

在發動機電氣附件中的線圈絕緣正常沒有層間絕緣故障時，等效絕緣電阻R在兆歐的級別，取極端情況下等效絕緣電阻R的阻值，即等效絕緣電阻R趨向于無窮大，電流的變化如圖5所示。

通過不斷減小等效絕緣電阻R的阻值，即R從無窮大不斷減小到0，仿真兩個線圈之間絕緣老化現象發生時，兩個線圈之間的電流與等效絕緣電阻R之間的關系如圖6所示。

4 結束語

本文對航空發動機電氣附件線路的絕緣性性進行了介紹，分析了各類故障產生的原理，為日后故障檢測方法的研究與技術層面上的改善打下了基礎。通過研究關于民用航空發動機電氣線路絕緣性問題的大量資料，并將其按原理進行了分類，建立了故障模型，通過對模型的仿真，研究了有關電氣附件線路絕緣故障問題，希望對提高發動機的維修效率和保障民航客機的安全有所幫助。

參考文獻

[1]彭文輝，鄭鈞.高精度多路絕緣檢測裝置設計[J].電子測量術，2002，33（4）：19-21.

[2]周偉.航空電氣系統中故障電弧的分析[J].科技與創新，2014，32（7）：63-65.

作者簡介：任中杰（1996-），男，漢族，湖北，中國民航大學電子信息與自動化學院，本科，電氣工程及其自動化。