飛機(jī)電纜絕緣缺陷檢測*

翟禹堯，郭綱，王子亦

(空軍航空大學(xué)，吉林 長春 130022)

飛機(jī)電纜絕緣缺陷檢測*

翟禹堯，郭綱，王子亦

(空軍航空大學(xué)，吉林 長春 130022)

電纜作為飛機(jī)的組成部分，對飛機(jī)起著至關(guān)重要的作用，因此電纜被稱為飛機(jī)的“神經(jīng)系統(tǒng)”。電纜系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著電力、信號的輸送和分配的任務(wù)，還為各個(gè)系統(tǒng)之間相互控制與信息聯(lián)系提供保障。及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜故障，實(shí)現(xiàn)視情維修，為飛行安全提供保障。以飛機(jī)電纜的絕緣缺陷作為研究對象，根據(jù)時(shí)域反射法(time domain reflectometry)原理建立航空電纜絕緣故障模型，用CST電纜工作室仿真軟件針對3種不同波形的脈沖對飛機(jī)絕緣缺陷電纜進(jìn)行仿真，對比結(jié)果，給出結(jié)論。還提出在絕緣缺陷處進(jìn)行擊穿，增大絕緣缺陷處反射波形的幅值，從而提高缺陷位置判別度。

電纜；安全保障；絕緣缺陷；時(shí)域反射法；CST；3種脈沖

0 引言

飛機(jī)電纜不僅擔(dān)負(fù)著傳遞動力電源和數(shù)據(jù)信息的輸送任務(wù)，而且還為各個(gè)系統(tǒng)之間控制與信息聯(lián)系提供保障。因此，航空電纜被譽(yù)為“飛機(jī)的神經(jīng)系統(tǒng)”[1]。飛機(jī)電纜長期在振動、污染、潮濕、輻射的復(fù)雜環(huán)境下工作，會造成航空電纜絕緣層磨損、老化、腐蝕，最終導(dǎo)致航空電纜發(fā)生故障[2]。

電纜的絕緣缺陷檢測方法，例如目檢法、擊穿法、電阻法[3-4]等方法，或只能檢測硬性故障，或?qū)﹄娎|有損壞，不具備可靠和無損等性質(zhì)。時(shí)域反射法(time domain reflectometry，TDR)是一種無損、快速的電纜檢測方法。它向?qū)Ь€注入低壓脈沖或矩形波，通過分析接收到的反射信號中所包含的電纜特征阻抗變化的信息，來確定電纜是否存在絕緣故障；并通過測算入射波和故障反射波的時(shí)間差，從而確定故障位置[5]。現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到飛機(jī)電纜檢測中。

1 航空電纜故障概述

從圖1和圖2中可以看出電纜磨損以及磨損之后發(fā)生絕緣破裂對電纜的危害最大。例如，20世紀(jì)90年代的2起飛行災(zāi)難，分別是航班號為TWA800的波音747空中爆炸和SWISSAR Ⅲ飛機(jī)失事墜毀。事后發(fā)生后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于飛機(jī)內(nèi)部的電纜短路造成了這兩起嚴(yán)重災(zāi)難。各國已經(jīng)非常關(guān)注電纜故障檢測問題，其故障診斷與定位問題在國際上己經(jīng)得到了人們的高度重視，由美國國家航空航天局(national aeronautics and space administration，NASA)、美國聯(lián)邦航空管理局(federal aviation administration，F(xiàn)AA)和美國國防部(department of defense，DoD)聯(lián)合召開，在歷屆老齡飛機(jī)故障定位與維護(hù)會議上，都把飛機(jī)電纜故障作為一個(gè)重要的研究專題。飛機(jī)墜毀的直接原因是電纜突發(fā)短路。這使國際航空界認(rèn)識到電纜系統(tǒng)安全的重要性，并開始關(guān)注電纜存在的問題。對飛機(jī)電纜缺陷與故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電纜斷裂占46%，絕緣磨損占40%，電纜束外層磨損占14%。

注：a—接線錯(cuò)誤；b—腐蝕引起的短路；c—配對錯(cuò)誤；d—斷路器失效；e—絕緣失效；f—連接松脫；g—腐蝕導(dǎo)致的失效；h—沒有詳細(xì)說明的失效；i—連接器失效；g—斷線；k—沒有詳細(xì)說明的短路；l—導(dǎo)線及防護(hù)磨損；m—其他圖1 1980—1999年美國海軍線路故障統(tǒng)計(jì)(美國海軍安全中心危險(xiǎn)事故數(shù)據(jù))Fig.1 US Navy line fault statistics in 1980-1999(US naval safety center accident hazard data)

圖注：a—沒有防護(hù)；b—未明原因；c—熱損傷痕跡；d—隱藏的結(jié)合處；e—斷線；f—絕緣破裂圖2 FAA ATSRAC對6架飛機(jī)的檢查結(jié)果 DC-8，DC-9，DC-10，727，737，747Fig.2 Examination results of DC-8,DC-9,DC-10,727, 737, 747 by FAA ATSRAC

航空電纜錯(cuò)綜復(fù)雜的鋪設(shè)在飛機(jī)內(nèi)部各個(gè)區(qū)域，其安裝空間非常狹小，按照類別被成捆敷設(shè)在飛機(jī)夾壁之間，其類型復(fù)雜，包括射頻線、數(shù)據(jù)線、低壓動力線等，且電纜長度較短，猶如“血管”一樣(如圖3)。

圖3 飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)電纜分布Fig.3 Cable distribution within the aircraft cabin

2 時(shí)域反射測量法

我國從1950年開始就開始研發(fā)TDR，應(yīng)用于不同電纜故障測量，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，TDR測量方法有了質(zhì)的飛躍[6]。檢測電纜故障最方便、精確的方法非TDR莫屬。展望TDR的發(fā)展歷程，由于其操作相對較復(fù)雜、設(shè)備成本同一些其他方法較高，它的應(yīng)用范圍很小，僅僅被一些大規(guī)模公司和高級工程師所使用。由于時(shí)代發(fā)展，科技不斷進(jìn)步，TDR 的操作以及它的使用說明更加簡單方便，緣于它可以檢測出電纜故障[7-8]，而這對于通訊行業(yè)是極為有利的，這使得TDR迅速發(fā)展及并在通訊行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。TDR可以測試任何金屬電纜，包括不同類型的雙絞線和同軸電纜，高架線和地下電纜。TDR所能檢測出的電纜故障包括：電纜保護(hù)套的破損、導(dǎo)體破裂、水漬、連接器松動、導(dǎo)體短路、斷路以及系統(tǒng)的組成等。另外，運(yùn)輸損壞的電纜卷軸也可以用TDR來進(jìn)行檢測[9]。TDR早期主要針對電話電纜的線路檢測，近幾年 經(jīng)過改進(jìn)和完善的TDR可以應(yīng)用于土壤、農(nóng)業(yè)、水文地質(zhì)和環(huán)境等領(lǐng)域的研究[10-11]。 時(shí)域反射測量法的原理是利用低壓高頻脈沖信號作為入射信號發(fā)射，在電纜特性阻抗變化處產(chǎn)生反射信號，通過比較反射信號所包含的特性阻抗的變化信息，確定電纜是否存在絕緣缺陷。

航空電纜故障仿真用到了仿真軟件CST電纜工作室，這一功能強(qiáng)大又易于使用的線纜線束分析工具，它主要用于分析復(fù)雜電纜結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)特性，信號完整性(SI)、電磁干擾(EMI)與電磁敏感度(EMS)問題。軟件利用傳輸線理論、電路仿真與3D全波電磁仿真，能方便精確求解各種電纜系統(tǒng)中的線纜線束、驅(qū)動設(shè)備以及整個(gè)周邊環(huán)境的電磁兼容問題。并且可以針對所用的模型選取合適的求解器，并在仿真過程中，可便捷定義復(fù)雜線纜線束模型，電纜工作室的線纜庫中有4類基本線型：單線，排線，雙(多)絞線與屏蔽線(實(shí)體屏蔽層或編織線)，并且可以定義復(fù)雜電纜，同軸電纜，多芯電纜等。由于CST電纜工作室基于傳輸線理論，根據(jù)線纜線束模型生成等效電路模型。自動對線纜線束進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并將每一個(gè)網(wǎng)格劃分為足夠多的段來計(jì)算傳輸線參量。時(shí)域與頻域仿真時(shí)都計(jì)趨膚效應(yīng)與介質(zhì)損耗。由于本論文采用時(shí)域反射法，頻域方法不予介紹[12]。

通過考慮航空電故障類型是選擇檢測方法的根本手段，合適的檢測方法是保證快速有效找出航空電纜絕緣缺陷的關(guān)鍵[13]。航空電纜的大多數(shù)為同軸電纜。并且航空電纜具有特殊性，硬性故障是飛機(jī)常見故障，主要分為電纜短路故障和斷路故障2種類型[14-15]。而飛機(jī)電纜的軟性故障即磨損故障是由于運(yùn)行一定時(shí)間后，電纜的絕緣性能逐漸劣化;使用不當(dāng)如靠近熱源，電纜長期受熱輻射;長期過負(fù)荷工作;周圍有與絕緣材料起不良化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境等，會導(dǎo)致過早老化，加速絕緣損壞。造成絕緣老化原因主要是熱老化和電老化。絕緣老化后，其絕緣強(qiáng)度會降低或介質(zhì)損耗增大，導(dǎo)致通過絕緣的漏電流增大，最終引起絕緣崩潰。另外，電纜外護(hù)層有孔或裂縫，護(hù)套被異物刺穿或被腐蝕，會引起絕緣受潮，使絕緣性能下降。其結(jié)果使電纜的絕緣電阻下降。當(dāng)電纜的絕緣完全退化，以及絕緣完全磨損或切割掉、絕緣完全被刺破時(shí)，線芯與屏蔽、線芯之間或線芯與地之間會發(fā)生短路。這是絕緣性能下降及機(jī)械損傷的極端情況，表現(xiàn)為電纜的絕緣電阻為0或者非常低。由于磨損故障對電纜特性阻抗的影響較小，使得利用時(shí)域反射測量方法所得到的故障點(diǎn)處反射回來的信號變化非常微弱，很難被診斷出來。但是短路和斷路故障卻很容易檢測，為此，是否可以對飛機(jī)電纜的已磨損的絕緣層處進(jìn)行擊穿，如果擊穿成功，則可以把此處電纜的軟性故障變成硬性故障中的短路，那將很容易進(jìn)行檢測與定位。

3 針對不同波形對絕緣缺陷同軸電纜的仿真

圖4為設(shè)置絕緣故障電纜，采用同軸RG-58電纜模型，電纜的長度為5 m，其外導(dǎo)體半徑為1.8 mm，內(nèi)導(dǎo)體半徑為0.47 mm(內(nèi)外導(dǎo)體均為圖4所示金屬銅)，中間電介質(zhì)半徑為1.475 mm(其相對介電常數(shù)為2.6，被稱為聚乙烯簡稱pe如圖4所示)。最外層半徑為2.25 mm為聚氯乙烯(介電常數(shù)為3)，在電纜的105～106 cm絕緣層處設(shè)置了1 cm的缺陷。

圖4 同軸電纜模型Fig.4 Model of coaxial cable

對該電纜分別施加高斯，雙指數(shù)，矩形脈沖。得到TDR仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，如圖5～7所示。

圖5 高斯脈沖仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of Gaussian pulse

圖6 雙指數(shù)脈沖仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of double exponential pulse

圖7 矩形脈沖仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of rectangular pulse

圖5為高斯脈沖作為激勵(lì)信號所得仿真結(jié)果，高斯脈沖脈寬為0.005 μs，電壓幅值為1 V。從圖5中可以看出入射波對應(yīng)的波峰峰尖為0.003 6 μs，絕緣故障引起的反射波對應(yīng)的中心峰尖為0.015 0 μs，末端開路所引起的反射波中心峰尖0.057 3 μs。

(1)

式中：εr為同軸電纜中傳輸介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

(2)

式中：l為故障位置距始端的長度，m；vp為脈沖在電纜中傳播的速度，m/s；t2為故障處反射波形對應(yīng)的記錄時(shí)間，s；t1為入射波形對應(yīng)的記錄時(shí)間，s。

已知t1=0.003 6 μs，t2=0.015 0 μs，vc=1.86×108m/s。通過式(2)可以計(jì)算得到故障處距離始端的距離為l1=1.06 m，與模型設(shè)置的始端到故障處的距離l1=1.05 m吻合，作為輔助證明，利用上述方法計(jì)算一下始端到末端的距離l2=5 m，與初始設(shè)置一致。

圖6為雙指數(shù)脈沖作為激勵(lì)信號所得圖形，雙指數(shù)脈寬為0.15 μs。其波形：

式中：場強(qiáng)E0=5×104V/m，α=4.0×107s-1，β=6.0×108s-1，k=1.3。已知t=0.011 6 μs，vc=1.86×108m/s。通過式(2)可以計(jì)算得到故障處距離始端的距離為l1=1.07 m，與模型設(shè)置的始端到故障處的距離l1=1.05 m幾乎吻合，作為輔助證明，利用上述方法計(jì)算一下始端到末端的距離l=4.98 m，與初始設(shè)置5 m幾乎一致。

圖7為矩形脈沖作為激勵(lì)信號所得仿真結(jié)果，矩形脈沖脈寬設(shè)置為0.4 μs，上升沿與下降沿都為0.01 μs，其電壓幅值與高斯脈沖一致為1 V。從放大圖中可以看出其絕緣缺陷處所對應(yīng)的時(shí)間為t=0.010 5 μs，vc=1.86×108m/s通過式(2)可以計(jì)算得到故障處距離始端的距離為l1=1.07 m，與模型設(shè)置的始端到故障處的距離l1=1.05 m幾乎吻合，作為輔助證明，我們利用上述方法計(jì)算一下始端到末端的距離l=4.98 m，與初始設(shè)置5 m幾乎一致。

通過對比3種脈沖的仿真結(jié)果，從圖5～7可以清晰看到絕緣缺陷處的反射波，并對絕緣缺陷處的反射波位置以進(jìn)行了計(jì)算。在不考慮頻散等情況下，無論是采用高斯脈沖還是是雙指數(shù)脈沖，亦或是矩形脈沖都可以較好地反映出絕緣缺陷處的位置。但是由于實(shí)際檢測過程中存在頻散等現(xiàn)象，高斯脈沖和矩形脈沖都會受到較大的干擾，而雙指數(shù)脈沖可以較好地抑制這種現(xiàn)象，并且由于受到硬件技術(shù)的限制，高斯脈沖不能達(dá)到理想的幅值，矩形波形是由眾多正弦波構(gòu)成，不能形成理想的矩形波。所以本文認(rèn)為在實(shí)際工作中，采用雙指數(shù)脈沖具有更好的效果。

4 電纜絕緣缺陷擊穿的仿真

航空電纜在鋪設(shè)時(shí)不會保證電纜一直是均勻傳輸線，電纜會發(fā)生彎曲，導(dǎo)致其變成非均勻傳輸線。

圖8為一條航空電纜，其中一段已發(fā)生彎曲，彎曲處位于電纜3.1 m附近，并在2 m處設(shè)置缺陷。在沒有噪聲干擾下，對電纜施加高斯脈沖，仿真結(jié)果如下圖，從圖9中可以看出，在阻抗不匹配的地方只有一處，此處為電纜彎曲處，而從圖中無法找到電纜絕緣缺陷的位置，但是看放大圖在0.025 μs處有一個(gè)峰值很小的反射波，在實(shí)際過程中是不可能存在這種理想條件，并且磨損故障對電纜特性阻抗的影響較小，使得利用時(shí)域反射測量方法所得到絕緣缺陷處反射回來的信號變化非常微弱。如圖10所示為高斯脈沖在有噪聲干擾的情況下的仿真結(jié)果。從圖9，10中可以看出2種脈沖在絕緣缺陷處的反射波的峰值并不是很突出，也就是說在噪聲干擾的條件下，絕緣缺陷處的反射波將很難檢測。為此將對電纜的絕緣缺陷位置處進(jìn)行擊穿仿真。

圖8 飛機(jī)電纜實(shí)際模型Fig.8 Real model of aircraft cable

在激勵(lì)過程中不斷提高脈沖的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，絕緣缺陷處將會被擊穿。擊穿后所得TDR仿真結(jié)果如圖11～13所示。

圖9 飛機(jī)電纜實(shí)際模型仿真Fig.9 Simulation of real model of aircraft cable

圖10 具有高斯白噪聲仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of Gaussian pulse with white Gaussian noise

圖11 高斯脈沖擊穿仿真結(jié)果Fig.11 Simulation result of Gaussian pulse insulation breakdown

圖12 雙指數(shù)脈沖擊穿結(jié)果Fig.12 Simulation result of double exponential pulse insulation breakdown

圖13 矩形脈沖擊穿結(jié)果Fig.13 Simulation result of rectangular pulse insulation breakdown

從圖11～13中可以看出，原本在0.015 μs絕緣缺陷處的反射波和未擊穿的反射波截然不同，取而代之的是一個(gè)反向的反射信號，此時(shí)的電纜絕緣缺陷處被擊穿，擊穿后內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體幾乎相連，就會發(fā)生短路，而又不是完全短路，剩下的能量繼續(xù)傳播，在電纜末端處產(chǎn)生反射。從圖中可以看出，如果對絕緣缺陷處進(jìn)行擊穿，擊穿短路后，在擊穿處所產(chǎn)生的反射波很明顯，反射波的極性與入射相反，并且其峰值與入射波相差很小，即使有噪聲的干擾，亦或是電纜存在非均勻(彎曲)也清晰可見。

5 結(jié)束語

本文針對時(shí)域反射測量方法進(jìn)行飛機(jī)電纜絕緣缺陷檢測，使用了3種不同脈沖針對飛機(jī)電纜絕緣缺陷進(jìn)行了仿真，得出雙指數(shù)脈沖在實(shí)際檢測過程中具有更好的檢測效果。本文還提出了在絕緣缺陷處進(jìn)行擊穿，增大絕緣缺陷處反射波幅值，在擊穿處所產(chǎn)生的反射波很明顯，反射波的極性與入射相反，并且其峰值與入射波相差很小，即使有噪聲的干擾，亦或是電纜存在非均勻(彎曲)也清晰可見。提高了飛機(jī)電纜絕緣缺陷處反射波形的判別度。

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Aircraft Cable Insulation Defect Detection Based on Time Domain Reflectometry

ZHAI Yu-yao，GUO Gang，WANG Zi-yi

(Aviation University of Air Force，Jilin Changchun 130022，China)

Aviation cable is the “nervous system” of an aircraft, which transmits power, control signals and data for the electrical equipment, avionics, communications and control systems, and provides protection for the mutual contact between the various control and information systems. Accurately detecting aviation cable faults are very important for the aircraft flight safety. Aircraft cable insulation defects is taken as a research object and a defect model of aircraft cable insulation is established according to the principle of time domain method (time domain reflectometry). Three different pulse waveforms of computer simulation technology (CST) software is used to simulate aircraft cable insulation defects. The results are compared and the conclusion is given. The breakdown of the insulation defect and the increase of the amplitude of the reflection wave at the insulation defect is proposed, so as the discrimination of defect location is improved.

cable；security assurance；insulation defects；time domain reflectometry；computer simulation technology(CST);three pulse waveforms

2016-07-26；

2016-09-02

翟禹堯(1991-)，男，吉林通化人。碩士生，主要從事電纜故障檢測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理研究。

通信地址：264000 山東省煙臺萊山街道長生西路37號博士隊(duì) E-mail：412997283@qq.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.032

E926.3；TM247；V448.15

A

1009-086X(2017)-03-0208-07