飛機電源配電線路故障在翼測試系統的設計研究

楊娟 李運富 任仁良

摘 ?要： 飛機電源系統的配電線路安全直接影響著飛機上電氣設備的工作安全。飛機供電線路阻值以及故障保護時間是重要性能參數，反映了線路的導電性和可靠性。基于LabVIEW開發的飛機電源配電線路故障在翼測試系統實現了配電線路、跳開關和連接件等多種線路連接元素的總等效阻值測試，診斷回路導通性故障;并通過人機交互界面按需設置模擬飛機線路過載或短路故障，測試線路故障保護時間和I2t保護曲線，獲取跳開關性能狀態。該測試系統在不影響飛機原有線路構型情況下模擬線路故障并實現在翼測試，可快速診斷線路導通性及保護器件性能狀態，具備多通道拓展功能，對飛機電源系統故障診斷研究具有參考價值。

關鍵詞： 飛機電源; 配電系統; 線路故障; 跳開關; 保護時間; 在翼測試

中圖分類號： TN954+.2?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）10?0113?05

Design research of fault on?wing test system for electrical power

distribution circuit of aircraft

YANG Juan1， LI Yunfu2， REN Renliang1

（1. Engineering Technical Training Center， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China;

2. College of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： The power distribution line status of the aircraft′s power supply system affects the operation safety of the airborne electrical equipment directly. The resistance value and fault protection time of the power supply circuit of aircraft are important performance parameters that can reflect the conductivity and reliability of the circuit. Therefore， a fault on?wing test system is developed for the electrical power distribution circuit of the aircraft on the basis of the LabVIEW， so as to realize total equivalent resistance value test of various line connection elements such as power distribution line， circuit breakers and connecters， and diagnose the conductivity fault of the loop. The overload and short circuit faults of the aircraft line are set and simulated on demand by means of the human?machine interactive interface. The line fault protection time and I2t protection curve are tested to obtain the performance states of circuit breakers. The test system can simulate the circuit faults and implement the on?wing test without affecting the original circuit configuration of the aircraft， and rapidly diagnose the line connectivity and performance states of protective devices， which has a multi?channel expansion function， and a certain reference value for research on fault diagnosis of the power supply system of aircraft.

Keywords： aircraft power supply; power distribution system; line fault; circuit breaker; protection time; on?wing test

0 ?引 ?言

飛機電源系統配電包括從電源匯流條到用電設備輸入端的部分，由電網配電裝置和電網保護裝置組成，其作用是將電源產生的電能傳輸和分配到飛機各用電設備。以B787為代表的“多電飛機”上機載大功率負載數量大幅增加，對電網的沖擊明顯增多。現代飛機配電線路復雜程度越來越高，線路的相互干擾隨之增多。此外，隨著飛機逐漸進入老齡化，線路及保護器件老化問題逐漸凸顯[1?5]。飛機地面排故維修過程中，人工測試方法僅能利用簡單儀表實現跳開關通斷測試，無法深度探知器件的性能狀態以及產生誤動作的幾率。此外，針對老齡飛機所開展的定期線路檢查工作面臨著線路保護跳開關數量龐大，拆卸困難，規格多樣的問題，通過人工逐一完成，工作量大且效率極低，又容易產生誤檢，漏檢等人為差錯。航空維護過程中，在翼測試目標配電線路故障狀態并對線路中保護器件進行參數測量和評定十分必要。

1 ?測試系統總體結構

飛機配電系統示意圖如圖1所示。

圖1 ?飛機配電系統示意圖

飛機電源配電線路故障在翼測試系統總體結構設計如圖2所示[6?7]。

圖2 ?測試系統總體結構

該測試系統將實現配電回路正常工作模式下線路阻值測試和配電回路非正常工作模式下跳開關保護時間測試。系統主要分為6個模塊：電源模塊、人機交互控制與指示模塊、負載控制模塊、信號采集模塊、數據分析模塊和被測件模塊。上述6個模塊綜合實現測試參數設置功能、負載控制功能、被測件測試功能和參數比較分析功能。硬件模塊中集成了軟件功能，實現整個故障檢測、參數測試和數據分析與比較功能。

2 ?系統硬件設計

系統硬件設計的核心部件連接情況如圖3所示。圖3中，測試設備通過外接電纜直接連接飛機3相115 V/400 Hz電源作為系統直接或間接的工作電源。變壓整流器是飛機二次電源設備，輸出穩態和瞬態參數符合飛機供電特性標準，將3相115 V/400 Hz飛機電源轉換成28 V機載直流電為測試主回路提供工作電源。其中電子負載、工控一體機和數據采集卡環路實現人工遠程控制系統總回路電流值。

圖3 ?系統硬件設計

數據采集卡采用USB?6009數據采集卡，單通道最高采樣率為48 KSPS，實時采集回路電流值，系統可同時連接8路測試通道，一次接線實現8路回路測試。功控一體機是測試軟件的硬件平臺，可通過操作鼠標鍵盤或者直接手觸液晶顯示屏操控兩種方式來對測試系統進行人機交互控制。工控一體機控制分別與電子負載通過USB轉TTL的轉接接口相連、通過USB接口與數據采集卡相連;電子負載單元與數據采集卡通過BNC接口連接。為避免受機上其他設備信號干擾，線路連接全部使用屏蔽導線。

3 ?系統軟件設計

系統軟件采用NI公司的LabVIEW 2015作為開發平臺。LabVIEW具有內置的圖形用戶界面，操作直觀，使用簡便，包含豐富的數據分析處理庫函數，提供了編程巨大的靈活性和很高的可靠性，能夠充分實現操作靈活、功能強大和用戶界面友好的設計要求。系統軟件部分通過LabVIEW 2015程序編輯，實現信號的記錄、信號的實時分析、信號的后期分析和輸出圖形的功能。

3.1 ?測試初始化設置

測試初始化設置部分，設置數據端口選擇下拉菜單，并可對電子負載實現遠程操作模式和人工操作模式選擇。初始設置如圖4所示。

圖4 ?初始設置

3.2 ?線路電阻測試

線路電阻直接反映了目標線路的連接質量和導電狀態。一條供電線路中集成了多種電阻元素，包括導線阻值、跳開關接觸電阻、線路中有壓接、搭接、插接、螺栓緊固連接和焊接等各種連接電阻，線路的總阻值計算為：

[R線=i=1nRi] （1）

通過測量線路電阻可定性地判斷線路連接的可靠性和安全性，定性檢查線路的導電性和接地是否良好，是質量檢查或故障診斷的手段之一。

飛機配電線路保護器件跳開關的接觸電阻是接觸表面兩邊的電位差與通過的電流的比值，符合歐姆定律。以額定電流為1 A的跳開關為例，測量小功率連接器的接觸電阻時，如信號通道的接插件、繼電器和開關等，為了防止接觸表面受熱燒結，要用小電流進行測量，這樣才能反映在小電流下使用時的實際情況。

線路電阻測試條件是在被測件額定功率條件下完成。根據配電線路中跳開關的設計參數設定線路電流值，如圖5所示。檢測線路中電子負載兩端實際電壓和電流值通過檢測模塊獲取，如圖6所示。

圖5 ?設定電流值程序

回流中導線阻值、跳開關接觸電阻、線路中壓接、搭接、插接、螺栓緊固連接和焊接等各種連接電阻的等效電阻總和為：

[RX=US-U實I實] ? ? ? ?（2）

式中：[RX]為線路電阻;[US]為飛機供電電源;[U實]為電子負載兩端實際電壓值;[I實]為線路實際電流值。

圖6 ?線路實際值檢測

3.3 ?過載/短路故障設置及保護時間測試

飛機電氣設備使用不當，電機、電器、電線等電氣設備的絕緣老化，受機械損傷或戰斗損壞等原因，都有可能使電氣線路發生過載或短路。電路短路時將出現很大的短路電流， 隨之產生大量熱量和機械力，致使設備損壞，供電中斷，甚至造成事故;如果故障處產生電弧， 將使故障處金屬熔化或燃燒從而出現間歇性短路，這是極其危險的。通過測試系統模擬飛機電源配電線路過載和短路故障，是測試線路故障保護功能的基礎。調節電子負載，模擬線路過載或短路故障，過載故障輸出范圍為100%I額

以保護電流額定值為1 A的飛機配電線路為例，非正常工作狀態下線路電流可通過人工或遠程控制電子負載調節，實現1.0～11.9 A范圍內的過載數值設定，以及12.0～17.8 A范圍內的短路數值設定。數值設置可根據需求選擇0.1和1兩檔設定值遞增輸入，過載測試點119個，或可按需填寫加載數值。程序設置見圖7。

圖7 ?線路過載故障和短路故障設置

跳開關是飛機配電線路最常用保護裝置，以串聯方式接入被保護的電路中，當被保護的電路因電網波動發生過載或短路故障時，線路電流達到或大于某一數值時， 跳開關動作，從而切斷被保護電路，保護機載設備和飛機電源系統。飛機跳開關性能直接影響著配電網絡的安全性，準確測試其性能參數對于保證飛機電網安全有一定意義。跳開關保護反映時間的大小是重要性能參數[8?11]。根據MIL?STC?1760和MIL?P?81653B標準的要求，飛機線路保護器件需滿足跳開時間反延時的特性要求。

[T=A（IIp）B-1·Tp] ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[T]為反延時關斷動作時間;[I]為實際采樣電流;[Ip]為額定電流;[Tp]為時間常數;A和B為不同反延時特性方程常數。根據不同的反延時保護特性，常數A和B的取值有所區別，一般反延時A=0.14，B=0.02;非常反延時A=13.5，B=1;特別反延時A=80，B=2。飛機配電線路選擇特別反延時保護。

保護時間測試如圖8所示，測試回路電子負載輸出數據大于0.2時，開始進入線路過載或短路故障啟示計時時刻，通過計時子VI檢測跳開關過流保護跳開時刻，前后時間差為過載保護時間。

圖8 ?保護時間測試

4 ?測試系統功能實現

工控一體機控制單元設有支持觸摸屏功能RS 232&

USB組合接口，用戶可通過操作鼠標鍵盤或者直接手觸液晶顯示屏操控兩種方式來對測試系統進行人機交互控制見圖9。通過圖9a）中的測試主界面，用戶可進入完成系統初始設置、過載/短路故障設置、保護時間測試、接觸電阻測試以及退出測試系統。圖9b）中的測試子界面提供了各個測試內容的控制按鈕和顯示數值或曲線。

5 ?測試案例分析

以某型飛機負載LOAD1和負載LOAD2的工作回路為例，在翼測試線路連接示意圖如圖10所示。

負載采用飛機DC 28 V BAT BUS匯流條供電，線路保護跳開關C001額定電流值為1 A。負載LOAD1線路由飛機匯流條經過Line1→跳開關C01→Line2→拼接管SM01→Line3→航空插頭D10→Line4→接線塊TB01→Line5→拼接管SM02，拼接管SM02并聯接出Line6和Line7，分別連接上負載LOAD1的航空插頭D30的2號和3號插釘， Line8接地（飛機外殼）;負載LOAD2線路由飛機匯流條經過Line1→跳開關C01→Line2→拼接管SM01→Line9→航空插頭D20→Line10→接線柱XB1→Line11→接線塊TB02→Line12→拼接管SM03→Line13→LOAD2插頭D40的1號插釘，Line15接地（飛機外殼）。

圖9 ?測試系統主界面和子界面

圖10 ?在翼測試線路連接示意圖

圖10中，LOAD1的配電線路導線總長7.1 m，線路中存在4個線路轉接和連接部件，電氣連接點若干;LOAD2的配電線路導線總長10.8 m，線路中存在5個線路轉接和連接部件，電氣連接點若干。

為了避免測試過程中起動機載電源，并在不破壞飛機原有電路基礎上實現配電線路故障在翼測試，將匯流條與Line1脫開，由電氣連接線路將測試系統DC 28 V測試電源接入替代匯流條工作電源;另一端將D30與LOAD1脫開，將測試系統負載輸出正極線路02和03以及接地線路01經過匹配接口與D30相連。

在上位機上遠程控制電子負載設備，在跳開關C01額定功率條件下測試線路電阻，測量值為2.013 Ω，說明線路導通性良好，診斷被測配電回路處于無故障狀態。

從1.0 A開始逐點設置線路過載功率值，每間隔0.1 A測量一個線路故障保護時間，系統采集并儲存數據。根據測試數據，利用Matlab的M文件繪制過載電流值與保護時間對應曲線，與參考區間對比如圖11所示。

圖11 ?實測保護時間與參考區間對比

圖11中，LOAD1配電回路保護時間實測值在器件參考帶區間中，線路短路故障（1 200%額定功率）保護時間為0.101 s，線路過載故障（110%額定功率）保護時間為15.789 s，符合性能指標要求。在線路額定電流臨界點工作條件下，系統可持續工作。

被測件I2t保護曲線如圖12所示。

圖12 ?I2t保護曲線

圖12中，短路狀態下，I2t值最大。系統回路在110%～1 100%過載狀態下，假如輸入電流為恒定值，保護時間大小取決于該電流值的大小。

在測試LOAD2配電回路時，將負載輸出01，02和03線路脫開，將04和05通過匹配接口與D40連接。測試過程與LOAD1相同。通過測試實例可知，該系統可順利實現一次接線，通過上位機系統指令分配，單獨測試不同目標配電回路的要求。

6 ?結 ?論

飛機電源配電線路故障在翼測試系統在不改變飛機配電線路原有構型基礎上測試目標線路等效總阻值，診斷線路導通性;并設置模擬線路過載或短路故障，測試飛機線路保護器件跳開關的保護時間值及I2t保護曲線，進一步判定線路保護器件的性能狀態。通過本測試系統在飛機線路故障排除階段可快速確定跳開關誤動作或真實失效狀態，在線路定期維護階段測試跳開關現實性能狀態，評估使用壽命，避免了維修過程中破壞飛機原有線路構型，解決工作效率低、人工耗時等問題[12?16]。結果表明，該系統具有較長的使用壽命和升級空間，未來可根據需求加入新的模塊或升級現有模塊實現新的測試功能。

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