航空電氣系統(tǒng)中故障電弧的研究

王繼光 槐宇超 趙浩然

摘要：航空飛行器在空飛行時須依靠動力設(shè)備，即發(fā)電機。但是電負荷傳遞及其輸送則需利用線路來進行。在實際中，普通飛機內(nèi)部的線路長度多于上千米，在運行時間過長的情況下，一旦線路質(zhì)量不符合，就極易產(chǎn)生故障，且工作人員維修工作難度也增加。電弧是線路運行中極易產(chǎn)生故障的關(guān)鍵位置，所以對電氣產(chǎn)生的電弧做深入分析，提高故障檢測水平，確保航空的安全可靠。本文主要分析探討了航空電氣系統(tǒng)中故障電弧方面內(nèi)容，以供參閱。

關(guān)鍵詞：航空;電氣系統(tǒng);故障電弧

飛行器在空中飛行時離不開運行動力設(shè)備-發(fā)電機，飛機的飛行、各種儀表的顯示等都是發(fā)電機提供的動力，而電負荷的傳遞和輸送要靠線路來完成，在現(xiàn)實中，一架普通的飛機，體內(nèi)線路的長度高達上千米，一旦運行時間長，線路的質(zhì)量不達標，非常容易出現(xiàn)故障，如影響各種數(shù)據(jù)的顯示、操作不穩(wěn)和傳遞的信號不正常等問題，同時出現(xiàn)線路故障電氣時維修人員很難查找，因此首先要對電氣產(chǎn)生的電弧及電磁輻射進行分析，逐步查找隱患，避免飛行事故的發(fā)生。

1電弧產(chǎn)生的緣由

經(jīng)過長時間無數(shù)的實踐經(jīng)驗可知，若要在真正意義上將電弧故障進行徹底的解決，我們研究人員第一步就要去對電弧的特點和故障原因做詳細準確的探究。通常而言，電弧為兩個電極彼此所發(fā)生的連續(xù)且非間斷的放電過程，在這個時期內(nèi)將會發(fā)生部分電氣材料出現(xiàn)揮發(fā)狀況，實際上該電磁反應(yīng)過程十分繁瑣復(fù)雜。除此之外，因為導(dǎo)電系數(shù)自己就充當變量，因此不能利用歐姆定律進行線性描述彼此間的關(guān)系。而且電路自己的參數(shù)性質(zhì)及其電氣系統(tǒng)周圍的環(huán)境條件也會在某個程度上影響電弧的產(chǎn)生。

2產(chǎn)生電弧的路途徑分析

經(jīng)過以往大量的研究發(fā)現(xiàn)，主要有以下途徑可以產(chǎn)生電弧：第一種是在電路開斷時。在這種情況下，電弧會造成局部熱量出現(xiàn)很大程度的增加，這是極其危險的，如果稍不注意就會導(dǎo)致大量的人力物力財力的損失。與此同時還通過以往大量的實踐結(jié)果表明，串聯(lián)電路中的電弧數(shù)量與負荷之間也存在著一定程度的關(guān)聯(lián)。因為在并聯(lián)電路中的電弧故障主要發(fā)生在兩種相反的電極之間。屬于導(dǎo)體之間無意識的導(dǎo)通。主要是由源頭故障電抗值與電流值兩個因素所共同決定的，它是由于接電線的導(dǎo)體與地面相連接的導(dǎo)體金屬部分或者金屬之間的斷乎故障。在這種情況下，電路觸頭分離的初期階段，接頭之間的接觸壓力與接觸面積會隨著觸頭的分離會出現(xiàn)一定程度減少的狀況，進而就會直接造成接觸處電流密度在很短的時間內(nèi)迅速變大，此時接觸電阻與觸頭勢必會放出一定熱量（具體是多少要依據(jù)當時的具體情況而定），如果放電電流穩(wěn)定，則表現(xiàn)為電弧開斷。第二種情況是在擊穿真空（或者是氣體）之間的間隙，此時會在真空的兩級（正負）之間產(chǎn)生電弧，即真空電弧。

3航空電弧的故障分析以及相應(yīng)的防護措施

3.1飛機故障電弧的類型和特點

到現(xiàn)在為止，我們可以把電弧故障分成兩種基本的類型：串聯(lián)和并聯(lián)。（1）串聯(lián)電路中的電弧故障。當串聯(lián)載流加載電氣設(shè)備時發(fā)生串聯(lián)電弧故障，這一般都是一種無息識的破壞。電弧可能會通過斷掉的線之間的空隙產(chǎn)生，這會導(dǎo)致局部的熱量增加。在串聯(lián)電弧中電流的數(shù)量是根據(jù)負荷而定的。如果串聯(lián)電弧電流是在傳統(tǒng)電路阻斷器的載流容量的額定值之下，那這個串聯(lián)電弧電流就不會造成危害，因此在這種情況下，傳統(tǒng)的電路阻斷器、熱量阻斷器、磁性阻斷器都不會跳閘。串聯(lián)電弧能導(dǎo)致局部過熱，這有很大的危害。（2）并聯(lián)電路中的電弧故障。并聯(lián)電弧的發(fā)生是一種相反電極的導(dǎo)體之間的一種無意識的導(dǎo)通。并聯(lián)電弧僅漢受到源頭故障電流值和故障電抗值的影響。電線到地面的弧故障是另外一種并聯(lián)電弧故障，它的發(fā)生，是由于無接地線的導(dǎo)體和周圍和大地這個導(dǎo)體相聯(lián)接的金屬護欄或是其它的金屬結(jié)構(gòu)體發(fā)生電弧故障。

3.2電弧故障的仿真分析

3.2.1合理有效的進行故障電弧模型的搭建

必須建立電弧的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，目前研究故障電弧的動態(tài)模型主要有兩類。第一種是“物理—數(shù)學(xué)模型”，即是詳細研究電弧的物理過程，根據(jù)能量守恒之律和弧柱等離子體特性寫出方程式組，并經(jīng)一系列運算建立電弧數(shù)學(xué)模型。第二種電弧模型是“黑盒模型（black-box-model）”，即將電弧作為一個兩端元件，用某個數(shù)學(xué)方式來決定傳遞函數(shù)。只對故障電弧引發(fā)電壓或電流變化進行研究，而對內(nèi)部因素不做研究。Cassie與Mayr是“黑盒模型”的典型代表。這兩種模型既簡單由實用，常被引入交流電路中進行建模和仿真，但在要求較高的仿真要求中有不足之處。隨著電弧模型研究的深入，適于低壓故障電弧模型還有MatteWS模型、Stokes和Fisher模型。其中Stokes和Fisher模型比Mattews模型對實際情況分析和解決，更有說服力，更符合故障電弧的特性。在此選擇Stokes為電弧數(shù)學(xué)模型進行仿真。

3.2.2實現(xiàn)電弧故障模型

在以MATLAB軟件為基礎(chǔ)的條件下，通過電力系統(tǒng)模塊庫中的元件建立起通用型的電弧故障模型，這種電弧模型由電壓控制的電流源、微分方程編輯器、定值檢測等模塊組成，具有更高的普遍性和更強的實用性。在進行故障電弧的仿真試驗過程當中，只需要借助此模型對基本波形進行仿真試驗就可以得到電弧斷路器在斷開時的故障電弧的電流變化：電弧電壓從零點開始升高直至不變，電弧電流則一直下降直至零點不再發(fā)生改變。具體電弧模型如圖1所示。

4結(jié)束語

綜上所述，在航空事業(yè)的發(fā)展過程中，安全永遠都是排在第一位的，其中電弧故障必須要引起足夠的重視，首先要查找電弧故障的真正原因所在，然后再對癥下藥，做到具體問題具體解決。另外，還要派專職人員定期對其進行檢查和維修，做到防患于未然，從而在根本上保障在航空電氣系統(tǒng)不會出現(xiàn)電弧故障問題，保障旅客以及飛機工作人員的生命財產(chǎn)安全。

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（作者單位：中國人解放軍95926部隊）