航空導(dǎo)線絕緣層隱性缺陷紅外在線診斷方法*

于向陽 姚凌虹 趙 時 于守淼 賀愛茗

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266000）

1 引言

航空導(dǎo)線是機載設(shè)備傳輸和配送電能及控制信號的必要載體，是電氣系統(tǒng)平臺的“血液”“命脈”。隨著機載系統(tǒng)電氣設(shè)備安裝密度的不斷增加，導(dǎo)線以不同的敷設(shè)方式在各隔框、艙段間穿梭，在振動頻繁及機械應(yīng)力過于集中的部位，絕緣層形成不同程度的微破損，這種微破往往為造成設(shè)備斷電，但在電場、水分、離子、振動等環(huán)境因素的長期作用下，極易造成性能惡化，引發(fā)短路等顯性故障。

目前，因不同導(dǎo)線絕緣材料的差異性，國內(nèi)還沒有形成適用性較為廣泛的絕緣材料故障試驗研究體系；一般在裝機前針對材料的介電強度、絕緣強度等開展型號試驗；裝機后則主要集中在更具經(jīng)濟意義的絕緣性能老化及剩余壽命研究等方向，針對導(dǎo)線絕緣材料的老化等特性的評估一般需要直接取樣測量，實施操作復(fù)雜，且依賴對材料的取樣分析而難以實現(xiàn)在線診斷。裝機后的布線方式、環(huán)境等因素也是影響其性能的重要因素，對于因布線方式、環(huán)境不同而引起的微裂或破損等隱性故障，往往是在系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，沿著敷設(shè)路徑針對絕緣層進行離線人工目視檢，受人員維護經(jīng)驗、檢測設(shè)備的限制，故障不易探查，給飛機線路的日常維護帶來了極大的困難。

隨著紅外熱像技術(shù)的發(fā)展，特別是熱像儀精度的提高，通過熱成像精確地讀出所檢測部位的溫度分布，并進行紅外特征特征參數(shù)提取，進而判斷設(shè)備工作情況及其完好性；加之體積小、效率高、適合大面積在線監(jiān)測等優(yōu)勢，其在線路的的檢測以及故障診斷中發(fā)揮了越來越重要的作用［1～4］。

海軍工程大學(xué)的孫豐瑞教授、楊立教授等對電纜高分子絕緣層整體熱老化特性開展了基于熱物性的定量評估，并針對紅外技術(shù)是否具備對機電設(shè)備進行故障診斷的能力及其影響因素等進行了深入研究，制定了紅外技術(shù)對故障診斷能力的評價指標(biāo)，認(rèn)為利用紅外技術(shù)對機電設(shè)備進行故障診斷的核心是準(zhǔn)確獲取被測設(shè)備的溫度分布狀態(tài)以及故障點的溫度或溫升值，此數(shù)值不僅能比較直觀判斷設(shè)備是否存在故障，而且也是判別故障原因、影響因素以及故障程度的重要依據(jù)［5～9］。

本文針對飛機導(dǎo)線絕緣層的不同破損情況，設(shè)計并搭建了實驗電路及平臺，在額定工作電流下進行通電實驗，通過紅外熱像儀獲取實時紅外圖像，針對不同類型隱性故障的溫度譜進行數(shù)值提取及模擬，提出一種基于等溫線溫度譜的特征分析方法，對其在線診斷及預(yù)防進行有益探索。

2 航空導(dǎo)線熱狀態(tài)模型

機載電路網(wǎng)中的航空導(dǎo)線，在實際走勢路徑上，往往捆扎成束并以不同的敷設(shè)方式安裝在狹窄的隔框內(nèi)，在一定電流下運行會產(chǎn)生熱效應(yīng)，導(dǎo)線工作的熱狀態(tài)“因地制宜”［10］。導(dǎo)線內(nèi)芯導(dǎo)體通過絕緣材料、線束包裹、敷設(shè)路徑向外傳遞熱量，其溫度通常高于環(huán)境溫度，經(jīng)過一段時間達(dá)到熱平衡，考慮到飛機線路的實際工作情況，導(dǎo)線工作的熱狀態(tài)受多種因素共同影響，難以進行精確的計算，相關(guān)影響因子的確定一般由實驗方法近似取值。通常導(dǎo)線產(chǎn)生的大部分熱量（80%～90%）以對流方式散去；剩下的熱量幾乎全部由輻射方式散去，導(dǎo)線的絕緣層表面與敷設(shè)環(huán)境自然對流傳熱，當(dāng)發(fā)熱與散熱達(dá)到熱平衡時，溫度分布趨于穩(wěn)定。

忽略溫度對導(dǎo)體直流電阻的影響，當(dāng)有電流I通過導(dǎo)線時，就有電能轉(zhuǎn)換為熱能。按照焦耳定律，在時間dt內(nèi)電流I所產(chǎn)生的熱量為

式中：Q為發(fā)熱量（焦耳）；I為負(fù)載電流（安）；R為單位長度的導(dǎo)線電阻（歐姆）。

經(jīng)過一段時間dt所產(chǎn)生的熱量一部分用于使導(dǎo)線加熱，其值為GCdθ；另一部分以熱的形式散熱到周圍介質(zhì)中，其值為

式中：G為導(dǎo)線重量；C為比熱容；θ0為導(dǎo)線周圍介質(zhì)溫度；θ-θ0為導(dǎo)線的溫升；S為導(dǎo)線散熱表面積；K為散熱系數(shù)。

導(dǎo)線在發(fā)熱過程中的熱平衡方程式為

解此微分方程，可以得到通解：

代入初始條件：當(dāng)t=0時，θ-θ0，則得

微分方程的特解為

當(dāng)穩(wěn)定溫度值一定時，為導(dǎo)線在特定線束、布線方式下的允許溫度值，其與內(nèi)芯導(dǎo)體工作電流值、絕緣材料的導(dǎo)熱性能等相關(guān)聯(lián)；在實際工作中，導(dǎo)線絕緣層破損等隱性故障引起絕緣層局部的散熱系數(shù)K及散熱表面積S的變化，紅外熱像技術(shù)利用紅外輻射效應(yīng)，實時獲取導(dǎo)線的表面溫度譜，可以評估其熱狀態(tài)［11～12］。

3 實驗方案

本實驗采用的測量儀器為紅外熱像儀，型號為FLUKETi400，測量精度±2℃或2%，基本參數(shù)設(shè)置：發(fā)射率為ε=0.9，環(huán)境溫度t0=15℃～19℃，空氣濕度50%，室內(nèi)不考慮太陽輻射、風(fēng)力等外界環(huán)境因素影響；試驗樣品選取0.75mm銅芯聚氯乙烯高溫導(dǎo)線，其額定耐壓值450/750V，電阻約為0.01Ω/m，外接額定工作電壓27.5V，實驗中工作電流（施加應(yīng)力）由功率滑動變阻器調(diào)節(jié)，詳見表1。

表1 不同狀態(tài)下的工作電流

測量點的選取，應(yīng)綜合考慮導(dǎo)線絕緣層不同破損程度的熱狀態(tài)特征及其獲取的有效性。相鄰測量點周圍應(yīng)保持一定的空間，減少相互間熱輻射及周圍熱條件的影響；測量點對“熱”因子的靈敏度也作為選取的重要參考依據(jù)，若某一測量點其相對靈敏度較高，說明該測量點能夠顯著反映導(dǎo)線的實際工作狀態(tài)。

綜合考慮導(dǎo)線絕緣層的實際工作極限條件及其破損程度對測量點的要求，本實驗選取了6種不同破損程度及其布線狀態(tài)的樣本進行監(jiān)測，破損程度具體情況見表2。

表2 破損程度設(shè)定

考慮到紅外熱成像儀長時間工作易產(chǎn)生熱輻射，為減小其對測量精度的影響，實驗中以20min為間隔進行一次采集，得到實驗樣本圖像；考慮到飛行任務(wù)的實際情況，連續(xù)通電時間一般為2小時，具體流程見圖1。

圖1 實驗流程圖

4 紅外特征分析

以熱成像圖為原始圖，以250*400分辨率取點進行三維數(shù)值模擬，并進行等溫線捕捉，如圖2所示，對不同破損程度處于線束表面情況進行了紅外特征分析，為導(dǎo)線絕緣層輕微破損在線束表面的實際熱成像圖。在線束表面位置的導(dǎo)線絕緣層破損處，熱成像圖捕捉到因溫度差形成明顯的“下沉”。

圖2 航空導(dǎo)線絕緣層不同破損程度部位的紅外熱成像圖

圖3 ～圖9比較了窗口內(nèi)溫度場不同敷設(shè)方式的最高溫度值（峰值）在部分工作狀態(tài)下，隨采集時間的變化情況。

圖3 I=0.5A，測量點的表面溫度值T的比較情況

如圖2所示，當(dāng)I=0.5A，絕緣層內(nèi)部導(dǎo)體熱應(yīng)力較小，各測量點在t1～t7時刻，溫度值隨時間推移走勢基本一致，呈快速、階躍上升趨勢，t4時刻附近為各測量點拐點，t5時刻溫度趨于穩(wěn)定。

圖4 I=1.5A，部分測量點的表面溫度值T的比較情況

如圖3所示，當(dāng)I=1.5A，絕緣層內(nèi)部導(dǎo)體熱應(yīng)力增加，各測量點在t1～t7時刻，溫度值隨時間推移整體呈上升趨勢，但存在一定差異性，測量點3的波動較大，t4時刻附近仍為大部分測量點的拐點，t5時刻溫度趨于穩(wěn)定。

圖5 I=2.7A，部分測量點的表面溫度值T的比較情況

如圖4所示，當(dāng)I=2.7A，各測量點溫度值隨時間推移整體呈上升趨勢，與前序狀態(tài)相比，各測量點溫度值波動較大，且各測量點差異性較大。

如圖5所示，當(dāng)I=3.5A，各測量點在此熱負(fù)荷下，溫度迅速上升，與前序狀態(tài)相比，其拐點進一步前移，經(jīng)過t2時刻，各測量點趨于穩(wěn)定溫度明顯前移；各測量點溫度值波動仍較大，仍呈現(xiàn)一定的差異性。

圖6 I=3.5A，部分測量點的表面溫度值T的比較情況

圖7 I=4.4A，部分測量點的表面溫度值T的比較情況

圖8 I=5.5A，部分測量點的表面溫度值T的比較情況

如圖6、圖7所示，當(dāng)I=5.5A，各測量點在此熱負(fù)荷下，整體呈上升趨勢，但溫度值波動較大，與前序狀態(tài)相比，且呈現(xiàn)一定的不穩(wěn)定性。

圖9 I=8.8A，部分測量點的表面溫度值T的比較情況

如圖8所示，I=8.8A，經(jīng)過t2時刻，各測量點溫度迅速上升，在小幅波動下趨于穩(wěn)定。在較大的熱負(fù)荷下，各測量點整體趨勢溫差較為明顯，部分測量點的最高穩(wěn)定溫度已超過40℃。

圖3～圖9，各測量點在不同的熱應(yīng)力條件下，溫度均呈上升趨勢，低負(fù)荷至高負(fù)荷溫升上升近30℃，；隨著熱負(fù)荷的增加，各測量點在不同的熱負(fù)荷下，溫升的拐點由t4逐漸提前到t2，但存在一定的差異性，除輕微破損部位，大部分測量點存在一定的波動性；在低負(fù)荷（I=0.5A）和高負(fù)荷（I=8.8A）時，部分測量點在熱負(fù)荷影響下，溫升趨于穩(wěn)定，僅伴隨小幅波動；各測量點在額定熱負(fù)荷附近（2.7A≤I≤5.5A），溫升未達(dá)到穩(wěn)定，呈現(xiàn)一定的波動性和差異性；測量點4，對熱負(fù)荷的變化最為敏感，考慮所在線束布線數(shù)量相對較少，與線束熱慣性和熱容量較小有關(guān)；導(dǎo)線失去絕緣層的包覆，作為線芯的熱源直接向周圍環(huán)境散熱，表面溫度受環(huán)境的影響波動較大，熱平衡不易建立，。

5 結(jié)語

本文提出了一種航空導(dǎo)線絕緣層隱性缺陷的紅外在線診斷方法，能夠在一定程度上獲取導(dǎo)線絕緣層隱性缺陷特征。隱性缺陷的不同發(fā)展程度及位置，對熱因子敏感性不同，反映的熱力特征存在一定的差異性；輕微破損、半周向破損及周向破損等在線束表面時，在溫度場內(nèi)能夠進行準(zhǔn)確定位并進行跟蹤監(jiān)測，在線束內(nèi)部時效果受限，有待進一步探究。