航空電氣電弧、短路危害及保護研究

曹濤

(中國商用飛機有限責任公司 上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引 言

1998年9月2日凌晨，一架隸屬瑞士航空，編號HB-IWF的MD-11三發寬體客機，在墜入大西洋后解體，全機229人無一生還。經過長時間的調查，最終確認此次空難是由電弧引發的非阻燃材料燃燒引起的火災導致的[1]。2001年4月25日，加拿大航空公司一架DC-9客機從美國達拉斯市起飛，飛往加拿大多倫多市，飛機起飛后一個半小時，機尾盥洗室由于線路短路起火，引發嚴重的客艙火災，造成23名乘客死亡的慘劇[2]。一次次慘痛的空難事件，使得航空電氣電弧、短路危害及保護的研究顯得非常重要。

國內外已進行了大量航空電氣電弧、短路的研究，但是大多都是有關理論方法和軟件仿真方面的研究。薛沛祥等[3]、王莉等[4]利用MATLAB軟件進行了電氣電弧的研究；呂明等[5]、侯福生等[6]研究了電氣線路中電弧產生的原因和防護方法；楊軍等[7]對電弧的數學模型——黑盒模型和磁流體力學模型進行了研究，選取簡化的Schavemaker模型進行分析。有些學者在試驗室采用電弧發生裝置來研究電弧檢測和電弧特性，例如，王禹等[8]在試驗室搭建了電弧發生裝置進行電弧研究。

本文通過試驗室搭建民用飛機115 V/400 Hz三相交流電氣線路，這種線路在民用飛機上屬于典型線路，采用試驗法對飛機電氣電弧、短路故障現象進行驗證，分析傳統熱斷路器(Thermal Circuit Breaker，簡稱TCB)的工作特性，確認電氣電弧、短路故障對電氣線路和設備產生的危害程度；同時，探索更好的電氣電弧、短路保護方法。

1 電弧、電路原理及分類

電弧是一種氣體放電現象，表現為電流通過某些絕緣介質(如空氣)所產生的瞬間火花。按電流種類可分為：交流電弧、直流電弧和脈沖電弧。電弧具有能量集中、溫度高、亮度大的特點，是一種具有強光和高溫的電游離現象[4]。民用飛機線束的電弧通常發生在導線之間或導線與金屬結構之間，屬于并聯電弧，釋放出的能量巨大，超過5 500 ℃，可能引起導線絕緣層破裂碳化，形成導電通道，使金屬導體過熱從而引發火災[9]。

按照故障電弧產生的位置可分為兩類：串型電弧和并行電弧，如圖1所示。串型故障電弧是由電極之間的松弛連接或接觸不良造成的。串型電弧一般發生在連接插件或串連負載連接處，腐蝕氧化、連接損壞、電纜絕緣劣化、內部金屬導體斷裂等都可能引起串型故障電弧。并型故障電弧發生在相線與中線或相線與相線之間，由導體絕緣破壞等原因引起，是兩導線之間短路或導線與結構之間的瞬時短路，是一種短路電弧[8]。

(a) 串型電弧 (b) 并型電弧

圖1 電弧故障類型

Fig.1 Types of arc fault

在航空電氣系統中，比如打孔形成的金屬碎屑綁扎在了線纜中，飛機長時間的飛行振動，金屬碎屑會對線纜產生磨損，造成導線之間產生并行短路電弧。如果這種短路現象持續存在，就形成短路。本文研究的就是飛機上這種因金屬多余物引起的三相交流電路任意兩相線路分別產生短路電弧和短路，對線路、設備和結構產生的損壞。從而尋找新的技術，對線路中的電弧、短路進行保護。

2 航空電氣電弧、短路特性試驗

目前絕大部分民用飛機使用的是三相交流115 V/400 Hz恒頻電或三相交流115 V/360～800 Hz變頻電。本文試驗采用115 V/400 Hz恒頻地面電源，地面電源功率120 kVA。

2.1 試驗平臺搭建

試驗搭建民用飛機典型的三相交流電路，采用115 V/400 Hz、120 kVA恒頻地面電源，饋電線通過傳統的熱斷路器(50 A)連接到交流接觸器，在交流接觸器的任意兩相間，通過金屬導體進行短接，表征民用飛機金屬多余物產生的電弧、短路現象，驗證熱斷路器的保護能力，以及觀察電弧、短路產生的危害。搭建試驗平臺，如圖2所示。

圖2 三相交流電路電弧、短路試驗平臺

2.2 模擬電弧試驗

模擬電弧試驗，斷路器輸出端的電壓變化如圖3所示，可以看出：電弧產生時電壓下降到約70 V。

斷路器輸入端的電流變化如圖4所示(試驗時測試系統電流單位未更改，故顯示的單位為Volts，實際為電流A)，可以看出：電弧產生時，電流激增至約2 400 A；電弧產生時間約30 ms，由于時間過短，熱斷路器無法產生保護，斷路器未跳開。

圖3 斷路器輸出端電壓(模擬電弧試驗)

圖4 斷路器輸入端電流(模擬電弧試驗)

2.3 模擬短路試驗

模擬短路試驗，斷路器輸出端的電壓變化如圖5所示，可以看出：短路產生時電壓下降至約106 V。

斷路器輸入端的電流變化如圖6所示，可以看出：短路產生時電流激增至約2 600 A；短路時間約220 ms，短路時間足夠長，觸發了熱斷路器的保護功能，斷路器跳開保護。

圖5 斷路器輸出端電壓(模擬短路試驗)

圖6 斷路器輸入端電流(模擬短路試驗)

3 熱斷路器電路中的電弧、短路保護分析

熱斷路器電路中的電弧、短路試驗已進行多次，結果分析如表1所示。熱斷路器的安/秒特性曲線如圖7所示，由于熱斷路器安/秒特性曲線并沒有給出0.1～0.5 ms之間的曲線，根據熱斷路器安/秒特性曲線趨勢，對其進行適當的延伸。

表1 電弧、短路試驗數據對比分析

圖7 熱斷路器安/秒特性曲線

4 電弧、短路對線路、設備的危害

4.1 電弧危害

將金屬導體作為多余物，緩慢地靠近短路點(如圖2所示)。金屬多余物接近短路點，導致相間短路，產生電弧。在電弧中心產生高溫，引起局部空氣體積快速膨脹，將金屬導體沖走，并同時形成爆破音，熔融的液態金屬也會因局部氣體快速膨脹而飛濺。連續進行5次電弧故障試驗，斷路器均未跳開，如表1所示。

通過5次電弧試驗可以看出：每次電弧短路的時間雖然較短，但是多次的電弧短路故障已經對接觸器與接觸器座的連接點產生了損傷。如果持續的電弧放電，必然造成接觸器的損壞。

4.2 短路危害

為了觸發短路，將金屬導體卡在短路點，然后接通地面電源，連續進行3次觸發短路故障試驗，每次斷路器均跳開，如表1所示。在此過程中，故障點短路產生局部高溫，導致接觸器殼體、絕緣底座等受損，附近相關導線絕緣層以及接線端子絕緣保護套受損碳化。

通過電弧危害和短路危害的對比可以看出：在并型電弧中，電弧其實是一種時間更短的短路現象。而電氣短路時間較電弧長，產生的熱量大，可以瞬間將接觸器損壞。

如何通過新的技術和方法，在電弧發生時就進行檢測和保護，對航空電氣線路設計至關重要。

5 電弧檢測和保護方法

近年來，有學者提出在固態功率控制器(Solid State Power Controller,簡稱SSPC)中集成電弧檢測功能的想法[10-11]，即把繼電器、斷路器和電弧故障斷路器三種飛機配電系統中常用裝置集成于一體。一方面可以節約空間，減輕重量，另一方面也便于配電系統的集中管理，同時設備數量的減少也有利于提高配電系統的可靠性和穩定性。因此，為了全面提高航空電氣系統的安全性，對具有電弧檢測功能的SSPC進行研究具有重要意義[12]。根據美國故障電弧斷路器安全標準UL1699，在400 Hz航空交流線路中，當電弧故障斷路器在100 ms內察覺到8個半周的故障電弧時，斷路器需要執行脫扣動作，切斷電路[13]。

5.1 時域檢測方法

時域檢測方法通過監測電弧電壓與電流波形實現。由于電弧電流波形畸變，可以選取電弧電流的平均值或者峰值作為特征值進行比較[14-15]；發生直流電弧故障時，可用分流器測得電弧電流突變的特性[16]。劉天宇[17]選取的電弧檢測判據為電流變化率判據與電流峰值判據，每檢測到一次電弧事件時，檢測結果輸出高電平，如圖8所示。本文在軟件設計程序中加入負載切換防止誤動作的程序，以增強電弧檢測功能的抗干擾能力。

圖8 時域檢測法電弧檢測實驗結果

5.2 頻域檢測方法

頻域檢測方法通過分析電壓電流諧波含量實現，最常用的是傅里葉變換。一個典型的故障電弧電流與正常電流的FFT分析結果如圖9所示[17]，可以看出：故障電弧電流直流分量與諧波含量明顯高于正常電流，且基波含量有所下降。

(a) 正常電流波形

(b) 故障電流波形

(c) 正常電流頻譜

(d) 故障電流頻譜

5.3 時-頻域檢測方法

時-頻域檢測方法通過小波變換研究電弧電壓、電流的瞬態特性，實現對故障電弧的檢測。小波變換能同時兼顧信號在時域與頻域的信息，如圖10所示[18]。

圖10 電弧電流db3小波3層分解結果

6 結 論

(1) 通過試驗室試驗，驗證機上金屬多余物引起的電弧故障，表明傳統熱斷路器不能實現電氣電弧故障的保護。如果電氣電弧進一步發展為短路，傳統熱斷路器可以起到保護作用。如果一直處于電氣電弧故障狀態，將對飛機線路和設備產生不可控的危害。

(2) 即使發生幾次電氣電弧故障，就能對設備產生損壞，現有的時域檢測方法、頻域檢測方法、時-頻域檢測方法，都采用100 ms內8個半周的故障電弧檢測控制，這時對線路及電氣設備都已產生不可恢復的損壞。如果發生在燃油箱等危險區域，將對飛機產生災難級的危害。因此必須更早地發現電弧并對其進行保護隔離。

(3) 通過電弧、短路試驗，在民用飛機配電及線路設計時，一定要做好相間隔離保護，防止電弧、短路對線路和設備的損壞。