航空电气系统中故障电弧的研究

【摘要】本文主要是对航空电气系统下的故障电弧进行分析，在电弧理论的指导下，从航空电弧的特点入手进行分析研究，对其可能产生的波形进行仿真分析，从而在电弧故障断路器的作用中指出如何可能将其运用到航空领域中去。

【关键词】航空电气电缆故障电弧分析

一、引言

线路故障在航空电气系统故障中是较为常见的一种，其表现形式各有不同，有指示仪表的不稳定，操控机械的不工作，信号不正常等。军用机和民用机的机龄超过10年之后，深埋在结构之中的总长可达几百千米的电线开始产生裂纹和磨损。人们一度认为这种故障影响不大，长期被忽视，但这种故障可在一架普通的飞机中出现几百处之多，而且难检测，其所产生的电弧和电磁辐射可能是致命的。飞机电线老化或绝缘层磨损是产生故障主要原因。

二、航空电气系统故障

在航空电气系统中，有许多的故障问题，就拿飞机导线来说，其存在的故障是现代飞机常见的故障。在飞机及其内部部件（如发动机、APU等）的使用初期，因为厂家装配不适当的原因，比较容易出现导线故障；通过适当的调整和修理，飞机及其部件存在一段较长时间平稳期，这个阶段的导线故障率很低，甚至为零；随着机龄的增长，由于导线老化、腐蚀、磨损等原因，导线故障的发生开始变得相对频繁[2]。

三、故障电弧分析

3.1电弧的产生

在电弧研究过程中，研究电弧发生的条件是有重要意义的。电弧的发生有以下几个主要途径：（1）电路开断时电弧的发生，在触头开始分离运动时，作用在它们之间的接触压力将减少，接触面积也缩小，接触处的电流密度逐渐增大，因而接触电阻和触头中放出的热量就增加。如果这放电是稳定的，则就是所谓的开断电弧。（2）真空和气体间隙的击穿。电弧可以在真空的两电极间发生。这种电弧可以称为真空电弧。（3）触头闭合时电弧的发生。当连接到电压源的两个触头闭合之前会发生电击穿。这时可以发生通常的电弧放电。（4）从火花放电到电弧放电的转变。火花放电可以引起具有大的压力跃变的冲击波。

3.2飞机故障电弧的类型和特点

到现在为止，我们可以把电弧故障分成两种基本的类型：串联和并联。（1）串联电路中的电弧故障。当串联载流加载电气设备时发生串联电弧故障，这一般都是一种无息识的破坏。电弧可能会通过断掉的线之间的空隙产生，这会导致局部的热量增加。在串联电弧中电流的数量是根据负荷而定的。如果串联电弧电流是在传统电路阻断器的载流容量的额定值之下，那这个串联电弧电流就不会造成危害，因此在这种情况下，传统的电路阻断器、热量阻断器、磁性阻断器都不会跳闸。串联电弧能导致局部过热，这有很大的危害。（2）并联电路中的电弧故障。并联电弧的发生是一种相反电极的导体之间的一种无意识的导通。并联电弧仅汉受到源头故障电流值和故障电抗值的影响。电线到地面的弧故障是另外一种并联电弧故障，它的发生，是由于无接地线的导体和周围和大地这个导体相联接的金属护栏或是其它的金属结构体发生电弧故障。

3.3故障电弧断路器设计

根据航空领域中电弧故障断路器工作的基本原理，设计简单工作流程图如图1：

四、故障电弧仿真设计

本章将从简单电路入手，对故障电弧通过MATLAB进行分析，对简单电路进行仿真，从而在仿真模型所得到的电路图中分析讨论。

4.1故障电弧模型搭建

黑盒电弧模型是用数学描述电气电弧道具的。这种形式的模型不能描述航空电气系统故障形成的复杂物理过程，但是可以对电弧电流及电压特性进行仿真分析。标准电压和电流的描绘用来求取微分等式的参数，描述了精确测量法电气电弧的非线性阻抗。

4.2电弧模型的实现

以MATLAB软件为平台，利用Sinulink/PSB（电力系统模块库）中的元件建立的通用电弧模型如图2所示。电弧模型由电压控制的电流源、微分方程编辑器、定值检测、阶跃信号、电压测量等模块组成。

4.3仿真结果

按照故障电弧模型搭建电路，以Mayr模型为例，在阻性负载下通过Simulink进行仿真图，电路图如图3：

从应用电弧模型所进行的简单仿真波形可以看到，电路电压从零点不断升高，最后保持不变，而同时电流从最高值不断下降，最后降为零，这是仿真了故障电弧断路器断开故障电路，电弧熄灭的阶段。为完成对电弧燃烧过程的特性仿真，还需要结合航空电气系统的具体参数对电弧模型进行参数调整，并改变负载情况，获得航空电气系统故障电弧的电压和电流波形。

五、结束语

本文的主要工作是围绕航空电缆故障电弧来进行的，目前飞机一般采用115/200V，400Hz的交流系统，由机供电系统布线的复杂性，发现排除电缆的故障一直是个难题。文中分析了航空故障电弧的类型及其形成机理，对故障电弧的产生、电弧的组成以及电弧的特性进行了总结。在此基础上，对航空故障电弧断路器进行了框架设计。最后利用MATLAB软件对电弧特性进行了初步仿真。完成故障电弧模型的搭建，并对开断过程中电压和电流的波形进行了初步仿真。

参考文献

[1]谈勇.飞机线路故障问题及其对策.船舶维修与工程.2006.

[2]陈德桂.低压电弧故障断路器―――一种新型低压保护电器，通用低压电器，2007.

[3]任斌斌.航空电气中电缆故障与对策.科技资讯.2009（27）