（电机与电器专业论文）航空故障电弧检测技术的研究.pdf

航空故障电弧检测技术的研究 r e s e a r c ho nf a u l t - a r c i n gd e t e c t i o ni na v i a t i o np o w e rs y s t e m a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fa v i a t i o nf a c i l i t i e s ，a v i a t i o n s e c u r i t yp r o b l e ma t t r a c tm o r e a t t e n t i o n a v i a t i o nc a b l e sc o u l db ec o v e r e dw i t han e t w o r ko ff r e ec r a c k sg r a d u a l l yb e c a u s eo f t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e , r a d i a t i o n , v i b r a t i o n , e t c t 1 1 i sp h e n o m e n o nm a y b el e a d st o g e n e r a t ee l e c t r i ca r ct r a c k i n g , a n de v e nt of l i g h ta c c i d e n t so rc r a s h t h e r e f o r e ，d i a g n o s i s t e c h n o l o g yo f a v i a t i o nf a u l ta r ci sa ni m p o r t a n ts u b j e c ti nt h ef i e l do f a v i a t i o ns a f e b a s e do nt h ee x i s t i n gf a u l ta r et e s t so fa i r c r a f t ，a v i a t i o nf a u l ta l et e s t sp l a t f o r mi ss e tu p w i t ha i r c r a f ts t a t i cp o w e rs o b r c e ，a n df a u l ta r ci st r i g g e r e dt h r o u g ha r t i f i c i a li n s u l a t i o nd a m a g e t h ep r e l i m i n a r yt e s t sa r ep e r f o r m e da tt h et y p eo fr e s i s t i v el o a d s 1 1 1 ef i l ev o l t a g ea n dc u r r e n t w a v e f o r mh a v eb e e nr e c o r d e ds y n c h r o n o u s l y ，i no r d e rt op r o v i d er e f e r e n c e sf o rf a u l t a rc s i m u l a t i o n t oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c sm e c h a n i s mo ff a u l ta r e ，t h es i m u l i n k - m o d e lf o ra r c i n gi s m a d ew i t hm a y e rm o d e l t h ei n f l u e n e eo fl o a dp a r a m e t e r st ot h ef a u l ta r ec h a r a c t e r si s s i m u l a t e d c o m p a r e dm ec u r r e n ta n dv o l t a g ec h a r a e t e r so f 廿l es i m u l a t e da r e t h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h ef a u l ta r eb e h a v i o ri nd i f f e r e n tl o a d sw e r ea n a l y z e da n dc o n c l u d e d f a u l ta r co fa i r c r a f tc o n t a i n sn u m e r o u s n o n l i n e a r , n o n - s t a t i o n a r y , a n df r a c t a l c h a r a c t e r i s t i c s i ti s v e r yd i 伍c u l tt od e t e c tb yt r a d i t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r md u et os m a l l c u r r e n t , s h o r td u r a t i o na r c i n g w i t l li t st i m e - f r e q u e n c yd o m a i nl o c a l i z e dn a t u r e a n da d j u s t i n g t h et i m ew i n d o wa n df r e q u e n c yw i n d o w ，t r a n s i e n tm u t a t i o ni n f o r m a t i o nc a nb ee f f e c t i v e l y e x t r a c t e df r o mt h es i g n a lt h r o u g hw a v e l e tt r a n s f o r m 。i nt h i sp a p e r , f a u l ta r cs i g n a li s d e c o m p o s e dt ot h r e ec o m p o n e n t sb yd b t h ec h a r a c t e ro ft h ef a u l ta r ei so b t a i n e da st h e r e f e r e n c e so f d i s t i n g u i s h i n gt h ea v i a t i o na r o - f a u l t i ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pa r cf a u l tc i r c u i ti n t e r r u p t e rt op r e v e n tt h ea i rc r a s hb yf a u l t a r c b a s e do i lt h eo b t a i n e dc h a r a c t e r so ff a u l ta r ea n dt h ec o n s t r u c t i o np r i n c i p l eo ft h e h o m e - u s ea f c i ，a v i a t i o na f c ih a sb e e nd e s i g n e di np r i n c i p l ea tt h el a s tp a r to ft h ep a p e r , w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f a v i a t i o na f c i k e yw o r d s ：a i r c r a f t ；f a u l t - a r c i n g ；s i m u l a t i o n ；w a v e l e tt r a n s f o r m ； a r cf a u l tc i r c u i ti n t e r r u p t e r ( a f c i ) 一i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：j 途垃立衅丰鱼卫薅红趔垒鞋竭皇耳龛一 作者签名： 羔塑霆 日期： 幽年上月j l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 盈! 王拯蹲壹孤丝i 丝：l 煎筮马五耷乏 作者签名：呈建圣 日期： 趟年上月! l 日 导师签名：j 丑益呲斗年上月豇日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题背景 航空电气系统的安全运行是一个亟待解决的问题之一，对保障飞机的安全飞行具有 重大意义。随着航空事业的迅速发展，航空电缆的老化问题日益突出。老龄化飞机中由 于配电线路电缆的绝缘老化而引起的故障频繁发生。这些故障中尤其以电缆中电弧故障 造成的危害最大，不同于机翼和发动机中所产生的明显的破裂，机内长达数百千米的电 缆中损坏的部位极难被检测到，断续的电弧故障比一般短路故障更有隐蔽性，但其可能 引发的火灾会造成更为严重的后果，因此航空电气系统的故障电弧己引起航空领域的高 度重视【1 捌。 随着飞机的用电设备越来越多，飞机上的配电系统也越来越复杂，因此航空电缆也 随之增多。为保持飞机的轻便，航空电缆一般要求比普通电缆细很多，绝缘层也要求更 薄。然而航空线缆长期工作在高温，严寒，辐射，振动等环境下，很容易逐渐老化产生 细小裂纹。一方面，飞机本身的结构限制造成布线的空间和线路非常有限，使大多数线 缆弯曲穿梭于各金属构架之间。线缆直径非常细且很多线缆捆绑成一束弯曲布线于飞机 机身之间，由于飞机飞行时的长时间振动，电缆与固定框架互相摩擦而损坏绝缘层，以 至于有可能造成电缆导体断裂。除此之外，航空电缆密闭于机身内且散热不充分使电缆 处于高温下工作，高空射线粒子的辐射作用和高空臭氧强氧化环境，以及飞机起降飞行 中经历的温差在电缆表面凝结的水雾，都会使航空电缆在电场作用下沿绝缘层产生细小 裂纹并发展成水树枝，而导致电缆绝缘材料分解老化甚至绝缘损坏。在航空电缆绝缘老 化损坏的部位出现击穿，产生断续的电弧，从而引发飞行故障或空难。因此航空电气系 统中故障电弧检测技术的研究对于保障航空安全具有重要的现实意义【l 捌。 自从1 8 2 2 年的傅里叶( f o u r i e r ) 发表“热传导解析理论 以来，傅里叶变换直是 信号处理领域中最完美、应用最广泛、效果最好的一种分析手段。但傅里叶变换只是一 种纯频域的分析方法，它在频域的定位性是完全准确的( 即频域分辨率最高) ，而在时域 无任何定位性( 或分辨能力) ，也即傅里叶变换所反映的是整个信号全部时间下的整体频 域特征，而不能提供任何局部时间段上的频率信息。 为了研究信号在局部时间范围的频率特征，1 9 4 6 年g a b o r 提出了著名的g a b o r 变换， 之后又进一步发展为短时傅里叶变换( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ) ，简记为s 1 陌。虽 然s t t f 已在许多领域获得了广泛的应用，但由于s t t f 的本身特点决定了其窗函数的 大小和形状与时间和频率无关而保持固定不变，这对于分析时变信号来说是不利的。高 航空故障电弧检测技术的研究 频信号一般持续时间很短，而低频信号持续时间较长，且时窗可根据频率的变化而变化， 所以s t f t 在处理高频信号时已不再实用了。 小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 是近年迅速发展起来的新兴学科，具有深刻的理论意义 和广泛的应用范围。小波分析是一种信号的时间一尺度( 时间一频率) 分析方法，它具有多 分辨分析的特点，而且在时频中都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定 不变形状可以改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低 的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，所以被誉为分 析信号的显微镜【】。 航空电气系统故障电弧属于低压故障电弧，电弧持续时间短，电流强度小。传统的 信号处理方法很难实现对航空故障电弧信号的分析和检测。小波变换具有表征信号突变 特征的能力以及对非平稳信号的良好的处理效果，可以对不同尺度下信号小波变换的结 果进行干扰分析和抑制、提取信号故障特征参数。电弧故障信号非线性以及随机性的特 征，使得应用小波变换对航空电弧的故障信号进行处理是可行的。 在现有航空电气系统中，熔断器( t c b ) 和电子断路器( e c b ) 已用于过流或短路 的情况下的系统保护。故障电弧信号电流强度通常并不大，与正常运行的负载信号区分 比较困难。传统的断路器无法实现对电弧故障的保护。为了提高飞机电气系统的安全性， 单纯的过载、短路保护远远不够，线路上还需要增加电弧保护。所以，电弧故障断路器 技术的研究开发是非常必要的。 1 2 本文的主要内容 本课题主要以航空电缆因绝缘老化而产生的航空故障电弧为研究对象，在故障电弧 试验和仿真的基础上，基于小波变换，对故障电弧信号进行分析处理。提取故障电弧的 特征参量，为航空故障电弧的检测提供参考依据，并对故障电弧断路器进行了初步设计。 论文工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 结合航空电缆工作的环境，对航空电缆故障电弧发生的原因进行总结分析， 借鉴现有航空故障电弧的试验方法，采用航空静变电源搭建航空故障电弧试验平台，通 过人为的绝缘破坏来触发故障电弧，在纯阻性负载条件下进行航空故障电弧的试验研 究。 ( 2 ) 在深入分析故障电弧燃弧机理特征的基础上，以麦也尔动态电弧模型为基础， 搭建航空故障电弧模型。采用m a t u 出软件s i m u l i n k 工具在不同负载条件下对航空故 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 障电弧进行仿真，对比仿真获得的电弧特性，分析了不同负载参数对航空故障电弧的影 响。 ( 3 ) 在电弧试验和电弧仿真的基础上，采用小波变换对航空故障电弧电压信号和 电流信号进行分析处理，提取故障电弧的特征参量，将故障电流与正常电流波形加以区 分，从而为准确判断故障电弧的发生提供参考依据。 ( 4 ) 在前面对航空故障电弧特性分析的基础上，结合家用故障电弧断路器结构原 理，提出航空故障电弧断路器设计方案，为航空故障断路器的进一步开发研究打下基础。 本文所做的工作为在航空电气绝缘故障检测和防护方面的深入研究提供了参考，并 对航空电弧故障断路器技术的进一步研发有重要的借鉴作用，对减少飞行隐患、提高航 空安全具有重要意义。 航空故障电弧检测技术的研究 2 航空电气系统故障电弧理论分析 2 1 航空电气系统简介 航空电气系统是现代航空的重要组成部分。航空电气系统由供电系统、用电设备和 输配电系统组成。电气系统的功能是向飞机的各用电系统或设备提供满足预定设计要求 的电能。如果说发动机是飞机的“心脏 ，那么电气系统就可以说是飞机的“血液”。 电气系统是现代飞机飞行安全的必要保证，在飞机的发展中占有重要的地位。 2 1 1 航空供配电系统的要求 飞机供配电系统的设计与装配要有很高的技术要求，按飞机供配电系统工作特点， 有以下技术要求订1 ： ( 1 ) 可靠性高在飞机正常与应急工作状态下，配电系统要具有把电能从电源 传输到用电设备的高可靠性，尤其要保证用于安全返航设备的连续供电； ( 2 ) 故障少当个别电源( 发电机) 发生故障或导线断开、短路时，配电系统 要能保证继续工作，并能限制故障的进一步发展，将故障产生的影响限制在最小范围之 内； ( 3 ) 质量轻对于低压直流电网，导线粗，电压低，电流大，减轻电网质量需 采取必要措施； ( 4 ) 检修方便易于安装、检查、维修和维护方便； ( 5 ) 抗干扰能力强为了减少对电子和通信设备的电磁干扰，要采取滤波和屏 蔽设施；为消除飞机上的静电干扰，飞机上各金属部分应有良好接触( 电连接使之成为 一个整体) ，并需安装静电放电器。 2 1 2 交流供电系统 航空电源系统按用途可以分为主电源、二次电源、应急电源、辅助电源及地面电源 供电插座等构成。主电源由航空发动机传动的发电机和电源调节设备等组成，主电源提 供飞机上全部用电设备的主要能源。主电源不工作时，飞机用电设备所需电能可由辅助 电源或机场电源通过机上的地面电源插座供给。飞行中一旦主电源产生故障，则由应急 电源供电。二次电源用于将主电源的电能转变为另一种或多种电能，向飞机上的一些用 电设备供电。现代航空电源制造中不断使用一些新技术、新工艺和新材料，以满足航空 电源高速化、连续化工作的要求，使其能够可靠和稳定的工作。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 交流供电系统有单相和三相两种电网。三相电网是目前飞机上应用最多的一种电 网，有三种接线形式，即以飞机壳体为中线的三相四线制电网( 图2 1 ) ；中线不接地 的三相电网( 图2 2 ) 以及飞机壳体作为第三相导线的双线电网( 图2 3 ) 。图中表示单 相用电设备和三相用电设备的连接方法。现代飞机多为金属机壳，广泛采用以飞机壳体 为中线的三相四线制，其特点是可获得相电压1 1 5 v 和线电压2 0 0 v 两种电压。在大量 采用复合材料作为飞机机壳后，飞机壳体将不能替代导线来起到输送电能的作用【_ 7 1 。 图2 1 三相四线制电网 f i g 2 13 - p h a s e4 - w i r e sp o w e rs y s t e m j j 厂 i 吐 t ， ， ff ri r r力r 图2 2 中性线不接地三相电网 f i g 2 23 - p h a s e4 - w i r e sp o w e rs y s t e mw i t h o u tn e u t r a l - l i n eg r o u n d e d 图2 3 飞机壳体作为第三相导线的双线电网 f i g 2 3 2 - w i r e sp o w e rs u p p l ys y s t e mw i t l la i r f r a m e 弱t h et h i r dp h a s ew i r e 一0 一 航空故障电弧检测技术的研究 2 2 电弧理论 为了研究分析航空故障电弧的特性，在本节里首先对电弧的基本理论加以介绍。电 弧是指两电极之间跨越绝缘介质的持续放电现象，经常伴随着电极材料的局部挥发，是 非常复杂的电磁反应过程。典型的电弧是在阴、阳两极之间的空气间隔中形成的。电弧 中心温度非常高，一般在5 0 0 0 到1 5 0 0 0 。电弧存在的区域会产生很高的电离气压， 导致电弧被局限的任何地方都会释放出高热气体和电极物质呻1 。为了了解电弧产生的过 程，首先介绍气体放电，电弧组成等基本理论。 2 2 1 气体放电理论 在正常状态下，气体具有良好的电气绝缘性能。弧隙中气体由绝缘状态变成导电状 态、使电流得以通过的现象，称为气体放电 9 1 。放电现象与气体的种类、压力、电极的 材料和几何形状、两极间的距离以及加在间隙两端的电压等因素有关。电弧是气体放电 的形式之一，为了更好地了解电弧性质特征，首先了解气体放电的过程。 气体放电电路及特性如图2 4 所示。在两平板电极间施加电压，当增大电压至一定 值时，在电极间隙内就会发生气体放电现象。图2 4 ( a ) 表示的是由直流电源、电阻和 平板电极组成的气体间隙所组成的直流电路，电源电压为玑、电阻为r 。图2 4 ( b ) 表 示的是气体放电间隙的电流与其两端电压的关系。 整个气体放电过程按照放电性质的不同可分为两个阶段：非自持放电阶段( o c ) 和自持放电阶段( c f ) ，下面进行详细说明。 在间隙两端由o 逐渐升高的开始阶段( o 口) ，由于宇宙射线等外界电离因素的作 用，间隙中存在少量的带电粒子，随着电压的升高电流有所增加；此时加在电极上的电 压在间隙中产生的电场强度较小，不足以产生电场发射和电场电离，外界游离因素产生 的带电粒子不能全部到达电极，因此只有很微小的电流流过间隙。 到达a 点以后，电压再继续增大，电流基本保持不变，直到b 点。在这个阶段中外 界电离因素的作用所产生的粒子数是一定的，电流就是一个恒定值。此时虽有电流，其 数值却很微小，因此工程上常把它略去，认为在这个阶段中气体仍然是绝缘介质，其间 隙是不导电的。 到达b 点以后，电压继续升高，电流又开始有较快的增加，这是电极间的电场强度 足够强，其中的电子在电场的加速作用下，足以产生电场游离，气体间隙中的碰撞电离 和阴极表面的电子发射使自由电子增加的结果。从图2 4 ( b ) 可以看出，直到到达c 点，电流都有增加的趋势。如果在此过程中移去外界电离因素，由于间隙中不存在自由 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 电子，即使有电场的作用，放电过程也随即停止。这种在外界电离因素作用下的放电现 象称为非自持放电。d c 的这个阶段称为非自持放电阶段。 在c 点以后，气体放电进入一个新的阶段，这时电压迅速增大到较大的数值，气体 开始发光并发出声响。此时，由于高电场发射和二次发射产生的电子数足够多，即使停 止外界电离因素的作用，间隙在电场的作用下，放电仍然继续进行，间隙放电进入自持 放电阶段的阶段。在c 点附近的砌区为汤逊放电区，在比区，气体呈现辉光，称为辉 光放电区。此时间隙中气体的电离方式仍然主要是电场电离，电流密度小，阴极压降较 高，放电通道的温度为常温。当电流增大到矿区域时，放电形式转为电弧放电，即间隙 中产生电弧。电弧放电是气体自持放电的一种形式，可以认为是放电的最终形式。电弧 放电的特点为发出强光，放电通道有明显的边界，通道中温度极高( 6 0 0 0 k 以上) ，电 流密度很大，阴极压降很小，仅有几十伏，放电形式以热电离为主。因此电弧是一种亮 度很大，能量集中、温度很高的气体自持性放电现象。电弧是生成于气体中的炽热电流、 是高温离子化放电通道，是一束导电性能极好的电离的气体【9 , 1 0 。 ( a ) 气体放电电路( b ) 气体间隙中电压和电流之间关系 图2 4 气体放电实验电路 f i g 2 4 g a sd i s c h a r g ee x p e r i m e n tc i r c u i t 2 2 2 电弧的组成 电弧在阴极和阳极之间稳定燃烧时，电弧压降沿电弧长度并非均匀分布，电弧压降 可分成三个区域：阴极压降区域、弧柱区域、阳极压降区域。电弧的两个电极：阴极和 航空故障电弧检测技术的研究 阳极，也可认为是电弧的组成部分。电弧形成后，在阴极附近聚集着大量的正离子，形 成正空间电荷( 正离子层) ，使阴极附近的电位有一个较大的跃变，称为阴极电位降； 这对加速正离子向阴极运动、碰撞阴极表面产生二次发射和形成高电场发射起着重要作 用。在阳极附近则聚集着大量的电子，由于有未被补偿的负空间电荷( 电子) 存在，也 有一个电位跃变，形成阳极电位降。阴极和阳极压降区域都处于靠近电极的很小范围内， 因而其电位梯度可达到较大的数值。电弧的中间部分是弧柱，在自由状态下近似呈圆柱 形，此区域内的电离气体中，正负带电粒子数目相等，也称为等离子体。由于不存在空 间电荷，弧柱区电阻近似于金属电阻，它的电位沿轴线均匀分布，电位梯度几乎不变。 可以用金属电阻来表示其特性。当电弧稳定燃烧时，随着电流的变化，阴极和阳极压降 的数值变化不大，近似为常数。电弧的阴极区域对电弧的发生和物理过程具有重要的意 义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极本身发射的。电弧放电时，实 际上并不是整个阴极全部参加放电过程，阴极表面的放电只集中在一个很小的区域上。 这个区域称为阴极斑点，它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大， 是电弧放电中强大电子流的来源。阳极表面也存在阳极斑点，它接收从弧柱中过来的电 子。弧柱的特性和物理过程对电弧起着重要的作用。 按照近极压降和弧柱压降在电弧电压中所占比例的不同，可以将电弧分为短弧和长 弧。短弧是指由于电极间距离很小以致弧柱压降可以忽略不计的电弧，长弧是指电极间 距离比较长，弧柱压降远远大于近极压降的电弧i l l , 1 2 。 2 2 3 交流电弧特性 航空电气系统以交流电为主，本文所研究的航空故障电弧也是以交流电弧为研究对 象，因此下面重点介绍交流电弧的主要特性。 ( 1 ) 交流电弧物理特性【”】 交流电弧的伏安特性是交流电弧的重要特性。交流电弧的电流变化速度不可能建立 稳定平衡状态，其伏安特性为动态特性。图2 5 为典型的电弧电压和电流对时间变化的 曲线。交流电弧电压有非常特殊的形式，在半周期起始时，它迅速上升到最大值u ， 即电弧的点燃电压，然后迅速下降到配值。在半个周期结束时，电压又上升到熄弧电压 玑，然后很快下降到零。交流电弧的电流有偏离正弦波形的畸变形状。在电流过零点以 前，它比正弦波下降得快，而在过零点附近变化缓慢。因此，电流波形中出现电流“零 休 时间间隔，即在这期间内电流非常接近于零。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 5 交流电弧电压电流示意图 f i g 2 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fa ca 1 - cv o l t a g ea n dc u r r e n t ( 2 ) 交流电弧的零休现象【1 4 】 在电流自然过零点前后一段时间内，弧隙电阻变的相当大，以致成为限制电流值的 主要因素。在电流前半周期结束和下半周期开始时，电弧中电流一般并不按照正弦波变 化，而是按照另外一个规律变化，即电流等于电弧电压与电弧电阻的比值。在电流自然 过零点前的一段时间内，电流被电弧电阻限制得很小，实际上等于零。同样，在下一个 半周期开始时也是如此。虽然电弧电流在事实上仅在某一瞬间过零点，但在电流自然过 零点前后一段时间内，电流近似等于零，这一段时间就称为电流的零休时间。电流零休 时间与许多因素有关，一方面与弧隙内部过程有关；另一方面与电路条件即电压、电流 及电路参数( 电阻、电感、电容) 有关。通常电流零休时间在几到几十微秒之间。由于 弧后电流时间非常短，所以对测量系统的测量精度要求比较高。电流过零前零休时间的 长短，对电弧熄灭过程有很大的影响。因为在这期间零休时间的增长，意味着在电流过 零前较长一段时间内，电弧弧柱的输入功率近似为零。这样，在电流过零时和过零后， 弧柱温度更低、直径更细，甚至弧柱消失、触头间隙气体变成绝缘状态，所以交流电弧 零休现象对于航空故障电弧的检测分析有重要的意义。 ( 3 ) 熄灭过程 电弧的熄灭过程是弧隙从导体逐渐恢复成绝缘介质的过程，交流电流电弧熄灭过程 有三种【1 5 】： 强迫熄弧：电弧电压很高，但电源电压不能维持，从而电弧电流被减到零而熄 灭； 截流熄弧：电弧因自身不稳定而熄灭； 过零熄弧：电弧在电流零点时熄灭。 一9 一 航空故障电弧检测技术的研究 2 3 航空故障电弧分析 航空电气系统故障可能产生故障电弧。一系列的报告表明许多空难事故和飞行器故 障都是由电气系统的供电线路表面产生的持续电弧所引起的。航空电缆在高温、大温差、 凝结水雾、高空臭氧和高空射线辐射等条件下过早破坏和老化，因而容易出现击穿并产 生电弧。当故障持续积累达到一定程度时，将会导致飞机设备出现故障，从而引发飞行 事故或空难。 2 3 1 故障电弧的产生 故障电弧是可以用数学统计法描述的一种随机物理现象，这种现象也可称之为气体 电离。这种气体电离首先是空气电离，然后通过不同电位、电极间( 相与相，相与地之 间) 的高温导电等离子气体保持着。如果将故障电弧看作是电网网络中一种元件的话， 则它是一种随时间变化的非线性欧姆组件【l6 1 。故障电弧的产生原因有很多，最主要的有 以下两种【l 7 】 ( 1 )绝缘碳化 如果存在碳化传导路径，也可能引起持续电弧。事实证明形成碳化路径的方法有很 多种，飞机上采用聚酞亚胺绝缘外皮的线路由于绝缘表面潮湿和污染物的综合作用导致 绝缘表面有漏电流流通，而形成碳化路径并引起故障电弧。美国故障电弧断路器安全标 准u l l 6 9 9 介绍了一种碳化路径的试验方法是将两个电极放在电缆绝缘层上，对电极通 以高电压，就可以直接在电缆表面形成电弧。典型的碳化路径故障电弧过程是重复性、 不规律的，但是通常按以下步骤产生： 初始电流形成一个碳化层； 持续电流增加，直至电弧开始燃烧； 电弧燃烧使金属熔化并释放出熔化物； 一旦金属熔化物释放出，电流会下降； 以碳化物质为介质持续流过电流，直到电流幅值再一次大幅度增加。 ( 2 ) 短路 由于航空电缆长期在潮湿、高压等恶劣环境下，电缆绝缘层容易被磨损，老化从而 导体容易暴露，导体暂时性接触引发，触点周围的物质逐渐融化，磁场力趋向拉开接触 的导线，液体桥也断开。导线分开时，会伴随有弧光。发生电弧性短路后，较大直径的 导体表面会有凹槽出现，较小直径的导线可能完全切断。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 航空故障电弧类型 由于航空电气系统的特殊环境使得航空电缆容易损坏、老化且难以观察，以至于产 生电弧。按电弧产生的方式，航空电气系统中的故障电弧主要分为三类】：串联故障电 弧、并联故障电弧、接地故障电弧。 ( 1 )串联故障电弧 串联故障电弧如图2 6 所示，是由电极之间的松弛连接或接触不良造成。串联电弧 一般发生在连接插件或串联负载连接处，腐蚀氧化、连接损坏、电缆绝缘劣化、内部金 属导体断裂等都可能引起串联故障电弧。在接触损坏处的两端，电压开始时有几百毫伏， 随着导体逐渐缓慢的氧化和腐蚀、加热金属导体，当电压逐渐发展到几伏时会产生电弧， 引起导体外层绝缘材料冒烟燃烧。由于串联回路的阻抗负载限制，电弧电流一般低于正 常负载电流。串联电弧能量远低于并联电弧能量，比并联电弧更难于检测。相对于普通 负载电流信号，串联电弧信号更没有规律，因此检测比较困难；串联故障电弧使得负载 电压下降，可以看作另一个负载。在飞机上串联电弧一半都是由振动引起接触不良或接 触断开形成的间歇性故障电弧，导致导线过热，接触端发烫或引发火灾，是主要的潜在 火灾危险。 图2 6 串联故障电弧 f i g 2 6 s e r i e sf a u l ta r c ( 2 )并联故障电弧 并联故障电弧如图2 7 所示，发生在相线与中性线或相线与相线之间，由于导体绝 缘破坏等原因引起，是两导线之间短路或导线与结构之间的短路，是一种短路电弧。在 航空电气系统中，并联电弧主要由电缆绝缘损坏和电缆捆扎造成绝缘破坏露出导体产 生，主要发生在两条导线之间或单线和机身之间。但是由于故障电弧电压的限制，电弧 电流很小不能使传统的故障电流保护器动作，也不能使常规的热保护器动作，因此并联 电弧一般比串联电弧更危险。并联电弧释放出的能量可能引起绝缘破裂碳化，形成导电 通道，使金属导体过热引发火灾。 航空故障电弧检测技术的研究 图2 7 并联故障电弧 f i g 2 7 p a r a l l e lf a u l ta r c ( 3 ) 接地故障电弧 接地故障电弧是指相线与地、接地的金属管道或设备外壳间产生的电弧短路故障， 如图2 8 所示。接地故障电弧只有当存在接地回路的时候才会发生，在双回路或者不存 在接地回路的场合不会发生，在存在接地回路和接地外壳的时候接地故障电弧经常会发 生。在以飞机壳体作为接地的飞机中，接地故障电弧常发生在相线与机壳之间。 图2 8 接地故障电弧 f i g 2 8g r o u n d i n gf a u l ta r c 2 3 3 航空故障电弧基本特征 航空故障电弧作为电弧的一种，也具有图2 9 中交流电弧的普遍特征【1 8 】，航空故障 电弧是一个高度非线性的时变过程，电弧电流基本是正弦波型，电弧电压的的波形较为 复杂，电弧电压波形为斜顶的梯形。电弧电流零区电弧电压变化率很大，电压项部随时 间增长逐步倾斜【1 9 】。 ( 1 ) 电弧的电流和电压伴有高频噪声。 ( 2 ) 故障电弧上有电压降。由于电弧上的电压降，同一电路中击穿电流低于火花 电流。 ( 3 ) 电弧电流上升率通常大于正常电流。在每半个周期中，电流过零前电弧熄灭， 电流过零后再次点燃，建立了基本平衡，零电流段每个半周期一次，我们称这些区域为 零休区间。 大连理工大学硕士学位论文 璺 石 t i m el s e c o n d s ) 图2 9 电弧波形 f i g 2 9 w a v c f o r m so fa m o 臣 e 由于航空电气系统的特殊性，航空电缆故障电弧也具有不同于普通低压电弧的独特 特征，主要表现在以下几方面【2 0 】： ( 1 ) 由于航空电缆绝缘性能影响，航空故障电弧持续时间短，电弧通常是零星出 现的，很难捕捉； ( 2 ) 故障电弧电流强度通常比短路电流小，容易在过零点熄灭，短时间的电弧电 流穿插于各部分正常电流之间； ( 3 ) 由于航空电气的复杂环境以及电弧的复杂成因，故障电弧波形复杂，电弧电 流和电压畸变更为严重； ( 4 )电弧频率为航空电源频率4 0 0 h z ，不同于电力系统中的工频5 0 h z 。 2 4 本章小结 航空电气系统故障电弧属于低压故障电弧，电流强度小，电弧持续时间短，航空故 障电弧有电弧的普遍特征，也具有自身的特殊性。本章通过简要介绍航空电气系统的基 本参数，了解航空故障电弧产生的复杂环境，通过对电弧基本特性的分析介绍，分析交 流电弧的燃炽和熄灭过程，总结了航空故障电弧的基本特征，为后面的故障电弧试验和 仿真研究奠定了理论基础。 航空故障电弧检测技术的研究 3 航空故障电弧试验和仿真研究 3 1 故障电弧试验 由于机械性，化学性或热压力，航空电缆老化或损坏，以至于可能产生故障电弧。 很多飞机事故都是由故障电弧所引起的。为了研究航空故障电弧的特性，很多研究机构 都对航空故障电弧开展了模拟试验研究。本文在借鉴目前航空故障电弧常用试验方法的 基础上【2 1 1 ，采用航空静变电源搭建航空故障电弧试验平台，通过人为的绝缘破坏来触发 故障电弧，实现对航空故障电弧的初步试验。 3 1 1 故障电弧试验原理 航空故障电弧的试验系统如图3 1 所示，试验系统由航空静变电源，可调电阻，电 弧发生器以及故障电弧特性采集系统组成。试验电源由线电压为2 0 8 v ，频率为4 0 0 h z 的航空静变电源提供，调节电阻获得所需的试验电流。试验过程中对故障电弧的电压和 电流波形进行了同步采集，获得的结果为航空故障电弧仿真提供了参考依据。 鐾 c 电 源 图3 i电弧实验电路图 f i g 3 1 t h ee x p e r i m e n tc i r c u i to ff a u l ta 在故障断路器u l l 6 9 9 标准中介绍的故障电弧发生器由固定电极和移动电极组成， 将两个电极连接的电缆分别接入电源侧和负荷侧，使用横向调节器使移动电机缓慢与固 定电极分离从而产生电弧的电弧发生器；这种发生器制造工艺复杂，设备要求高；本试 验中采用两根长1 0 0 r a m 的电缆试样捆绑在一起，对试样中间部位的电缆绝缘层进行人 大连理工大学硕士学位论文 工破坏约1 0 m m ，漏出的导体部分作为航空故障电弧的电极，两电极间距控制在5 m m 内，把电缆固定于端子排上而形成的简易电弧发生器，如图3 2 所示。 ! 一 十一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一彳 i 至 不。 一 ； i 1 i 业 l i i i i i 一苫7 专1 0 0 m m 一 图3 2 电弧发生器 f i g 3 2 a r eg e n e r a t o r 本实验所选航空线缆型号为无屏蔽，无护套的单层绝缘多股镀银铜芯电线q l a l 0 1 2 2 0 g 。此导线绝缘材质为e t f e ，是电气绝缘性能和机械性能兼顾的一种绝缘材料，在 - 2 0 0 0 c + 1 8 0 0 c 具有良好拉伸性和绝缘强度，高温耐蠕变能力和低温耐冲击能力强， 耐切割能力优于p t f e 。而其绝缘性能仅次于p t f e ，介质损耗角正切值随频率的关系与 p t f e 相似；绝缘电阻很高，随温度变化很小。耐化学稳定性优异，耐热性能良好，最 高使用温度2 6 0 0 c ，最低使用温度一1 9 0 0 c ，在1 8 0 0 c 温度下可以长期使用。经过辐照交 联工艺后抗开裂能力提高，广泛用于高温高频以及航空航天导线绝缘领域【2 2 】。 为了产生故障电弧，必须实现对电弧的可靠触发，即当电路通电后，电弧发生器必 须可靠引燃电弧。常用的电弧触发的方式有：间隙绝缘击穿的“击穿引弧 ，闭合触头 分离的“拉弧 ，触发电路“引弧 等多种【2 3 】。触头分离“拉弧是通过闭合触头的触 头分离“拉弧 方式而产生电弧。间隙绝缘击穿“击穿引弧 是通过在辅助电极施加脉 冲电压和电流，向主间隙内提供定量的电子、离子及中性粒子，最终使主间隙导通而 燃弧的触发电路“引弧”方式【2 4 】。本试验中采用短路起弧方式，用金属丝把人工损坏设 置而成的电缆导线电极短接，电路通电后，金属丝迅速熔化从而引燃电弧。这种方式比 较简单，触发也比较可靠。 3 1 2 故障电弧试验结果 试验中分别对正常电路阻性负载条件下和模拟电弧产生条件下捕捉其典型波形并 测量其电压电流波形，两者对比，进而更好地分析电弧特性。首先在阻性负载的条件下 对正常电路进行测量，图3 3 为纯阻性负载r = 1 0 q 时的测得电压以及电流波形。 航空故障电弧检测技术的研究 设置示波器测量电压的探头衰减1 0 倍，示波器内部相应的通道开关设置为1 0 x ， 调节示波器使之每格位5 0 v ；交流电流探头选择的标准为i o o m v a ，调节示波器使之每 格位1v 来对电流测量； 1 b k 几 叠t f i 州m p 峨 s v e 雕r 动作 匾团圆 格式 衄 关于 存图像 选择 文件夹 储存 t e 帅0 0 z b h 中 图3 3 正常电路电压电流波形 f i g 3 3 t h ev o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m so fn o r m a lc i r c u i t 接下来进行故障电弧的模拟试验，保持负载电阻不变，给试验电路通电触发电弧， 实时采集故障电弧的电压和电流特性，试验所得典型电弧的电压电流波形如图3 4 _ 图 3 9 所示。 ( 1 ) 非零点燃弧的电弧电压电流波形： s v e 陇c 动作 圈 格式 圆 关于 存图像 选择 文件夹 储存 t e k 0 0 2 4 j p 0 瑚r o v 图3 4 非零点燃弧的电压电流波形 f i g 3 4 t h ea r cv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m si g n i t i n gi nn o n - z e r o 大连理工大学硕士学位论文 s v e 罐c 动作 嘲 格式 衄 关于 存图像 选择 文件夹 储存 t e k 0 0 2 s i p q 2 丽而广 图3 5 非零点燃弧的电压波形 f i g 3 5 t h ea r cv o l t a g ew a v e f o r mi g n i t i n gi nn o n - z e r 0 f 。：。：。一：。二。： ： ：尸饥i ； ； ：；- ； i _ s a v e 一陋c 动作 圃 格式 衄雪 关于 存图像 选择 文件夹 储存 r e k 0 0 2 堋 2 0 0 m y 图3 6 非零点燃弧的电流波形 f i g 3 6t h ea r cc u r r e n tw a v e f o l i ni g n i t i n gi nn o n z e r o 从上图看出：故障电弧燃弧时间短；电弧电压波形近似为梯形；在电流过零点时电 压出现小尖峰；电弧电流波形在燃弧过程发生畸变，并在过零点后电弧熄灭。 ( 2 ) 电弧电流过零点时燃弧的电压电流波形： 薯i j l 薯薯i j l l l 麓 吲| 黟f i s 、，er e c 动作 冒团圆 格式 盈固 关于 存图像 选择 文件夹 储存 t e k 2 j p 0 2 6 丽汀一 2 7 一 肼1 s ：3 ， l o h k 图3 7 过零点燃弧实验波形 f i g 3 7e x p e r i m e n t a lw a v e f o r mi g n i t i n gi nz e r o - c r o s s i n g 航空故障电弧检测技术的研究 f 。： i 一乱p 一 l i f = j：j f 。 f | ； ；： s v er 日c 动作 匾豳 格式 圆 关于 存图像 选择 文件夹 储存 t e k 0 0 2 7 j n 2 加m v 当前目录是 ： 图3 8 过零点燃弧电压实验波形 f i g 3 8e x p e r i m e n t a