民用飞机直流开关电弧效应仿真分析

孙鉴非+刘麦玲+胡林权+刘湛+柴焱

【摘 要】本文首先介绍了民用飞机控制板开关运行过程中电弧效应对系统可能造成的不良影响，以及电弧效应的国内外研究现状，然后基于MATLAB/SIMULINK仿真环境，建立了基于MAYR方程的仿真模型，对开关电弧效应进行仿真验证，并给出初步分析结果，最后验证分析结果的有效性。

【关键词】开关电弧；MAYR；仿真分析

0 引言

电弧效应是所有电气系统设计时必须面对和解决的问题[1]。根据不同电气系统的运行特点，电弧大致可以分为交流电弧与直流电弧两类。其中，直流电弧因并没有交流电弧有自然电流过零的特性，其电弧效应产生的危害和隐患甚至会更大。尤其在民用飞机领域，存在大量的直流开关设计环节，因此直流开关回路的设计质量，极大的影响着整个飞机电气系统的可靠性和稳定性。因此，直流电弧开关电弧效应，长久以来都是民用飞机电气设计人员研究的痛点和焦点所在。

所以为了规避直流开关电弧效应，对民用飞机电气系统造成不利影响，在民用飞机直流开关回路设计过程中，有必要对直流开关电弧效应进行软件建模，分析其造成的影响程度大小，并结合系统设计特性，给出相应的改进方案。

1 直流开关电弧效应国内外研究现状

在电弧物理数学模型研究领域，国外研究人员早在1939年，就提出了最初的凯西（Cassie）模型。Cassie模型数学机理是将电弧燃烧熄灭的物理过程，等效为一个动态的随输入电压、输入电流波动的动态电阻，将其代入所涉及回路中进行数学运算，最终得到电弧在回路中的运行特性。该模型对电弧的诸多物理参数进行了假设，可以对交流电弧进行一定程度定性、定量的分析。但是其不能体现直流电压与直流点就对电弧动态特性的影响，因此对直流电弧的适应性相对较差。

在Cassie模型的基础上，针对开关直流电弧的特殊性，国外研究人员进一步提出了梅尔（MAYR）电弧模型。MAYR电弧模型，假设电弧在确定的圆柱形气流通道内放电，假定圆柱体在电弧放电时间段内体积恒定，直径不变。以开关断开瞬间，回路的剩余能量为初始条件，能量的传到是利用空气电离的特性常数，对开关电弧从产生、持续最后熄灭的过程进行数学解析，最终拟合得到开关电弧持续过程中的电压电流曲线。MAYR模型目前已经在直流开关电弧效应的研究中得到了广泛的应用，是目前比较成熟的电弧模型。

随着20世纪90年代以来计算机仿真技术的飞速发展，研究人员开始考虑将电弧的物理数学模型与计算机仿真软件有机结合。利用计算机的强大计算能力，辅助进行电弧这一非线性电气现象的研究。其中，MATLAB/SIMULINK软件作为一款相对成熟的电气仿真软件，以其强大的模块化电气接口、优异的数学运算速度，一直以来受到了相关设计人员的广泛青睐。因此，本文以MATLAB/SIMLINK为仿真环境，利用MAYR电弧数学模型，对民用飞机28V直流开关回路电弧效应进行建模，并给出初步仿真分析结果。

2 基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真分析

本文所构架的基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真模型如图1所示。在主回路中，供电电源采用飞机28V直流电源，在电源输入端串入电感，模拟飞机线路中寄生电感以及阻抗参数。主回路负载是单个直流步进电机阀门，因该模型是研究直流开关电弧效应，所以无需对负载侧的控制策略做完整的模拟，仅需将电机以及控制部分模型简化为如图1所示的等效电感、电阻和电容模块。开关电弧模型在图面显示上示意为一个开关式样，内部封装了基于MAYR模型的电弧数学模型，主旨建模思路是将开关关断瞬间，负载侧电感电容储存的瞬态能量值作为MAYR模型的输入，根据所假设直流电弧的物理参数，对电弧运行时电压电流特性进行测算。

本文基于该仿真模型，对28V步进电机阀门负载关断时开关电弧效应进行了仿真，仿真结果如图2所示。初始电源电压都加载在负载侧，开关本身视作无电阻导线，不承受电压。在0.02S时，开关开始由开通转为关断状态，由于步进电机绕组的电感电流无法突变，电感上存储了一定量的电感能，因此在关断瞬间产生了约80V的反电势，反电势与电源电压一起由开关关断所产生的电弧承受。此时，开关在硬件接触上，已经从回路断开，但是由于电感能量泄放需要，开关触点之间拉出电弧，电弧电流在极短时间内，随着反电势电压的下降而减小，最终电感电流通过电弧释放完毕。

3 结语

本文基于MAYR电弧数学模型，以及MATLAB电气仿真环境，搭建了基于民用飞机直流开关关断时产生的电弧回路仿真模型，并进行了初步仿真。通过仿真结果可以看出，在负载侧存在感性元件的情况下，开关关断瞬间，会产生四五倍电源电压的反电势电压，随着电感能量的释放，开关电弧所承受的电压和电流，经过极短时间下降到稳定值。在此期间，电弧放电能量，随着航线运营时间的增长，开关作动次数的增加，必然会对直流开关造成不可逆的影响。因此，有必要设计缓冲回路，对开关电弧能量释放过程进行优化，从而延长民用飞机直流开关使用寿命。

【参考文献】

[1]齐郑，杨以涵.中性点非有效接地系统单相接地选线技术分析[J].电力系统自动化，2004，28（14）：125.

[2]李烨，杨炳元，李博.基于电弧模型的小电流接地系统故障选线分析[J].内蒙古电力技术，2010，28（3）：17-20.

[责任编辑：杨玉洁]