航空电气系统中故障电弧研究

摘 要

介绍故障电弧定义，分析航空故障电弧产生原因、途径及特性，提出电弧模型建立方法及电弧特性仿真，从中发现航空故障电弧所具有的特殊性，以此促进故障电弧问题的解决，早日实现在飞机上安装故障电弧保护器，确保飞机飞行安全可靠。

【关键词】航空故障电弧 电弧特性 电弧数学模型 仿真

随着飞机多电和全电供电技术的迅猛发展，导线和电缆使用量增多。飞机上导线或电缆在过载和短路，环境温度的影响，飞机液压油或润滑油对导线腐蚀损伤，老龄飞机上的导线老化等等，都可能导致导线或电缆产生故障电弧。产生故障电弧时，导致飞机部件失灵，或引发火灾，甚至导致空难事故。由于电弧电流太小，不能使飞机上热保护断路器和固态功率控制器动作。为此，在飞机线路原保护设备基础上还需增加故障电弧保护器。国内外对故障电弧的研究主要侧重于高压输电线路的故障电弧识别，其电弧特征和检测方法并不适用于航空低压环境交流115V/200V、400HZ或者直流28V线路环境下的故障电弧保护，使用检测设备笨重，不符合航空领域的要求，因此，开展航空故障电弧的研究是必要的，具有重要的意义。

1 航空电气系统故障电弧产生原因及途径

1.1 故障电弧的定义

电弧是两个电极之间跨越某种绝缘介质的持续放电现象。典型的电弧是在阴、阳两极之间的空气间隔中形成的。线路因绝缘老化或者短路等原因而引起的电弧称为“故障电弧”，也称“坏弧”，这类电弧会产生火灾引发严重事故。另一类电弧如电机旋转、插拔带电插头、

转换电路开关或者接触器内部触头断开电路，也会产生电弧，这些电弧是瞬时性的，也并不影响线路和设备的正常工作，称为“好弧”，电路保护断路器不应动作。

1.2 航空故障电弧产生的原因及途径

航空故障电弧的产生原因和途径主要有下面三种：

1.2.1 绝缘碳化

在交流120V线路中，如果存在碳化传导路径，也可能引起持续电弧。也称为“焦介电弧”。特别是飞机上采用芳香族聚酞亚胺绝缘外皮的线路，潮湿和污染物的综合作用导致绝缘表面有漏电流流通，逐渐形成碳化路径。而碳化通道的产生需要几个月甚至几年。

1.2.2 外界引起的空气电离

如果飞机上的配电母线发生严重的电弧故障，会喷出大量的电离气体，这些电离气体飞到另外的线路，会引起该处空气电离导致该线路拉弧。若有燃烧事故，会使空气的介电强度降低，使绝缘碳化，或空气电离，此时也会产生电弧危险。

1.2.3 短路

短路一种是金属性短路，短路点是具有足够厚度的金属；另一种是电弧性短路，最初的金属短路点没有持续存在，电流流经电弧。

2 航空电气系统故障电弧的分类

根据航空电气系统所特有的环境和现代飞机供电系统的布线模式，即是现代飞机所采用的是交流和直流混合供电及分布布线模式，交流电是采用三相四线制，把飞机机体作为中线，直流电源把飞机机体作为负极线，由此，针对航空故障电弧产生的原因和方式，可以将航空故障电弧分为串联故障电弧、并联故障电弧两种。

2.1 串联故障电弧

串联故障电弧主要是因正负电极之间的接头松弛或接头接触不良导致。串联电弧一般都在插件或其他设备等之间的相互连接处发生。当设备之间连接部位出现损坏时，被损坏部位的两端会出现电压和电流，初始时刻电压或电流都十分的微弱，但随着绝缘层的破坏或导体的逐渐氧化和腐蚀，电压或电流也会逐步增大，最终引发故障电弧。

串联电弧电流值远远小于传统断路保护器的额定电流值，其电弧能量远远小于并联电弧，这对故障电弧的检测带来极大的困难。但在长时间放电后，同样会烧毁线路接头并引发火灾。

2.2 并联故障电弧

并联故障电弧是由于线路的绝缘层破坏，形成的短路电弧。如三相交流电的相线与相线或相线与飞机机体短路接触。通常情况下并联电弧电流幅值大于断路器额定值，能够被正常断开，但有时达不到过流保护器的额定值不能断开，其产生的能量远大于串联电弧，且易接触到易燃材料，故其危害性更大。

3 航空电气系统故障电弧的特性分析

航空故障电弧较于普通低压电弧具有显著的特征，主要表现在以下4个方面：

（1）由于航空导线、电缆绝缘性能好，使电弧持续时间短，呈零星或间歇的形式出现，没有规律性，难捕捉；

（2）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，回路中的电流会明显减小。

（3）故障电弧电气环境更复杂，波形更复杂，其电流和电压畸变更严重；

（4）电弧频率为400Hz，不同于地面工频50Hz。

4 航空电气系统故障电弧的仿真研究

4.1 故障电弧的数学模型

必须建立电弧的动态数学模型，目前研究故障电弧的动态模型主要有两类。

第一种是“物理—数学模型”，即是详细研究电弧的物理过程，根据能量守恒之律和弧柱等离子体特性写出方程式组，并经一系列运算建立电弧数学模型。

第二种电弧模型是“黑盒模型（black-box-model）”，即将电弧作为一个两端元件，用某个数学方式来决定传递函数。只对故障电弧引发电压或电流变化进行研究，而对内部因素不做研究。

Cassie与Mayr是“黑盒模型”的典型代表。这两种模型既简单由实用，常被引入交流电路中进行建模和仿真，但在要求较高的仿真要求中有不足之处。随着电弧模型研究的深入，适于低压故障电弧模型还有MatteWS模型、Stokes和Fisher模型。其中Stokes和Fisher模型比Mattews模型对实际情况分析和解决，更有说服力，更符合故障电弧的特性。在此选择Stokes为电弧数学模型进行仿真。

4.2 电弧仿真模型的建立

假设交流电单相与机体短接，电路中有感性负载，那么故障发生点的等效电感电压Ux可以近似认为：

（1）

根据Stokes提出的一个经验公式：

（2）

在上述条件下，电弧电流满足下式：

（3）

上述式中：R-故障发生点的等效电阻；L-故障发生点的等效电感；g-电弧放电间隙；t-燃弧时间；iarc-故障电弧电流；Uarc-故障电弧电压；Ux-故障发生点的等效电感电压；Umax-交流电源幅值电压；ω-交流电的角频率。（3）式是Stokes故障电弧数学模型。由stokes公式可以看出，电弧电流取决于故障点的等效阻抗，与放电间隙密切相关。

4.3 航空故障电弧仿真模型的实现

下面以MATLAB软件为平台，选择Stokes电弧模型，建立故障电弧仿真模型。该模型主要有求和板块、正弦板块、物理分析板块和微分板块等。利用Stokes模型结合电弧接机体故障绘制故障电弧仿真模型，如图1所示。

在图1故障电弧仿真模型中，有颜色的板块是电气系统主要参数板块，如故障电路正弦电压源板块“Source-sin”、等效电阻板块“R”和等效电抗板块“X”等。航空电气系统中所采用的电源主要是115伏的三相交流电源，所以电源的正弦交流信号板块Soope，频率为400赫兹，增益板块Umax则设置为115，并将板块颜色标为红色；电弧的放电间隙板块ARC-L，板块标为蓝色。

4.4 航空故障电弧负载特性仿真

这里重点研究阻性负载、感性负载条件下的仿真。

4.4.1 等效电路为感性

R<

4.4.2 等效电路为阻性

R>>X，电压源为115V，400HZ正弦交流电，电弧间隙l=0.00254m，设置R=1Ω，L=0.0004mH，X=0.001Ω。则故障电弧波形如图3所示。图中，感抗对电弧影响很小，电弧电流电压和电压源电压几乎同相位，电弧电流有明显零休区，电弧熄灭阶段时间较长；电弧电流畸变很小，几乎没有畸变；电弧电压波形近似方波形，电弧电压在电弧电流过零区斜率最大。

5 结语

从研究中得知，航空故障电弧的产生存在隐性积累过程、电弧产生时会引发新的电弧，要特别关注航空故障电弧在不同负载性质时的电流特性的不同，为解决航空电气系统故障电弧的问题提供参考。

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