民用飞机线束电弧故障因素分析及预防措施

李妍加 董文倩

摘 要：线束电弧故障可能使周围的线束、系统和结构零部件损伤，甚至失效，极大地影响了民用飞机的安全性和可靠性。因此，需要在民用飞机的设计、制造、操作与维护中，加强线束电弧故障的预防意识。本文首先介绍了民用飞机线束电弧故障的机理，其次对线束电弧故障的类型及引发故障的因素进行了分析，重点对预防线束电弧故障的措施进行了说明，对民用飞机电气线路互联系统（EWIS）的设计具有一定的参考意义。

关键词：电弧；隔离；绝缘；EWIS

引言

EWIS作為机上众多关键系统之一，其稳定性在某种程度上决定了民用飞机的安全性。在民用飞机的整个使用寿命期间，EWIS可能在不同区域以不同的形式出现损伤，由此损伤导致的连带故障发生概率将会增大，而在众多故障失效情况中，线束电弧故障极大地威胁着民用飞机的安全性。当导线与导线，导线与机上导体之间的电场强度超过导体之间绝缘介质的击穿强度时，在线束中就会产生电弧甚至引发事故。

1 电弧机理、类型及产生原因

1.1 电弧机理

正常状态下，气体具有良好的电气绝缘性能，但当在气体间隙的两端加上足够大的电场时，电流便会通过气体，这种现象就称为气体放电。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。电弧是气体放电的一种形式，也是电能通过气体产生的发光放电现象。电弧的特点是温度很高，电流很小，持续时间短，一旦出现击穿点则会频繁出现。电弧的产生会释放大量的热，并且有可能形成点火源，引燃周围的易燃物。电弧印迹是一种在绝缘表面形成导电碳通路的现象，绝缘层的裂缝易产生电弧并使绝缘层碳化，碳残余物是导电的，由此形成了短暂的电流通路。

1.2 线束电弧故障类型及产生原因

民用飞机线束上的电弧故障一般分为并行电弧故障和串行电弧故障。

并行电弧故障一般在线束中产生，通常发生在导线之间或导线与金属结构之间。在民机电气系统中，并行电弧故障主要是由导线绝缘层的破损造成导体外露产生的。并行电弧故障会释放巨大的能量，导致周围易燃物持续过热引发火灾。

民用飞机上产生线束并行电弧故障的主要原因在于绝缘层受损或老化，而造成绝缘层受损或老化的因素如下：

（1）由于机体结构空间有限，导致线束不可避免的与敷设区域的结构件直接接触，加之飞机在长时间飞行过程中会产生大量的震动，线束与周围坚硬的结构件表面产生摩擦致使绝缘层破损；

（2）线束安装时，超过允许的半径弯曲会破坏导线绝缘层的性能；

（3）线束密闭于机身内且散热不充分使其长时间处于高温状态。飞机起降过程中温度的剧烈变化，也会导致线束表面凝结水雾。长时间处于潮湿环境会使导线绝缘层分解老化进而引起绝缘材料的损坏；

串行电弧故障一般产生于单根线路，主要发生在线束端接插头松动处。在松动处的两端，电压开始时有几百毫伏，导体逐渐缓慢氧化、腐蚀直至被加热，当电压逐渐发展到几伏时就会产生电弧故障。线束端接器件的氧化腐蚀、连接损坏以及内部金属导体断裂等都有可能引起串行电弧故障。

线束端接处的松动通常由以下两个因素导致：

（1）飞机中高振区发生的正常振动导致线束端接处的松动；

（2）飞机的维修和检查等人为操作导致线束端接处的松动。

2 线束电弧故障预防措施

2.1 并行电弧故障预防措施

EWIS安装设计时需要考虑采用适当的空间分离、应力释放以及合理选择导线绝缘材料等措施，降低并行电弧故障产生的风险。

2.1.1 分离/隔离

线束设计和安装时应与其他的飞机零部件、结构之间保持足够的物理间距，避免线束受尖锐边角的磨擦导致绝缘材料的受损。由于空间等其他因素限制而不能保持最小分离距离时，线束应额外增加护孔环或护边等隔离措施，防止线束的磨损。如图1所示，由于线束与结构之间缺少隔离器件，在振动情况下，极易导致线束与结构减轻孔之间的磨损而引发并行电弧故障。

2.1.2 应力释放

线束安装时由于过度弯曲导致绝缘层褶皱加剧，飞机在长时间的运行中，褶皱处的导线绝缘层会出现开裂老化现象，易引发并行电弧故障，如图2所示为线束过度弯曲的示例。三维设计时，设计人员应严格遵循设计规范的要求设置线束弯曲半径，一般单根导线或电缆，最小的弯曲半径应是其外径的10倍；由多根导线和电缆组成的线束，其最小弯曲半径应是线束外径的6倍，且绝对不能小于其中直径最大导线的10倍径；同轴电缆的弯曲半径是其外径的10倍。当线束由于结构空间有限无法满足规定的弯曲半径时，可以通过改变敷设路径或调整卡箍安装方向等措施，使线束敷设路径满足规定的弯曲半径值。

同时，为了避免线束和单根导线长时间处于拉紧状态，线束安装设计时还应提供充足的松弛量。通常两个支撑点之间的线束可以允许存在0.5 in的松弛量，避免过长的线束余量随意抖动，与其他线束、结构或设备相碰撞导致导线绝缘层损伤。

2.1.3 导线绝缘材料选用

绝缘材料良好的性能可以有效降低电弧故障发生的概率，设计阶段对于导线绝缘材料的选择显得尤为重要。选择导线绝缘材料时，应考虑到导线绝缘材料的耐磨性、抗电弧特性、绝缘强度以及环境耐受性等能力。某些绝缘材料，如芳香烃聚酰亚胺绝缘材料比其他类型绝缘材料更容易产生电弧印迹，应严格限制其在电气线路中使用。

在飞机的发动机舱和APU舱等高温区域，线束长时间暴露于过热环境下，导线的绝缘层极易出现干燥和破裂现象而加速老化。因此，飞机的高温区域应采用耐高温导线，如含氟聚合物和聚酰亚胺的绝缘材料，这种绝缘材料在高温环境下可继续维持机械和电气特性，对降低线束电弧故障起到了有效的作用。

2.2 串行电弧故障预防措施

为减轻线束串行电弧故障对临近线束、飞机结构和系统造成的损害，EWIS设计阶段可以通过优选端接器件、定期维护及规范人为操作等措施，尽可能避免串行电弧故障的发生。

2.2.1 优选端接器件

由于多数的串行电弧故障都是由振动引起的端接处接触不良或断续连接造成。因此，对于飞机的中高振动区域，应特别关注线束端接器件的选型问题。

对于连接器的选用，在中等振动区域，尽量选择具有锁紧装置的连接器以防止振动引起的接头松动，在高振动和持续振动区域，推荐使用带有螺纹连接的连接器。

对于卡箍的选用，在高振区可采用抗振性能良好的金属卡箍支撑线束，尤其注意线束端接区域卡箍的布置，尽量使卡箍安装角度与线束走向一致并起到有效固定线束的作用，避免线束因剧烈振动导致的串行电弧故障，如图3所示为线束端接区域卡箍的安装方式。

对于其他线束端接器件，如接线模块、断路器、接触器等，如果长时间处于振动环境，线束端接处也会出现断续连接、腐蚀、断裂等问题。因此，选型时也需要特别关注线束端接器件所使用的环境，避免出现线束串行电弧故障继而引发火灾。

2.2.2 定期维护

为了能够及时发现线束端接处的连接断开等故障，有必要对线束的端接器件进行定期的检查。在线束端接器件选型阶段，设计人员通过提前预估其工作寿命，制定合理的端接器件维护周期，可方便维护人员日后有针对性地对线路故障进行排查检修。

线束端接器件的可靠性与器件本身、安装方式及工作环境均有一定的关系，EWIS设计阶段无法十分准确地预估出器件的工作寿命。但设计人员可以依据相似机型的经验数据及供应商提供的产品手册等信息，预估线束端接器件工作寿命；同时也可以在试验室模拟不同的使用环境，并通过一段时间的试验，使端接器件自身潜在的缺陷逐渐暴露出来，从而为设计人员预估线束端接器件的工作寿命提供有力的数据支持。此外，维修人员也可依据端接器件预估的工作寿命，在线路故障维修检查时，定期更换有潜在损坏可能的端接器件，尽量使用抗振动性能更加优良的器件来实现线路功能，及时有效的避免串行电弧故障的发生。

2.2.3 规范人为操作

飞机上进行维修检查时应谨慎操作，维修人员不应在线束上踩踏，行走和攀爬，同样也不能将连接器和所连接的线束作為扶手使用，尽量避免人为失误造成线束端接处接头的松弛连接。

3 结语

随着飞机线束电弧故障引发的事故逐渐增多，电弧故障的预防设计也越发受到适航当局和飞机设计方的高度重视。为了保证飞机能够安全、可靠的工作，必须从设计的各个方面考虑线束电弧故障问题。本文分析了引发线束电弧故障的几种主要因素，并对电弧故障的预防措施进行了归纳和总结，但电弧故障的原因和防护设计不止本文所述，仍有待进一步研究与探索。

参考文献

[1]杨立树.航空电气系统绝缘故障的研究[D].大连理工大学，2008.

[2]吕明，刘洋，李鹏昌.民用飞机线束电弧问题研究[J].航空科学技术，2014，（11）：19-22.

（作者单位：中航沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心）