飞机电源配电线路故障在翼测试系统的设计研究

杨娟 李运富 任仁良

摘  要： 飞机电源系统的配电线路安全直接影响着飞机上电气设备的工作安全。飞机供电线路阻值以及故障保护时间是重要性能参数，反映了线路的导电性和可靠性。基于LabVIEW开发的飞机电源配电线路故障在翼测试系统实现了配电线路、跳开关和连接件等多种线路连接元素的总等效阻值测试，诊断回路导通性故障;并通过人机交互界面按需设置模拟飞机线路过载或短路故障，测试线路故障保护时间和I2t保护曲线，获取跳开关性能状态。该测试系统在不影响飞机原有线路构型情况下模拟线路故障并实现在翼测试，可快速诊断线路导通性及保护器件性能状态，具备多通道拓展功能，对飞机电源系统故障诊断研究具有参考价值。

关键词： 飞机电源; 配电系统; 线路故障; 跳开关; 保护时间; 在翼测试

中图分类号： TN954+.2?34                      文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2019）10?0113?05

Design research of fault on?wing test system for electrical power

distribution circuit of aircraft

YANG Juan1， LI Yunfu2， REN Renliang1

（1. Engineering Technical Training Center， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China;

2. College of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： The power distribution line status of the aircraft′s power supply system affects the operation safety of the airborne electrical equipment directly. The resistance value and fault protection time of the power supply circuit of aircraft are important performance parameters that can reflect the conductivity and reliability of the circuit. Therefore， a fault on?wing test system is developed for the electrical power distribution circuit of the aircraft on the basis of the LabVIEW， so as to realize total equivalent resistance value test of various line connection elements such as power distribution line， circuit breakers and connecters， and diagnose the conductivity fault of the loop. The overload and short circuit faults of the aircraft line are set and simulated on demand by means of the human?machine interactive interface. The line fault protection time and I2t protection curve are tested to obtain the performance states of circuit breakers. The test system can simulate the circuit faults and implement the on?wing test without affecting the original circuit configuration of the aircraft， and rapidly diagnose the line connectivity and performance states of protective devices， which has a multi?channel expansion function， and a certain reference value for research on fault diagnosis of the power supply system of aircraft.

Keywords： aircraft power supply; power distribution system; line fault; circuit breaker; protection time; on?wing test

0  引  言

飞机电源系统配电包括从电源汇流条到用电设备输入端的部分，由电网配电装置和电网保护装置组成，其作用是将电源产生的电能传输和分配到飞机各用电设备。以B787为代表的“多电飞机”上机载大功率负载数量大幅增加，对电网的冲击明显增多。现代飞机配电线路复杂程度越来越高，线路的相互干扰随之增多。此外，随着飞机逐渐进入老龄化，线路及保护器件老化问题逐渐凸显[1?5]。飞机地面排故维修过程中，人工测试方法仅能利用简单仪表实现跳开关通断测试，无法深度探知器件的性能状态以及产生误动作的几率。此外，针对老龄飞机所开展的定期线路检查工作面临着线路保护跳开关数量庞大，拆卸困难，规格多样的问题，通过人工逐一完成，工作量大且效率极低，又容易产生误检，漏检等人为差错。航空维护过程中，在翼测试目标配电线路故障状态并对线路中保护器件进行参数测量和评定十分必要。

1  测试系统总体结构

飞机配电系统示意图如图1所示。

图1  飞机配电系统示意图

飞机电源配电线路故障在翼测试系统总体结构设计如图2所示[6?7]。

图2  测试系统总体结构

该测试系统将实现配电回路正常工作模式下线路阻值测试和配电回路非正常工作模式下跳开关保护时间测试。系统主要分为6个模块：电源模块、人机交互控制与指示模块、负载控制模块、信号采集模块、数据分析模块和被测件模块。上述6个模块综合实现测试参数设置功能、负载控制功能、被测件测试功能和参数比较分析功能。硬件模块中集成了软件功能，实现整个故障检测、参数测试和数据分析与比较功能。

2  系统硬件设计

系统硬件设计的核心部件连接情况如图3所示。图3中，测试设备通过外接电缆直接连接飞机3相115 V/400 Hz电源作为系统直接或间接的工作电源。变压整流器是飞机二次电源设备，输出稳态和瞬态参数符合飞机供电特性标准，将3相115 V/400 Hz飞机电源转换成28 V机载直流电为测试主回路提供工作电源。其中电子负载、工控一体机和数据采集卡环路实现人工远程控制系统总回路电流值。

图3  系统硬件设计

数据采集卡采用USB?6009数据采集卡，单通道最高采样率为48 KSPS，实时采集回路电流值，系统可同时连接8路测试通道，一次接线实现8路回路测试。功控一体机是测试软件的硬件平台，可通过操作鼠标键盘或者直接手触液晶显示屏操控两种方式来对测试系统进行人机交互控制。工控一体机控制分别与电子负载通过USB转TTL的转接接口相连、通过USB接口与数据采集卡相连;电子负载单元与数据采集卡通过BNC接口连接。为避免受机上其他设备信号干扰，线路连接全部使用屏蔽导线。

3  系统软件设计

系统软件采用NI公司的LabVIEW 2015作為开发平台。LabVIEW具有内置的图形用户界面，操作直观，使用简便，包含丰富的数据分析处理库函数，提供了编程巨大的灵活性和很高的可靠性，能够充分实现操作灵活、功能强大和用户界面友好的设计要求。系统软件部分通过LabVIEW 2015程序编辑，实现信号的记录、信号的实时分析、信号的后期分析和输出图形的功能。

3.1  测试初始化设置

测试初始化设置部分，设置数据端口选择下拉菜单，并可对电子负载实现远程操作模式和人工操作模式选择。初始设置如图4所示。

图4  初始设置

3.2  线路电阻测试

线路电阻直接反映了目标线路的连接质量和导电状态。一条供电线路中集成了多种电阻元素，包括导线阻值、跳开关接触电阻、线路中有压接、搭接、插接、螺栓紧固连接和焊接等各种连接电阻，线路的总阻值计算为：

[R线=i=1nRi] （1）

通过测量线路电阻可定性地判断线路连接的可靠性和安全性，定性检查线路的导电性和接地是否良好，是质量检查或故障诊断的手段之一。

飞机配电线路保护器件跳开关的接触电阻是接触表面两边的电位差与通过的电流的比值，符合欧姆定律。以额定电流为1 A的跳开关为例，测量小功率连接器的接触电阻时，如信号通道的接插件、继电器和开关等，为了防止接触表面受热烧结，要用小电流进行测量，这样才能反映在小电流下使用时的实际情况。

线路电阻测试条件是在被测件额定功率条件下完成。根据配电线路中跳开关的设计参数设定线路电流值，如图5所示。检测线路中电子负载两端实际电压和电流值通过检测模块获取，如图6所示。

图5  设定电流值程序

回流中导线阻值、跳开关接触电阻、线路中压接、搭接、插接、螺栓紧固连接和焊接等各种连接电阻的等效电阻总和为：

[RX=US-U实I实]        （2）

式中：[RX]为线路电阻;[US]为飞机供电电源;[U实]为电子负载两端实际电压值;[I实]为线路实际电流值。

图6  线路实际值检测

3.3  过载/短路故障设置及保护时间测试

飞机电气设备使用不当，电机、电器、电线等电气设备的绝缘老化，受机械损伤或战斗损坏等原因，都有可能使电气线路发生过载或短路。电路短路时将出现很大的短路电流， 随之产生大量热量和机械力，致使设备损坏，供电中断，甚至造成事故;如果故障处产生电弧， 将使故障处金属熔化或燃烧从而出现间歇性短路，这是极其危险的。通过测试系统模拟飞机电源配电线路过载和短路故障，是测试线路故障保护功能的基础。调节电子负载，模拟线路过载或短路故障，过载故障输出范围为100%I额

以保护电流额定值为1 A的飞机配电线路为例，非正常工作状态下线路电流可通过人工或远程控制电子负载调节，实现1.0～11.9 A范围内的过载数值设定，以及12.0～17.8 A范围内的短路数值设定。数值设置可根据需求选择0.1和1两档设定值递增输入，过载测试点119个，或可按需填写加载数值。程序设置见图7。

图7  线路过载故障和短路故障设置

跳开关是飞机配电线路最常用保护装置，以串联方式接入被保护的电路中，当被保护的电路因电网波动发生过载或短路故障时，线路电流达到或大于某一数值时， 跳开关动作，从而切断被保护电路，保护机载设备和飞机电源系统。飞机跳开关性能直接影响着配电网络的安全性，准确测试其性能参数对于保证飞机电网安全有一定意义。跳开关保护反映时间的大小是重要性能参数[8?11]。根据MIL?STC?1760和MIL?P?81653B标准的要求，飞机线路保护器件需满足跳开时间反延时的特性要求。

[T=A（IIp）B-1·Tp]               （3）

式中：[T]为反延时关断动作时间;[I]为实际采样电流;[Ip]为额定电流;[Tp]为时间常数;A和B为不同反延时特性方程常数。根据不同的反延时保护特性，常数A和B的取值有所区别，一般反延时A=0.14，B=0.02;非常反延时A=13.5，B=1;特别反延时A=80，B=2。飞机配电线路选择特别反延时保护。

保护时间测试如图8所示，测试回路电子负载输出数据大于0.2时，开始进入线路过载或短路故障启示计时时刻，通过计时子VI检测跳开关过流保护跳开时刻，前后时间差为过载保护时间。

图8  保护时间测试

4  测试系统功能实现

工控一体机控制单元设有支持触摸屏功能RS 232&

USB组合接口，用户可通过操作鼠标键盘或者直接手触液晶显示屏操控两种方式来对测试系统进行人机交互控制见图9。通过图9a）中的测试主界面，用户可进入完成系统初始设置、过载/短路故障设置、保护时间测试、接触电阻测试以及退出测试系统。图9b）中的测试子界面提供了各个测试内容的控制按钮和显示数值或曲线。

5  测试案例分析

以某型飞机负载LOAD1和负载LOAD2的工作回路为例，在翼测试线路连接示意图如图10所示。

负载采用飞机DC 28 V BAT BUS汇流条供电，线路保护跳开关C001额定电流值为1 A。负载LOAD1线路由飞机汇流条经过Line1→跳开关C01→Line2→拼接管SM01→Line3→航空插头D10→Line4→接线块TB01→Line5→拼接管SM02，拼接管SM02并联接出Line6和Line7，分别连接上负载LOAD1的航空插头D30的2号和3号插钉， Line8接地（飞机外壳）;负载LOAD2线路由飞机汇流条经过Line1→跳开关C01→Line2→拼接管SM01→Line9→航空插头D20→Line10→接线柱XB1→Line11→接线块TB02→Line12→拼接管SM03→Line13→LOAD2插头D40的1号插钉，Line15接地（飞机外壳）。

图9  测试系统主界面和子界面

图10  在翼测试线路连接示意图

图10中，LOAD1的配电线路导线总长7.1 m，线路中存在4个线路转接和连接部件，电气连接点若干;LOAD2的配电线路导线总长10.8 m，线路中存在5个线路转接和连接部件，电气连接点若干。

为了避免测试过程中起动机载电源，并在不破坏飞机原有电路基础上实现配电线路故障在翼测试，将汇流条与Line1脱开，由电气连接线路将测试系统DC 28 V测试电源接入替代汇流条工作电源;另一端将D30与LOAD1脱开，将测试系统负载输出正极线路02和03以及接地线路01经过匹配接口与D30相连。

在上位机上远程控制电子负载设备，在跳开关C01额定功率条件下测试线路电阻，测量值为2.013 Ω，说明线路导通性良好，诊断被测配电回路处于无故障状态。

从1.0 A开始逐点设置线路过载功率值，每间隔0.1 A测量一个线路故障保护时间，系统采集并储存数据。根据测试数据，利用Matlab的M文件绘制过载电流值与保护时间对应曲线，与参考区间对比如图11所示。

图11  實测保护时间与参考区间对比

图11中，LOAD1配电回路保护时间实测值在器件参考带区间中，线路短路故障（1 200%额定功率）保护时间为0.101 s，线路过载故障（110%额定功率）保护时间为15.789 s，符合性能指标要求。在线路额定电流临界点工作条件下，系统可持续工作。

被测件I2t保护曲线如图12所示。

图12  I2t保护曲线

图12中，短路状态下，I2t值最大。系统回路在110%～1 100%过载状态下，假如输入电流为恒定值，保护时间大小取决于该电流值的大小。

在测试LOAD2配电回路时，将负载输出01，02和03线路脱开，将04和05通过匹配接口与D40连接。测试过程与LOAD1相同。通过测试实例可知，该系统可顺利实现一次接线，通过上位机系统指令分配，单独测试不同目标配电回路的要求。

6  结  论

飞机电源配电线路故障在翼测试系统在不改变飞机配电线路原有构型基础上测试目标线路等效总阻值，诊断线路导通性;并设置模拟线路过载或短路故障，测试飞机线路保护器件跳开关的保护时间值及I2t保护曲线，进一步判定线路保护器件的性能状态。通过本测试系统在飞机线路故障排除阶段可快速确定跳开关误动作或真实失效状态，在线路定期维护阶段测试跳开关现实性能状态，评估使用寿命，避免了维修过程中破坏飞机原有线路构型，解决工作效率低、人工耗时等问题[12?16]。结果表明，该系统具有较长的使用寿命和升级空间，未来可根据需求加入新的模块或升级现有模块实现新的测试功能。

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