航空导线热像定量评估方法∗

于向阳 姚凌虹 赵 时 马 曾 刘钧贤

（1.海军航空大学青岛校区 青岛 266000）（2.海军潜艇学院 青岛 266000）

1 引言

航空导线作为配送电能及传输控制信号的载体，可谓飞机的“神经脉络”。随着机载系统及其设备的增加，导线以不同的布线方式并以捆扎成束的方式在各隔框、舱段间穿梭，在安装密度过大的区域易造成热应集中，加速热老化，不可避免地造成了绝缘性能显著下降，成为故障频发的安全隐患。

目前，涉及航空导线性能的研究主要集中在更具经济意义的绝缘性能老化及剩余寿命研究等方向，因不同产品绝缘材料的差异性，往往在装机前开展有针对性的型号试验，目前国内还没有适用性较为广泛的性能试验研究体系；装机后的敷设方式、环境等因素也是影响其性能的重要因素，对于因敷设环境、方式不同而引起的故障，往往是在系统出现异常后，沿着敷设路径针对绝缘层进行离线人工目视检，受人员维护经验、检测设备的限制，故障不易探查，给飞机线路的日常维护带来了极大的困难。

随着红外热像技术的不断发展提高，特别是热像仪精度的提高，可以通过热成像精确地读出所检测部位的温度分布，通过对红外特征的分析、比对等，直接判断设备内部工作情况及其完好性；加之体积小、效率高、适合大面积在线监测等优势，其在线路的检测以及故障诊断中发挥了越来越重要的作用［1～4］。

海军工程大学的孙丰瑞教授、杨立教授等对红外技术是否具备对机电设备进行故障诊断的能力及其影响因素等进行了深入研究，制定了红外技术对故障诊断能力的评价指标，认为利用红外技术对机电设备进行故障诊断的核心是准确获取被测设备的温度分布状态以及故障点的温度或温升值，此数值不仅能比较直观判断设备是否有存在故障，而且也是判别故障原因、影响因素以及故障程度的重要依据［5～7］。

本文针对飞机导线实际敷设方式，设计并搭建了实验平台。在一定工作状态下针对导线的不同敷设方式开展实验研究，通过红外热像仪对选取部位进行在线监测，分析其温度场红外特征，提取其特征参数，并对典型部位进行在线数据分析与处理，对其在线诊断及预防进行有益探索。

2 飞机线路热状态模型

机载电路网中的导线，在实际走势路径上，往往捆扎成束并以不同的敷设方式安装在狭窄的隔框内，在一定电流下运行会产生热效应，导线工作的热状态“因地制宜”。导线内芯导体通过绝缘材料、线束包裹、敷设路径向外传递热量，其温度通常高于环境温度，经过一段时间达到热平衡，考虑到飞机线路的实际工作情况，导线工作的热状态受多种因素共同影响，难以进行精确的计算，相关影响因子的确定一般由实验方法近似取值。通常导线产生的大部分热量（80%～90%）以对流方式散去；剩下的热量几乎全部由辐射方式散去，导线的绝缘层表面与敷设环境自然对流传热，当发热与散热达到热平衡时，温度分布趋于稳定。

忽略温度对导体直流电阻的影响，当有电流I通过导线时，就有电能转换为热能。按照焦耳定律，在时间dt内电流I所产生的热量为

式中:Q发为发热量（焦耳）；I 为负载电流（安）；R 为单位长度的导线电阻（欧姆）。

经过一段时间dt 所产生的热量一部分用于使导线加热，其值为GCdθ；另一部分以热的形式散热到周围介质中，其值为

式中，G 为导线重量；C 为比热容；θ0为导线周围介质温度；θ-θ0为导线的温升；S散为导线散热表面积；K为散热系数。

导线在发热过程中的热平衡方程式为

解此微分方程，可以得到通解:

代入初始条件:当t=0时，θ=θ0，则得

微分方程的特解为

当稳定温度值一定时，为导线的在特定线束、敷设方式下的允许温度值，其与工作电流值、绝缘材料的性能等相关联；在实际工作中，导线的敷设方式是决定导线散热系数及散热表面积的实际因素。导线的额定稳定温度值更多的由其敷设实际情况确定，热负荷过大引起局部热应力，致使性能退化；红外热像技术利用红外辐射效应，实时获取导线的表面温度谱，进而确定其热状态［8～12］。

3 实验方案

实验方案的选取应考虑测试平台技术手段等实施的有效性，同时测量点的选择应考虑机载电气线路敷设的实际；针对机载电气线路易于产生局部热应力的敷设方式，试验分别从汇线、余量处理、线路防护、走势等方面选取多个测量点，适当配置外部参数，获取实验数据。

3.1 外部参数的设置

本实验采用的测量仪器为红外热像仪，型号为FLUKETi400，测量精度±2℃或2%。发射率为ε=0.9，环境温度t0=15℃～19℃，空气湿度50%，室内不考虑太阳辐射、风力等外界环境因素影响；试验样品选取0.75mm 铜芯聚氯乙烯高温导线，其额定耐压值450/750V，电阻约为0.01Ω/m，外接额定工作电压27.5V；鉴于机上用电设备工作电流在5A～7A范围内为数较多，通常不超过10A，实验中工作电流（施加应力）由功率滑动变阻器调节。

3.2 测量点的选取

实验中测量点的选取，应考虑机载电气线路敷设的实际，能够反映被测量点热状态特征的同时，便于进行热特征参数的获取；相邻测量点之间应保持一定的间隔，以减少红外辐射及外界环境热条件的影响；将测量点的相对“热”因子的灵敏度作为选取测量点的重要参考依据，若某一测量点其相对灵敏度较高，说明该测量点能够显著反映导线敷设的实际工作状态。

综合考虑机载电气线路的实际敷设情况以及对测量点的要求，本实验选取了4种汇线方式、3种余量处理方式、2 种防护方式及6 种不同走势进行具体分析，具体情况如表1。

表1 实验中的敷设方式

3.3 实验流程

考虑到红外热成像仪本身长时间工作产生的热辐射对试验线路的影响，实验中以20min 为间隔进行一次采集，得到实验样本图像。考虑到飞行任务的实际情况，连续通电时间一般为2h。

4 红外特征分析

4.1 温度场内温度峰值

图1～图3 比较了窗口内温度场不同敷设方式的最高温度值（峰值）在部分工作状态下，随采集时间的变化情况。

如图1所示，当I=0.5A，各测量点在t1～t7时刻，其最高温度值随时间推移走势基本一致，呈缓慢上升趋势且温差不超过1℃。t4为测量拐点，在时间点t1～t4时刻之间测量点温度上升速度相对较快；t4～t5时刻后温度开始趋于稳定，t1与t7时刻间各测量点温差近3℃。

图1 I=1.5A，部分测量点的最高温度值Tmax比较情况

图2 I=4.4A，部分测量点的最高温度值Tmax比较情况

如图2 所示，当I=4.4A，各测量点温度迅速上升，与前序状态相比，各测量点趋于稳定温度进一步前移，经过t3时刻，各测量点趋于稳定温度明显前移。随着通电时间的增加，各测量点整体趋势开始出现一定温差。

图3 I=8.8A，部分测量点的最高温度值Tmax比较情况

如图3 所示，I=8.8A，经过t2时刻，各测量点温度迅速上升且趋于稳定。随着通电时间的增加，各测量点整体趋势温差较为明显，部分测量点的最高稳定温度已超过40℃。

图1～图3，各测量点的温度趋于稳定的拐点由t4逐渐提前到t2，稳定温度也由20℃提高至60℃，以测量点6、7、13 为例同一线束路径上的不同部位，其余量处理方式，特别是线束弯曲内径存在一定差异，测量点6 的温度较高，测量点7、13 温度较为一致，不同的的余量处理方式对热应力的敏感性不同。测量点5、7 的线束重叠部分长度一致，测量点5 处采用“八字结”法进行余量处理，热应力比较分散；测量点6 为“小余量线圈法”处理，热应力比较集中，散热区域相较于5 较小。测量点7 做了捆扎处理，而测量点13 未作捆扎处理，温度显示基本一致。测量点6、7 重叠面积基本一致，尽管测量点6 弯曲内径较大，但温度显示测量点6 远高于测量点7，测量点6 的余量处理方式更容易造成热力集中；线束的弯曲内径及其余量处理方式等对热应力的作用效果较为明显，是导线温升的重要影响因素。

图4 不同状态下部分测量点的相对稳定温升Ts值比较情况

各测量点经过一定时间后，最高温度趋于稳定，以相对稳定温升为特征参数，即取趋于稳定的最高温度值与初始最高温度值作差值，记为相对稳定温升Ts，Ts=Tmax-T0，（Tmax为某状态趋于稳定的最高温度值；T0，某状态初始时刻最高温度值），选取部分测量点在不同状态下的相对稳定温升值进行比较分析，如图6所示。状态4是曲线变化的拐点，状态4 之前，各测量点的相对稳定温升随着热应力的增加，在一定范围内波动，基本趋于稳定；状态3与状态5 之间（给定电流值2.7 ≤I ≤4.4 时），部分测量点的相对稳定温升有小幅波动，应该为测量点相对稳定温升的锻炼期；经过状态4 之后（给定电流值I＞4.4 时），测量点随热应力的增大较为敏感，呈增大趋势，测量点5 相对稳定温度值最高。不同的工作电流下，各敷设方式对热应力的敏感性具有较大的差异性。

4.2 温升溢出率

图5 不同状态下部分测量点λs值比较情况

在不同的工作电流下，各测量点相对稳定温升的不同，表现了不同敷设方式对热因子的敏感性，工作电流或敷设方式导致过高的热应力值超过导线额定热负荷，易造成导线性能退化；以温升溢出率为特征参数，即相对稳定温升Ts与额定最高稳定温升Tem的比值，记为，λs=Ts/Tem。图7为部分测量点在不同状态下的温升溢出率λs 值的趋势图与梯度谱，状态4 是曲线变化的分水岭，状态4 之前，各测量点的温升溢出率λs 值随着热应力（工作电流）的增加，在一定范围内波动，基本趋于稳定；经过状态4 之后（给定电流值I＞4.4 时），测量点随热应力的增大较为敏感，呈增大趋势，已经超出导线的一般热容量。不同的工作电流下，各敷设方式对热应力的耐热能力具有一定的差异性。

5 结语

本文提出了一种基于红外特征的航空导线性能定量评估方法。在不同工作电流作用下，对线路进行通电实验，通过红外热像仪对热应力较为集中的部位提取“热”信息，形成温度谱，认为温度场内的最高温度能够准确定位并跟踪监测部位。由于不同敷设方式对热因子敏感性存在一定的差异性，定义了相对稳定温升Ts和温升溢出率λs，并将其作为特征参数，能够在一定程度上反映了敷设方式对热应力的耐热能力的差异性，验证了该方法在性能定量评估的可行性，验证了将热成像技术应用于航空导线性能评估的可行性，对线路故障的主动预防与在线诊断具有一定的技术牵引。