航空发动机电气附件绝缘故障分析与性能测试

孙兆荣 袁少帅 英福君 石旭东

摘  要： 绝缘性能是航空发动机运行及维护中的一项重要指标，关系到飞机的飞行安全。针对航空发动机电气附件两类关键的绝缘故障进行了仿真分析，明确了绝缘电阻值与绝缘性能间的关系。在此基础上，设计航空发动机电气附件绝缘性自动测试系统。系统采用硬件设备与上位机软件控制相结合的模式。硬件系统包括高阻测量模块、控制模块、动态组合切换模块及转接线缆等。软件系统采用基于不同型号发动机数据库的组件化程序设计思路，实现硬件模块间的通信控制、测量逻辑控制、绝缘性测量回路建立、人机交互及数据报表生成与存储等功能。该系统可一机多用，配合相应的转接线缆，可实现全部型号发动机的绝缘性自动测试需求，测试精度与测试速度得到大幅提高。

关键词： 绝缘性能测试; 航空发动机; 电气附件; 自动化; 故障仿真; 网络通信

中图分类号： TN876?34; TP216                  文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）06?0129?04

Insulation faults analysis and performance testing for aero?engine electrical accessory

SUN Zhaorong， YUAN Shaoshuai， YING Fujun， SHI Xudong

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

Abstract： Insulation performance is an important indicator in the operation and maintenance of aero-engine， which concerns the flight safety of the aircraft. The two key insulation faults simulation and analysis for aero-engine electrical accessories are carried out， and the relationship between insulation resistance and insulation performance is clarified. An automatic insulation testing system for the aero-engine electrical accessory is designed based on all the above. The mode combined the hardware equipment with the upper computer software control is used for the system. The hardware system includes high resistance measurement module， control module， dynamic combination switching module and transfer cables， and so on. The software system realizes these functions such as the communication control between hardware modules， measurement logic control， establishment of insulation measurement circuit， human?computer interaction and data report generation and storage by means of the modular program design thinking based on the databases of different types′ engines. This system can realize multiple purposes in one machine， and meet the requirement of automatic insulation testing for all types′ engines with the corresponding transfer cables， which greatly improves the testing accuracy and testing speed.

Keywords： insulation performance testing; aero?engine; electrical accessory; automation; fault simulation; network communication

0  引  言

航空发动机电气附件定义为发动机中的传感器、执行器及连接部件等，用于发动机参数的获取与实时监测、发动机控制回路数据交互与控制系统作动、发动机电气系统保护与切断等。飞机飞行中，电气附件将遭受电磁、机械、化学、外力、热等各种因素的影响。随着飞行周期的增加，电气附件的绝缘介质将发生一系列物理化学变化，可能引起绝缘介质的腐蚀、磨损及老化，甚至导致绝缘介质的破损[1]。发动机工作过程中，绝缘结构的电气性能和机械强度直接影响电气附件的使用寿命。如对电气附件存在的绝缘故障检查不及时，维护不到位，将会影响电气附件的数据获取、传输、作动及附近的电气线路，甚至导致绝缘击穿、匝间短路等绝缘故障，严重时引起电弧放电现象。如果电弧放电发生在燃油系统回路中，可能引起发动机起火，危及飞行安全。因此，航空发动机电气附件的绝缘故障研究及绝缘测试是十分必要的。

1  测试需求分析

根据CMM（Compartment Maintenance Manual）手册规定，发动机维修过程中需要对电气附件的绝缘性能进行测试与分析，包括同一电气附件不同插针间的绝缘测量（Pin/Pin）、同一电气附件不同插针与地间的绝缘测量（Pin/Gnd）。以某型民航发动机为例，CMM手册明确规定了30个电气附件共124个绝缘测试要求，具体分布如表1所示。

根据手册中绝缘测试的要求，电气附件绝缘故障分为两大类：

1） 层间绝缘故障：指同一电气附件中，同一线圈或不同线圈绝缘介质间由于绝缘性能下降引起的绝缘故障。由于航空发动机体积有限，电气附件的不同线圈间、同一线圈的匝间、电气线路间分布紧密，当两个相互靠近的匝间绝缘介质均发生绝缘老化，可能在绝缘故障处产生电弧放电。

2） 对地绝缘故障，指同一电气附件中，线圈或电气线路绝缘介质与地间由于绝缘性能下降造成的绝缘故障。当绝缘介质发生绝缘老化，对地绝缘阻值减小时，可能引起电压击穿。当绝缘介质被击穿时，由于大电流的流过，绝缘介质将出现烧焦的现象，对飞行安全带来极大的危害。

以航空发动机的引气活门为例，如图1a）所示，设备号为W3P15的E/G两插针间的测量方式称为Pin/Pin测量，手册中要求在DC 250 V电压下，插针E和G及J和L间的最小绝缘值均为1 000 kΩ。如图1b）所示，A/GND，L/GND，C/GND，J/GND，G/GND和E/GND，插针与地间的绝缘测量方式称为Pin/Gnd测量。手册中要求在DC 250 V电压下，插针号为A，L，C，J，G，E的6个插针分别与地间的最小绝缘值为 1 000 kΩ。

2  绝缘故障模型与仿真

2.1  对地的绝缘故障模型与仿真

通过分析航空发动机电气附件的工作过程，搭建电气附件对地绝缘故障的等效电路模型。如果绝缘介质某处存在绝缘老化现象，随着该处等效绝缘电阻R0、等效绝缘电容C0的不断变化，R0与地间的电压同时变化，得到绝缘故障处电压U0与R0的关系。假设C0固定，通过改变电气附件线圈对地的等效绝缘电阻值模拟其绝缘故障，得出U0和R0的变化关系。模拟电路的原理如图2所示[2?3]。

在电气附件对地绝缘故障仿真电路中，绝缘处的对地电压如下：

式中：R0为绝缘故障处等效绝缘阻值;R为电气附件的等效阻值;L为电气附件的等效电感;C为电气附件的等效电容;C0为绝缘故障处的等效电容。

当C0取一系列固定值时，通过不断改变电气附件对地的电阻来模拟绝缘性能的变化过程，U0随R0的变化关系如图3所示。

当C0取不同值时，随着R0的不断减小，U0存在明显的过渡变化，在图3的拐点前，U0随R0的减小几乎无变化。当R0继续减小而出现在拐点后时，U0随R0的減小而直线上升。因此，拐点处对应的R′（等效绝缘阻值的最小值）可作为判断绝缘性能的阈值。当R0>R′时，电气附件的绝缘性良好;当R0

2.2  层间绝缘故障模型与仿真

航空发动机供电为115 V、400 Hz的交流电，当线圈发生绝缘磨损时，把线圈间的绝缘阻值等效为Z，则电弧故障的等效电路如图4所示。

根据等效电路列KVL方程，可得：

式中：[Uarc]为电弧电压;[iarc]为电弧电流;R为等效绝缘电阻;X为等效电抗;[L]为等效电感。

斯托克斯经验公式如下：

将式（2）代入式（3）可得出电弧电压与电弧电流间的关系如下：

式中，[g]为电弧放电间隙。

利用Matlab/Simulink建立电弧故障的仿真模型，通过改变线圈间的绝缘阻值R引起的电路变化来模拟电弧故障，其模型如图5所示。

当线圈绝缘层严重磨损时，层间的绝缘电阻很小，基本上可以等效为短路。假如取极端时的等效绝缘阻值，即R→0，此时的电流变化情况如图6所示。

当线圈不存在层间绝缘故障时，R在几百兆欧以上。假如取极端时的等效绝缘电阻，即R→∞，此时的电流变化情况如图7所示。

当等效绝缘阻值R从∞逐渐减小到0时，线圈间的电流与R间的关系如图8所示。

通过图6、图7可知，在线圈间完全短路或完全绝缘两种极端情况下，电流的变化可达到1×105倍。由图8可知，两线圈间的等效绝缘阻值R大于某个值，即在拐点前时，电流几乎无变化，当两线圈间的等效绝缘阻值R小于某值，即在拐点之后时，电流直线上升，将发生电弧现象[4?6]。

3  电气附件绝缘性能测试系统

3.1  测试系统硬件

测试系统分为核心控制模块、高阻测量模块、动态回路切换模块及转接线缆等，静态测试系统连接如图9所示。该系统可针对任意型号发动机完成580个测试点的自动绝缘测试，并将测试结果及故障与否记录到数据库，生成测试报表。

高阻表正负端分别连接在矩阵开关节点A和B，使其与双刀矩阵开关相应的纵向通道连接。在执行绝缘测试时，闭合B组纵向节点（B，Y1）以及F组纵向节点（F，Y1），闭合A组纵向节点（A，Y2）以及E组纵向节点（E，Y2），待测端子分别与E组纵向通道及F组纵向通道相连。此时，高阻表正负端分别与待测端子和地相连，形成两线制的绝缘测试回路。

3.2  测试系统软件设计

测试系统采用基于数据库驱动的组件化程序设计思路，主要模块包括人机交互模块、绝缘测量模块和数据库管理模块等，软件结构如图10所示。系统设计开发采用基于LabVIEW可视化软件。软件系统主要包含测试程序软件及数据库。

数据库调用是执行该测试模块的基础，其调度关系如图11所示。

不同型号发动机对应相应的机型配置数据库。绝缘测试开始时，数据库调度程序从机型配置数据库中提取发动机相关信息及每条测试回路的矩阵开关节点，并控制被测回路矩阵开关节点的通断，构成满足绝缘测试要求的回路。测试结果数据库用于记录绝缘性测试结果信息。操作记录数据库用于记录测试的执行步骤。故障记录数据库用于记录测试中存在绝缘故障的结果信息，方便发动机测试工程师查看测试故障及排故。底层设备驱动模块实现测试程序模块与硬件模块的通信，通过调用底层驱动软件调度硬件模块执行相应的功能。

3.3  测试系统测试结果

以某型号发动机的现场测试数据为例，该系统可完成248个测试点的自动绝缘测试，测试用时约20 min。测试结果包括电气附件件号、针脚号、手册规定的绝缘阻值区间、绝缘测试要求的电压、测试阻值、测试结果等关键参数，现场测试的部分测试数据如图12所示。实测阻值远远高于绝缘电阻最小值，说明该发动机电气附件不同插针间、插针与地间的绝缘性良好，不存在绝缘故障隐患。

4  结  论

通过民航发动机电气附件绝缘性能测试需求分析、绝缘性故障类型仿真建模，确定电气附件绝缘故障的阻值阈值，指导测试系统数据库中绝缘阻值区间的设置。航空发动机电气附件绝缘性测试系統已在发动机维修单位投入使用，良好地完成了电气附件绝缘性测试功能，能实现不同型号发动机的测试需求，大大缩短了发动机的占厂时间，减少了发动机试车次数，降低了发动机的维修成本。

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