航空接触器动作特性的退化现象与机理分析

2023-11-20张元峰张秋生于春风刘治国

失效分析与预防 2023年5期

张元峰，张秋生，于春风，刘治国

（1. 海军航空大学青岛校区，山东青岛 266041；2. 92635部队，山东青岛 266041）

0 引言

航空接触器具有电路通断控制功能，主要用于控制交流、直流主电路或大容量电路通断的控制开关，其可靠性直接决定控制系统的工作稳定性。三相交流接触器触头磨损严重是造成其失效的主要原因[1-3]。其失效机理有很多，其中非常重要的一个方面就是三相触头不同步，即三相触头不能同时断开或闭合，会导致各相触头磨损不均匀，使寿命下降。同时，触头不同步还会造成供电网络三相电源不均衡，造成发电机保护，影响电网负载设备的正常工作；另一方面，某些航空电气设备启动工作中产生的浪涌电流产生的高温会加速交流接触器触头熔焊趋势，进一步导致接触器触头失效[4-9]。如果接触器的动作时间不符合要求，电路长期出现异常浪涌电流，将对整个自动控制系统产生致命性的破坏。

姬华等[10]通过试验验证和分析手段研究了触头弹跳、线圈参数以及电工纯铁材料性能等因素对交流接触器吸合时间的影响，提出通过优化触头弹簧参数、严格控制接触器触头的弹簧力、优化调整产品线圈参数以及使用高牌号的电工纯铁等措施，降低交流接触器的吸合时间，使产品的吸合特性更佳。但是，对交流接触器多路触头之间的不同步性指标并未研究。孙凯革等[11]对航空三相交流接触器因长期大负载工作引起触头发生熔焊的机理和失效原因进行研究，并从产品维护和可修复性的角度，提出基于各接触器的实际状态，结合飞机大修，采取打磨、抛光触头的方法，减小触头接触电阻，抑制触头磨损扩大趋势，突破接触器修理技术瓶颈。郑淑梅等[12]针对电弧电流对交流接触器触头的侵蚀这一最主要因素，提出交流接触器电寿命分布特征的数学模型，解释了实际使用中交流接触器电寿命呈现出的分散性。于春风等[13]通过设计航空直流接触器检测试验条件及检测电路对接触器开展自然环境试验，表明当前因飞机航空接触器故障而影响飞机电气系统正常工作的危险性故障有很多，而地面维护人员缺乏相应的理论研究思路和试验检测手段，给接触器的维护和使用带来了极大的挑战，是目前急需解决的一大技术难题。

本研究针对飞机泵站航空交流接触器工作不稳定引发的飞机发电机断电故障，开展航空交流接触器触头动作特性的退化现象与机理分析，揭示触头动作不同步使接触器触头磨损及浪涌电流使接触器触头产生熔焊故障的机理，为接触器保护电路设计及改进相应维护手段提供借鉴。

1 故障情况

1.1 故障现象

根据飞行员观察，飞机在着陆瞬间出现“右发电机断开”及“非并联工作故障”灯亮的故障。断开右发电机重新接通后，一切恢复正常。因为飞机着陆瞬间会接通泵站工作，所以反映该现象以后，地面维护人员检查泵站所在线路，发现泵站自动保护开关均无异常现象。该飞机再次飞行后，发动机进入自动状态，发现“辅助液压故障”灯亮，辅助液压压力表无指示，停车后检查发现泵站自保电门断开。“辅助液压故障”灯亮是因为泵站无法工作而引起。

1.2 地面复现试验

图1为飞机泵站供电线路简图。在地面，将断开的泵站自保电门接通，脱开泵站输入线路，接通泵站电源，用万用表检查泵站自保电门端、泵站接触器端以及泵站输入端电压，均符合规定要求。重新接通泵站通电检查，当地面交流电源通电接通泵站时，泵站工作声音不正常。地面接通泵站时泵站工作情况会出现以下几种情况：1）接通泵站自动保护开关，泵站工作不正常，持续5 s不正常工作以后，人为断开泵站自动保护开关；2）接通泵站自动保护开关，泵站工作不正常，约2 s后自动转为正常工作；3）随着通电次数频繁，后续接通泵站时，泵站工作不正常约3 s，泵站自动保护电门自动断开。在泵站工作不正常时用万用表测泵站接触器，有一路相电压达200 V左右（正常为115 V），此时泵站工作不正常且有白烟产生，而自保开关不能断开，立即人为断开泵站自保电门，未能完成对该接触器的三路测量。

图1 泵站供电线路简图Fig.1 Power supply line diagram of pump station

更换泵站接触器，地面反复通电检查泵站工作情况，发现情况正常，没有再出现过右发断开故障。将拆下的泵站接触器用外加27 V电源反复通电接通10余次，发现其中一路触头在接触器接通状态下接触电阻较其他触头明显变大，最后变化为兆欧级别。

1.3 故障原因分析

根据地面检查情况，初步判断右发电机在飞机着陆瞬间断开的原因是泵站接触器工作性能不稳定，造成接通泵站的瞬间泵站所接的电网工作电压不稳定、过载，某一相电压过大，从而导致发电机控制保护装置断开右发输出。通过查看右发电机断开现象架次的飞行参数，显示有4次右发电机输出断开时飞机交流电源系统AB线电压187 V，BC线电压208 V，时间段长达4 s，而正常应为200 V，说明此时飞机交流电网系统确实受到干扰。

1.4 故障后果分析

该故障为飞机电源用户设备（泵站线路接触器）非正常工作导致三相电源不均衡，而该泵站自动保护开关不能及时断开泵站工作，而使得电网三相电不均衡，进一步影响右发电机输出不均衡，导致在飞机着陆过程中右发电机断开。此时，右发电机控制保护器断开右发电机输出，进行对发电机的保护。并且两路电网并联断开，从而保护机上电网不受影响。如果此时发电机并联工作不能及时断开，将影响右发电机断开输出，这样左右发电机都没有输出，后果将不堪设想。要对接触器失效机理进行分析，需要对故障接触器进行较完整的检测，找到问题根源的同时，提出相应的维护解决措施，使故障从根本上杜绝，避免飞机电网系统再次出现故障，危及飞行安全。

2 电气性能测试与分析

2.1 测试电路搭建

航空接触器动作时间测试电路如图2所示。1/2、3/4、5/6是三相接触器三路常开触头，示波器Ch1、Ch2、 Ch3通道分别测量三路常开触头的电压，Ch4通道测量直流接触器线圈电压。通断控制器可实现接触器按照规定时间连续通断，其基本原理为Jt1、Jt2电子时间继电器互锁控制，也可以用可编程控制器（PLC）实现。具体测量实物如图3所示。

图2 航空三相交流接触器同步性测试电路Fig.2 Synchronization test circuit of aviation three-phase AC contactor

图3 航空交流接触器同步性测试实物Fig.3 Real objects for synchronization test of aviation AC contactor

2.2 动作时间测试

打开图2中的供电开关。当线圈通电，接触器吸合。在接触器吸合瞬间，示波器Ch4通道显示接触线圈电压波形，Ch1、Ch2和Ch3通道分别显示1/2、3/4和5/6三路常开触头的电压波形（图4a）。利用示波器光标，读出接触器线圈通电瞬间电压波形与各路触头接通瞬间电压波形间隔时间，即为各路常开触头吸合时间。根据图4所示的电压波形，5/6触头未检测到电压，说明5/6触头不导通。这与前述故障分析中其中一路触头在接触器接通状态下接触电阻较其他触头明显变大，最后变化为兆欧级别的检查结果相符。同时，根据各路触头波形波动读出触头弹跳时间。

图4 航空接触器触头吸合、释放动作电压波形Fig.4 Voltage waveform of pull-in and release action of aviation contactor contact

断开图2中的供电开关。当线圈断电，接触器释放。在接触器释放瞬间，示波器Ch4通道显示接触线圈电压波形，Ch1、Ch2和Ch3通道分别显示三路常开触头的电压波形（图4b）。利用示波器光标，读出接触器线圈断电瞬间电压波形与触头断电瞬间电压波形间隔时间，即为常开触头释放时间。根据图4b所示电压波形，触头释放瞬间，线圈产生较大的反电势。5/6触头由于吸合未导通，未测量到释放动作时间。最后，得到测量数据如表1所示。

表1 航空接触器动作时间测试结果Table 1 Action time test results of aviation contactorms

2.3 电气性能测试结果分析

根据表1可知，除了吸合弹跳时间外，动作时间均超过2 ms。根据GJB 1461A—2017含可靠性指标的电磁继电器总规范，对于电气设备中使用的主触头额定电流为5 A（阻性）和5 A以上（其辅助触头的额定电流可以低于5 A）的电磁继电器（含接触器），具有多触头组的产品。各触头组吸合和释放时间差值对于触头额定值不大于15 A的产品不应超过1 ms，对于触头额定值大于15 A的产品不应超过2 ms。因此，故障接触器同步性不符合标准要求。此外，交流接触器5/6触头出现不动作现象导致电能不能传输到负载端。

3 金相检测与分析

为了给接触器工作失效分析提供佐证，对航空交流故障接触器进行金相检测。现将原机故障件和一个同型号正常接触器进行拆解，通过体式显微镜和扫描电镜，对比观察2台接触器的动、静触头宏观和微观形貌。

3.1 宏观检查

对2台接触器进行拆解，拆开后的交流接触器动、静触头结构无明显差异。故障件触头形貌见图5，故障件和正常件触头的宏观形貌见图6。

图5 故障件触头分布Fig.5 Contact distribution of the faulty contactor

图6 故障件和正常件触头宏观形貌Fig.6 Macro morphology of the contacts of the faulty and normal contactor

通过宏观形貌观察可以发现，2台接触器全部的动、静触头均表面凹凸不平，可见触头烧蚀的现象，并在触头周围形成黑色印迹。其中失效接触器（故障件）可见触头材料由动触头向静触头的转移，触头轮廓不规则，5#、6#触头情况最严重，与前述5/6触头检测不动作的结果一致。未失效接触器（正常件）没有发现明显的触头材料转移迹象。

3.2 微观观察

由于未对接触器进行物理破坏，所以仅对2台接触器的动触头进行微观形貌观察。故障件1#～4#触头形貌相近，如图7、图8所示。可见触头表面存在熔融形貌，高倍下可见熔融区域微小附着物，触头轮廓区域存在少量金属熔融喷溅形貌。

图7 故障件1#动触头微观形貌Fig.7 Micro morphology of 1# moving contact of the faulty contactor

图8 故障件3#动触头微观形貌Fig.8 Micro morphology of 3# moving contact of the faulty contactor

5#故障件整体形貌见图9。触头表面反复的熔融堆积，并存在微裂纹，触头轮廓区域存在大量金属熔融喷溅形貌，轮廓不清晰。正常件触头形貌与故障件形貌相近，1#～6#故障件触头均可见金属熔融形貌，熔融区域可见微小附着物，存在熔融喷溅区。

图9 故障件5#动触头微观形貌Fig.9 Micro morphology of 5# moving contact of the faulty contactor

3.3 金相检测结果分析

对送检的2台接触器的触头进行宏观、微观观察，经对比发现，2台接触器全部动、静触头宏观观察表面形貌凹凸不平，触头烧蚀并积碳；微观观察触头表面存在熔融形貌，熔融区域可见微小附着物，存在熔融喷溅区。此外，故障件触头可见明显的材料迁移现象（触头材料由动触头向静触头转移），触头轮廓不规则；其中故障件 5#、6#触头情况最严重，触头表面反复的熔融堆积，并存在微裂纹，触头边缘因存在大量金属熔融喷溅形貌，而轮廓不清晰。

根据金相结果分析，结合该型接触器在飞机使用的实际工况判断，该型接触器所接工作电路中，泵启动会产生浪涌电流，使触点产生瞬间高温，加速触点软化融化。伴随接触器使用时间延长，触点表面形貌逐步劣化（熔融凝固产生表面凹凸不平、碎屑、孔洞、裂纹、触点材料迁移等），不仅导致接触器综合性能下降，还会导致接触器的耐线路系统过载能力不足等问题。

4 综合原因分析

通过以上电气性能及金相检测分析结果推断，对于该故障接触器：一方面，在泵站接通的瞬间，浪涌电流使得泵站所接电网工作偶发相间电压不稳定，使接触器过载使用；另一方面，长期存在的浪涌电流使得该接触器触点经常处于高温状态，从而加速触点老化进程，在超寿命使用的情形下，造成该接触器耐过载能力下降，因而无法承受上述过载工作，导致接触器失效。因此，在接触器设计端，应设计电流尖峰以抑制电路减弱启动浪涌电流对触头的熔焊腐蚀；在维护端，应对接触器开展定期检测维护，并将接触器列为有寿件进行控制；同时在机载设备故障诊断和健康管理端，对接触器状态参数开展状态监测。