李妍加 董文倩

摘 要：線束電弧故障可能使周圍的線束、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)零部件損傷，甚至失效，極大地影響了民用飛機的安全性和可靠性。因此，需要在民用飛機的設(shè)計、制造、操作與維護(hù)中，加強線束電弧故障的預(yù)防意識。本文首先介紹了民用飛機線束電弧故障的機理，其次對線束電弧故障的類型及引發(fā)故障的因素進(jìn)行了分析，重點對預(yù)防線束電弧故障的措施進(jìn)行了說明，對民用飛機電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）的設(shè)計具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：電??；隔離；絕緣；EWIS

引言

EWIS作為機上眾多關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其穩(wěn)定性在某種程度上決定了民用飛機的安全性。在民用飛機的整個使用壽命期間，EWIS可能在不同區(qū)域以不同的形式出現(xiàn)損傷，由此損傷導(dǎo)致的連帶故障發(fā)生概率將會增大，而在眾多故障失效情況中，線束電弧故障極大地威脅著民用飛機的安全性。當(dāng)導(dǎo)線與導(dǎo)線，導(dǎo)線與機上導(dǎo)體之間的電場強度超過導(dǎo)體之間絕緣介質(zhì)的擊穿強度時，在線束中就會產(chǎn)生電弧甚至引發(fā)事故。

1 電弧機理、類型及產(chǎn)生原因

1.1 電弧機理

正常狀態(tài)下，氣體具有良好的電氣絕緣性能，但當(dāng)在氣體間隙的兩端加上足夠大的電場時，電流便會通過氣體，這種現(xiàn)象就稱為氣體放電。放電現(xiàn)象與氣體的種類、壓力、電極的材料和幾何形狀、兩極間的距離以及加在間隙兩端的電壓等因素有關(guān)。電弧是氣體放電的一種形式，也是電能通過氣體產(chǎn)生的發(fā)光放電現(xiàn)象。電弧的特點是溫度很高，電流很小，持續(xù)時間短，一旦出現(xiàn)擊穿點則會頻繁出現(xiàn)。電弧的產(chǎn)生會釋放大量的熱，并且有可能形成點火源，引燃周圍的易燃物。電弧印跡是一種在絕緣表面形成導(dǎo)電碳通路的現(xiàn)象，絕緣層的裂縫易產(chǎn)生電弧并使絕緣層碳化，碳?xì)堄辔锸菍?dǎo)電的，由此形成了短暫的電流通路。

1.2 線束電弧故障類型及產(chǎn)生原因

民用飛機線束上的電弧故障一般分為并行電弧故障和串行電弧故障。

并行電弧故障一般在線束中產(chǎn)生，通常發(fā)生在導(dǎo)線之間或?qū)Ь€與金屬結(jié)構(gòu)之間。在民機電氣系統(tǒng)中，并行電弧故障主要是由導(dǎo)線絕緣層的破損造成導(dǎo)體外露產(chǎn)生的。并行電弧故障會釋放巨大的能量，導(dǎo)致周圍易燃物持續(xù)過熱引發(fā)火災(zāi)。

民用飛機上產(chǎn)生線束并行電弧故障的主要原因在于絕緣層受損或老化，而造成絕緣層受損或老化的因素如下：

（1）由于機體結(jié)構(gòu)空間有限，導(dǎo)致線束不可避免的與敷設(shè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)件直接接觸，加之飛機在長時間飛行過程中會產(chǎn)生大量的震動，線束與周圍堅硬的結(jié)構(gòu)件表面產(chǎn)生摩擦致使絕緣層破損；

（2）線束安裝時，超過允許的半徑彎曲會破壞導(dǎo)線絕緣層的性能；

（3）線束密閉于機身內(nèi)且散熱不充分使其長時間處于高溫狀態(tài)。飛機起降過程中溫度的劇烈變化，也會導(dǎo)致線束表面凝結(jié)水霧。長時間處于潮濕環(huán)境會使導(dǎo)線絕緣層分解老化進(jìn)而引起絕緣材料的損壞；

串行電弧故障一般產(chǎn)生于單根線路，主要發(fā)生在線束端接插頭松動處。在松動處的兩端，電壓開始時有幾百毫伏，導(dǎo)體逐漸緩慢氧化、腐蝕直至被加熱，當(dāng)電壓逐漸發(fā)展到幾伏時就會產(chǎn)生電弧故障。線束端接器件的氧化腐蝕、連接損壞以及內(nèi)部金屬導(dǎo)體斷裂等都有可能引起串行電弧故障。

線束端接處的松動通常由以下兩個因素導(dǎo)致：

（1）飛機中高振區(qū)發(fā)生的正常振動導(dǎo)致線束端接處的松動；

（2）飛機的維修和檢查等人為操作導(dǎo)致線束端接處的松動。

2 線束電弧故障預(yù)防措施

2.1 并行電弧故障預(yù)防措施

EWIS安裝設(shè)計時需要考慮采用適當(dāng)?shù)目臻g分離、應(yīng)力釋放以及合理選擇導(dǎo)線絕緣材料等措施，降低并行電弧故障產(chǎn)生的風(fēng)險。

2.1.1 分離/隔離

線束設(shè)計和安裝時應(yīng)與其他的飛機零部件、結(jié)構(gòu)之間保持足夠的物理間距，避免線束受尖銳邊角的磨擦導(dǎo)致絕緣材料的受損。由于空間等其他因素限制而不能保持最小分離距離時，線束應(yīng)額外增加護(hù)孔環(huán)或護(hù)邊等隔離措施，防止線束的磨損。如圖1所示，由于線束與結(jié)構(gòu)之間缺少隔離器件，在振動情況下，極易導(dǎo)致線束與結(jié)構(gòu)減輕孔之間的磨損而引發(fā)并行電弧故障。

2.1.2 應(yīng)力釋放

線束安裝時由于過度彎曲導(dǎo)致絕緣層褶皺加劇，飛機在長時間的運行中，褶皺處的導(dǎo)線絕緣層會出現(xiàn)開裂老化現(xiàn)象，易引發(fā)并行電弧故障，如圖2所示為線束過度彎曲的示例。三維設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)嚴(yán)格遵循設(shè)計規(guī)范的要求設(shè)置線束彎曲半徑，一般單根導(dǎo)線或電纜，最小的彎曲半徑應(yīng)是其外徑的10倍；由多根導(dǎo)線和電纜組成的線束，其最小彎曲半徑應(yīng)是線束外徑的6倍，且絕對不能小于其中直徑最大導(dǎo)線的10倍徑；同軸電纜的彎曲半徑是其外徑的10倍。當(dāng)線束由于結(jié)構(gòu)空間有限無法滿足規(guī)定的彎曲半徑時，可以通過改變敷設(shè)路徑或調(diào)整卡箍安裝方向等措施，使線束敷設(shè)路徑滿足規(guī)定的彎曲半徑值。

同時，為了避免線束和單根導(dǎo)線長時間處于拉緊狀態(tài)，線束安裝設(shè)計時還應(yīng)提供充足的松弛量。通常兩個支撐點之間的線束可以允許存在0.5 in的松弛量，避免過長的線束余量隨意抖動，與其他線束、結(jié)構(gòu)或設(shè)備相碰撞導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣層損傷。

2.1.3 導(dǎo)線絕緣材料選用

絕緣材料良好的性能可以有效降低電弧故障發(fā)生的概率，設(shè)計階段對于導(dǎo)線絕緣材料的選擇顯得尤為重要。選擇導(dǎo)線絕緣材料時，應(yīng)考慮到導(dǎo)線絕緣材料的耐磨性、抗電弧特性、絕緣強度以及環(huán)境耐受性等能力。某些絕緣材料，如芳香烴聚酰亞胺絕緣材料比其他類型絕緣材料更容易產(chǎn)生電弧印跡，應(yīng)嚴(yán)格限制其在電氣線路中使用。

在飛機的發(fā)動機艙和APU艙等高溫區(qū)域，線束長時間暴露于過熱環(huán)境下，導(dǎo)線的絕緣層極易出現(xiàn)干燥和破裂現(xiàn)象而加速老化。因此，飛機的高溫區(qū)域應(yīng)采用耐高溫導(dǎo)線，如含氟聚合物和聚酰亞胺的絕緣材料，這種絕緣材料在高溫環(huán)境下可繼續(xù)維持機械和電氣特性，對降低線束電弧故障起到了有效的作用。

2.2 串行電弧故障預(yù)防措施

為減輕線束串行電弧故障對臨近線束、飛機結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)造成的損害，EWIS設(shè)計階段可以通過優(yōu)選端接器件、定期維護(hù)及規(guī)范人為操作等措施，盡可能避免串行電弧故障的發(fā)生。

2.2.1 優(yōu)選端接器件

由于多數(shù)的串行電弧故障都是由振動引起的端接處接觸不良或斷續(xù)連接造成。因此，對于飛機的中高振動區(qū)域，應(yīng)特別關(guān)注線束端接器件的選型問題。

對于連接器的選用，在中等振動區(qū)域，盡量選擇具有鎖緊裝置的連接器以防止振動引起的接頭松動，在高振動和持續(xù)振動區(qū)域，推薦使用帶有螺紋連接的連接器。

對于卡箍的選用，在高振區(qū)可采用抗振性能良好的金屬卡箍支撐線束，尤其注意線束端接區(qū)域卡箍的布置，盡量使卡箍安裝角度與線束走向一致并起到有效固定線束的作用，避免線束因劇烈振動導(dǎo)致的串行電弧故障，如圖3所示為線束端接區(qū)域卡箍的安裝方式。

對于其他線束端接器件，如接線模塊、斷路器、接觸器等，如果長時間處于振動環(huán)境，線束端接處也會出現(xiàn)斷續(xù)連接、腐蝕、斷裂等問題。因此，選型時也需要特別關(guān)注線束端接器件所使用的環(huán)境，避免出現(xiàn)線束串行電弧故障繼而引發(fā)火災(zāi)。

2.2.2 定期維護(hù)

為了能夠及時發(fā)現(xiàn)線束端接處的連接斷開等故障，有必要對線束的端接器件進(jìn)行定期的檢查。在線束端接器件選型階段，設(shè)計人員通過提前預(yù)估其工作壽命，制定合理的端接器件維護(hù)周期，可方便維護(hù)人員日后有針對性地對線路故障進(jìn)行排查檢修。

線束端接器件的可靠性與器件本身、安裝方式及工作環(huán)境均有一定的關(guān)系，EWIS設(shè)計階段無法十分準(zhǔn)確地預(yù)估出器件的工作壽命。但設(shè)計人員可以依據(jù)相似機型的經(jīng)驗數(shù)據(jù)及供應(yīng)商提供的產(chǎn)品手冊等信息，預(yù)估線束端接器件工作壽命；同時也可以在試驗室模擬不同的使用環(huán)境，并通過一段時間的試驗，使端接器件自身潛在的缺陷逐漸暴露出來，從而為設(shè)計人員預(yù)估線束端接器件的工作壽命提供有力的數(shù)據(jù)支持。此外，維修人員也可依據(jù)端接器件預(yù)估的工作壽命，在線路故障維修檢查時，定期更換有潛在損壞可能的端接器件，盡量使用抗振動性能更加優(yōu)良的器件來實現(xiàn)線路功能，及時有效的避免串行電弧故障的發(fā)生。

2.2.3 規(guī)范人為操作

飛機上進(jìn)行維修檢查時應(yīng)謹(jǐn)慎操作，維修人員不應(yīng)在線束上踩踏，行走和攀爬，同樣也不能將連接器和所連接的線束作為扶手使用，盡量避免人為失誤造成線束端接處接頭的松弛連接。

3 結(jié)語

隨著飛機線束電弧故障引發(fā)的事故逐漸增多，電弧故障的預(yù)防設(shè)計也越發(fā)受到適航當(dāng)局和飛機設(shè)計方的高度重視。為了保證飛機能夠安全、可靠的工作，必須從設(shè)計的各個方面考慮線束電弧故障問題。本文分析了引發(fā)線束電弧故障的幾種主要因素，并對電弧故障的預(yù)防措施進(jìn)行了歸納和總結(jié)，但電弧故障的原因和防護(hù)設(shè)計不止本文所述，仍有待進(jìn)一步研究與探索。

參考文獻(xiàn)

[1]楊立樹.航空電氣系統(tǒng)絕緣故障的研究[D].大連理工大學(xué)，2008.

[2]呂明，劉洋，李鵬昌.民用飛機線束電弧問題研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014，（11）：19-22.

（作者單位：中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心）