(1.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610092；2.電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引 言

隨著航空航天飛機(jī)的機(jī)載成品數(shù)量集成度越來越高，對(duì)機(jī)上供電電能質(zhì)量、用電、配電的要求也變得更加嚴(yán)格[1]。電纜從駕駛艙覆蓋到機(jī)尾，并用于連接機(jī)上各用電設(shè)備，其質(zhì)量可達(dá)機(jī)載電子設(shè)備和電氣設(shè)備總質(zhì)量的60%，是飛機(jī)傳遞動(dòng)力電源的重要裝置[2-4]。

由于飛機(jī)線路的復(fù)雜，對(duì)電纜的故障定位變得至關(guān)重要。目前在航空航天和電力電子領(lǐng)域故障檢測(cè)方法包括時(shí)域反射法(time domain reflectometry，TDR)[5-6]、駐波反射(standing wave reflectometry，SWR)[7]、頻域反射(frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR)[8]。以上的方法都可以分解為一個(gè)通用流程：生成定義的波形，記錄反射/入射脈沖，最后分析結(jié)果。然而上述方法無法判斷電纜故障的根本原因。文獻(xiàn)[9]利用ANSYS 軟件分析了截面、電流對(duì)截面溫度場(chǎng)分布及線纜中不同層導(dǎo)線間的熱接觸傳熱影響，但是卻未考慮絕緣層以及負(fù)載突變對(duì)線路的影響。

通過分析電纜絕緣層、熱累積效應(yīng)、接觸電阻、過載及負(fù)載短路對(duì)電纜短路特性的影響，探究造成飛機(jī)電纜短路故障的機(jī)理，并通過暫態(tài)分析與Matlab仿真結(jié)果驗(yàn)證提出理論分析的正確性與有效應(yīng)，為飛機(jī)電纜的故障診斷與定位提供依據(jù)，預(yù)測(cè)非顯性的故障隱患，電纜環(huán)境優(yōu)化等提供有力支撐。

1 飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)飛機(jī)電纜基本屬性原理

1.1 飛機(jī)電纜的結(jié)構(gòu)組成和種類用途

飛機(jī)常用線束包括總線、高溫電纜、常溫電纜和低溫電纜。除專用的總線外，電纜的結(jié)構(gòu)均如圖1所示，主要包括芯線、絕緣層和防護(hù)套。

圖1 典型的飛機(jī)電纜結(jié)構(gòu)

在對(duì)飛機(jī)電纜進(jìn)行設(shè)計(jì)或選型時(shí)，需考慮電纜受傳遞功率、傳遞距離、敷設(shè)方法和路徑環(huán)境的影響，綜合分析電纜橫截面積、體積、重量和經(jīng)濟(jì)性[10]。

飛機(jī)電纜芯線的材質(zhì)通常選取銅或鋁，而銅較鋁電阻率更低，導(dǎo)電性和延展性更好，基本適用于飛機(jī)各系統(tǒng)導(dǎo)電性能指標(biāo)要求。采用聚氯乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物等材料作為電纜的絕緣層以避免電纜之間短路，保證電纜間的電氣隔離。在具體選材時(shí)還需考慮安裝艙內(nèi)環(huán)境、電纜功能的影響，如柔軟性、耐熱性、耐燃性等。電纜的防護(hù)套通常選用防波套、膠管、塑料管等，以起到不同的保護(hù)作用。

1.2 飛機(jī)電纜故障類型

飛機(jī)電纜故障主要分為軟性故障和硬性故障。軟性故障包括磨損故障和間歇故障，最終仍都表現(xiàn)為硬性故障，即短路和斷路故障，斷路硬性故障分別是信號(hào)傳遞中斷和傳遞不正確主要原因[11]。

飛機(jī)電纜故障嚴(yán)重影響用電設(shè)備的工作性能，危及飛機(jī)的飛行安全。飛機(jī)系統(tǒng)涉及種類繁多，相互關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，導(dǎo)致電纜故障原因錯(cuò)綜復(fù)雜。下面主要針對(duì)短路故障進(jìn)行詳盡的梳理和分析。

2 飛機(jī)電纜短路機(jī)理分析

飛機(jī)電纜短路通常發(fā)生在設(shè)備/負(fù)載端、電纜插頭座的連接處(接觸偶)等。通常在設(shè)備/產(chǎn)品端發(fā)生短路時(shí)，斷路器、繼電器等可有效切除故障部分，阻止危害進(jìn)一步擴(kuò)散。而在電纜連接點(diǎn)，即電纜與電纜插頭座連接處，電纜與成品/設(shè)備插頭座連接處出現(xiàn)短路時(shí)，通常未加入直接快速保護(hù)的措施，易導(dǎo)致供電中斷、設(shè)備/負(fù)載受損，嚴(yán)重時(shí)更可能發(fā)生火災(zāi)等事故。綜上所述，飛機(jī)出現(xiàn)電纜短路原因可分為：

1)飛機(jī)電纜發(fā)生短路(但未發(fā)生火災(zāi))，影響設(shè)備成品或飛機(jī)正常運(yùn)作，此時(shí)觸發(fā)短路部分的斷路器，短路故障停止；

2)飛機(jī)電纜短路并引起火災(zāi)，除了需要及時(shí)切掉故障部件，還需滅火；

3)密閉艙出現(xiàn)火災(zāi)，引起電纜短路。

因此，若在有火災(zāi)痕跡的事故分析中必須首先鑒定是火災(zāi)引起短路，還是短路引起火災(zāi)。

2.1 火災(zāi)發(fā)生時(shí)短路根因分析

飛機(jī)發(fā)生了火災(zāi)且出現(xiàn)了線路短路，在事故根因分析中，還需鑒別是火災(zāi)引起短路,還是短路引起火災(zāi)，能成為事故分析的重要依據(jù)之一。

火燒熔痕和短路熔痕存在差異性，可做火災(zāi)引起短路或短路引起火災(zāi)的初步判據(jù)[12]；由于火燒熔痕與短路熔痕在金相組織上呈現(xiàn)不同特征，可采用金相法做進(jìn)一步的驗(yàn)證性分析[13]。通過找尋電纜短路熔珠，結(jié)合火燒熔痕的金相顯微組織特性，可準(zhǔn)確判斷火災(zāi)引起短路或短路引起火災(zāi)。

以上表明，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)情況時(shí)，若是火災(zāi)引起電纜短路故障，應(yīng)著重從電纜相關(guān)系統(tǒng)或成品設(shè)備去分析；若是電纜短路引起火災(zāi)，可與未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，電纜短路引起飛機(jī)故障一同分析。下面將著重分析電纜短路發(fā)生的原理(未發(fā)生火災(zāi)或火災(zāi)原因判定為電纜短路時(shí)均適用)。

2.2 絕緣層損壞導(dǎo)致電纜短路

圖2所示為飛機(jī)正常運(yùn)行情況下電纜連接方式之一，從圖中可以看到三相交流電源的各相電均通過插針與插孔連接后再向負(fù)載供電，電源/設(shè)備的地線(GND)分布式的與機(jī)殼相連。圖中A、B、C代表三相115 V交流電，AC Power代表交流電源，Load代表負(fù)載端。

圖2 典型飛機(jī)交流電源關(guān)聯(lián)電纜連接

2.2.1 物理特性影響

圖3為飛機(jī)頻繁振動(dòng)后，絕緣層損壞導(dǎo)致芯線之間形成短路回路的示意圖。特殊用途電纜雖然會(huì)在連接處作屏蔽處理(靠近插頭座處)，但也仍易發(fā)生絕緣層損壞。

如圖3所示，由于絕緣層損壞，電源直接由電纜接通成閉合回路，回路電流大幅度增加并超過其額定電流值。線路自身存在阻抗，進(jìn)而形成熱功率。電流越大則熱功率越高，最終燒壞電纜。

圖3 電纜連接點(diǎn)的絕緣層出現(xiàn)物理損壞后示意

2.2.2 熱效應(yīng)累積造成絕緣層損壞

電纜發(fā)熱功率Q可按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

Q=I2Rt

(1)

式中，t為持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。在電阻R基本恒定時(shí)，通過導(dǎo)體電流I越大，加熱功率越大。運(yùn)行期間釋放的熱量將被電線本身吸收，導(dǎo)致電線溫度升高。由于電線在吸熱的同時(shí)，也會(huì)將熱量散發(fā)到外界。因此，正常運(yùn)行時(shí)，電纜溫度不會(huì)無限升高，將恒定在一固定溫度Tstd處，此時(shí)電纜吸熱與散熱功率一致，電纜處于熱平衡狀態(tài)。

實(shí)際飛機(jī)運(yùn)行過程中，還存在一些限制：

1)隨著電纜工作年限增長，絕緣特性、承受最大電流、最大溫度值將下降，即Qstd、Imax值下降。

2)電纜長時(shí)間工作，散熱性能降低，Qstd進(jìn)一步降低。

3)電纜長時(shí)間，時(shí)間增加，導(dǎo)致熱累積量逐漸增大。

以上表明，隨著電纜性能和壽命的降低，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)臨界溫度值逐漸降低；長時(shí)間工作后電纜的發(fā)熱功率產(chǎn)生的熱累積，最終超過臨界值。

當(dāng)電源所產(chǎn)生的熱量來不及散發(fā)就會(huì)在一處堆積(通常堆積在插頭座處)，溫度也就升高。升高到絕緣層的極限時(shí)，絕緣開始熔化進(jìn)而發(fā)生短路，短路后電流又將增大，進(jìn)入惡性循環(huán)直至燒斷電纜。

2.3 接觸電阻影響供電特性

電纜的頻繁震動(dòng)會(huì)出現(xiàn)以下3種情形：

1)接頭松動(dòng)，導(dǎo)致電纜虛接，在連接點(diǎn)的載流量大大下降，當(dāng)電纜流過的電流大于其連接點(diǎn)的安全載流量時(shí)，即會(huì)發(fā)熱；

2)連接點(diǎn)還受到電流的熱效應(yīng)的影響，加快了電纜連接點(diǎn)處的金屬腐蝕，致使電纜連接點(diǎn)處的有效導(dǎo)電面積減少，接觸電阻增大；

3)接觸電阻突然增大，會(huì)在連接點(diǎn)處產(chǎn)生壓降，在該點(diǎn)處就會(huì)做功，且該點(diǎn)產(chǎn)生功率逐漸增大現(xiàn)象，也會(huì)產(chǎn)生大量熱量。

以上現(xiàn)象最終導(dǎo)致連接處發(fā)熱，降低絕緣性，甚至出現(xiàn)供電中斷等嚴(yán)重事故。

2.4 過載、負(fù)載短路對(duì)電纜影響

在飛機(jī)地面或者飛行狀態(tài)時(shí)，若設(shè)備/成品出現(xiàn)短路，也會(huì)使飛機(jī)用電設(shè)備遭受機(jī)械或熱損傷，甚至可能燒斷供電電纜，引發(fā)火災(zāi)。

2.4.1 負(fù)載單相接地短路

電力電纜在實(shí)際運(yùn)行中，除了要通過連續(xù)額定的載流量以外，還需承受短時(shí)過載和短路電流。如圖4所示，負(fù)載輸入端單相接地短路故障，則會(huì)反應(yīng)到一相供電電纜發(fā)生故障，其他兩相供電電纜就必須在短時(shí)內(nèi)承擔(dān)較大的負(fù)載，導(dǎo)致電纜在極短時(shí)間需要承受較大短路電流。由于電纜工作溫度不允許超過最高允許溫度，造成過熱的過載可作為判定的臨界限之一。因此，針對(duì)過載問題，需要確定過載時(shí)間和過載電流值間關(guān)系。

圖4 負(fù)載單相接地短路

2.4.2 負(fù)載相間短路

如圖5所示，與負(fù)載單相短路類似，如果負(fù)載AB相發(fā)生相間短路，則會(huì)造成短時(shí)內(nèi)C相需要承受大功率電流，過大電流則會(huì)在接觸偶上產(chǎn)生熱效應(yīng)積累，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)熔斷插頭座，甚至發(fā)生火災(zāi)。

圖5 負(fù)載供電端相間短路

3 暫態(tài)分析、仿真分析與案例驗(yàn)證

3.1 暫態(tài)分析

當(dāng)電路發(fā)生短時(shí)過載時(shí)，過載溫度可比額定最高溫度再高10～15 ℃。過載是隨時(shí)間變化的，但其熱場(chǎng)為暫態(tài)熱場(chǎng)。飛機(jī)在空中飛行時(shí)，飛機(jī)電纜敷設(shè)于艙內(nèi)，且周圍成品工作時(shí)還會(huì)不斷散發(fā)熱量，導(dǎo)致電纜周圍環(huán)境溫度高于機(jī)外空氣溫度，為簡化分析，假設(shè)短時(shí)過載時(shí)電纜周圍環(huán)境溫度不變。

熱流W一部分為散入周圍煤質(zhì)空氣中的W′，另一部分為為導(dǎo)體自身溫度升高所吸收的熱量W″。其中：

Wdt=W′+W″=hA(θ-θa)dt+QTdθ

(2)

式中：W為熱流；h為散熱系數(shù)，J/m2；A為散熱面積；θ、θa分別為導(dǎo)體和周圍煤質(zhì)溫度；QT為熱容系數(shù)。

由式(2)可得：

(3)

式中，C為積分常數(shù)。

以上可分析示意熱路圖如圖6所示。

圖6 電纜暫態(tài)發(fā)熱近似等效熱路

圖7為裸電線發(fā)熱和冷卻曲線以及各曲線的變化率，圖中1為發(fā)熱曲線，2為冷卻曲線；實(shí)漸近線為兩根曲線的變化率。

根據(jù)暫態(tài)響應(yīng)，可導(dǎo)出過載電流的計(jì)算公式。其中電纜各部分的熱阻與電纜周圍煤質(zhì)熱阻之和為等效熱阻。

圖7 裸電線發(fā)熱、冷卻曲線

對(duì)于低壓電纜，介質(zhì)損耗可忽略不計(jì)，溫升僅與負(fù)載電流的平方成正比，故可據(jù)式(4)得到初載為0時(shí)的電流。

(4)

式中：IN為長期允許的負(fù)載電流；IP為過載電流；τ為時(shí)間常數(shù)；QT為等效熱容；QC為導(dǎo)電線芯熱容；TT為等效熱阻。

若電纜變載前初始負(fù)載不為0，即初始負(fù)載電流為I1時(shí)，則電纜允許在t時(shí)間通過的電流為

(5)

式中，負(fù)載系數(shù)x滿足x=I1/IN。

額定電纜IN亦可根據(jù)允許短時(shí)過載溫度確定，從而求出過載電流。

短時(shí)過載電流允許倍數(shù)為

(6)

式中：IP和IN分別為允許短時(shí)過載電流和連續(xù)載流量；R和RP分別為允許長期和短時(shí)過載導(dǎo)體電阻；θm、θp、θa分別為允許短時(shí)和長期過載溫度及環(huán)境溫度。

根據(jù)以上分析，結(jié)合實(shí)際的電纜材質(zhì)以及環(huán)境特性，可估計(jì)電纜工作特性以及過載電流值。

3.2 仿真分析

將利用Matlab對(duì)電纜電流、電阻、時(shí)間與發(fā)熱功率關(guān)系進(jìn)行分析，為便于分析，熔化絕緣層的熱平衡溫度Tmax對(duì)應(yīng)熱功率近似為Qmax。

圖8為某負(fù)載發(fā)生短路時(shí)的一種電流特性。圖9為負(fù)載短路時(shí)，電纜接頭功率、時(shí)間、電流的三維仿真圖。假設(shè)連接電阻近乎保持不變，即R≈500 mΩ。

圖8 某負(fù)載發(fā)生短路時(shí)的一種電流特性

圖8中在t=0～120 s，負(fù)載正常運(yùn)行，電流達(dá)到4 A；在t=120～240 s發(fā)生短路時(shí)，電流隨時(shí)間增加而不斷增大；在t=240 s時(shí)，故障負(fù)載被飛機(jī)保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)出，并作出保護(hù)動(dòng)作；在t=240～245 s內(nèi)，接頭承受短時(shí)的大電流。

圖9 負(fù)載短路時(shí)，電纜熱累積曲線中接頭功率、時(shí)間與電流關(guān)系

圖9中，右側(cè)溫度表表示各范圍的熱功率?？梢钥闯?，若負(fù)載Qmax<5×104J，則在故障負(fù)載安全切除后，電纜仍處于安全范圍內(nèi)；而當(dāng)載Qmax>5×104J，但故障負(fù)載還未切除，電纜已承擔(dān)最大安全電流(由熱功率和溫度等效的電流)，則電纜發(fā)生絕緣損壞，進(jìn)而可能導(dǎo)致接觸偶(供電端)相間短路，導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生火災(zāi)等。

圖10為電阻長時(shí)間虛接狀態(tài)的一種等效電阻示意圖，在發(fā)生接觸偶故障前，電流在正常狀態(tài)內(nèi)波動(dòng)，即I為4～8 A。

圖10 電阻虛接時(shí)接觸偶電阻變化曲線

圖11為電阻虛接時(shí)電纜發(fā)熱功率、過載時(shí)間及電流的關(guān)系曲線。在電阻虛接情況下，電流在正常值范圍內(nèi)逐漸增加?？梢钥闯觯艚佑|偶處Qmax<7×104J時(shí)安全切除電纜，則電纜仍處于安全范圍內(nèi)；而當(dāng)載Qmax>7×104J，故障還未切除，電纜已承擔(dān)最大熱功率，但發(fā)熱功率仍主要受接觸電阻影響。

圖11 電阻虛接時(shí)，熱累積曲線熱量、電流與過程時(shí)間關(guān)系曲線

圖12為電纜發(fā)熱功率、時(shí)間、接觸電阻之間的關(guān)系圖。在電阻虛接情況下，隨時(shí)間增加接觸電阻大幅度增加?？梢钥闯?，若接觸偶處Qmax<7×104J時(shí)安全切除電纜，則電纜仍處于安全范圍內(nèi)；而當(dāng)載Qmax>7×104J，故障還未切除，電纜已承擔(dān)最大熱功率，則電纜發(fā)生絕緣損壞，進(jìn)而熔化電纜或直接造成接觸偶相間短路，導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障，甚至發(fā)生火災(zāi)。

圖12 電阻虛接時(shí)，熱累積曲線熱量、接觸電阻與過程時(shí)間關(guān)系

以上分析表明，過載會(huì)導(dǎo)致多股電線電纜中內(nèi)芯之間絕緣損壞。多芯電纜由絕緣層分開，過載絕緣層軟化損壞，導(dǎo)致電線電纜的兩根或多根導(dǎo)體直接接觸而短路燃燒設(shè)備。同時(shí)短路瞬間大電流產(chǎn)生高溫使線路起火、電線熔化，熔化的電線落到周圍的易燃物上引起火災(zāi)。過載導(dǎo)體傳熱使附近的“可燃溫度值”升高，因此附近燃點(diǎn)較低的可燃物質(zhì)，可能會(huì)被點(diǎn)燃引起火災(zāi)。

過載也會(huì)導(dǎo)致線路中的接頭處過熱，加速連接點(diǎn)的氧化過程。連接點(diǎn)的氧化容易產(chǎn)生不易導(dǎo)電的氧化膜，氧化膜增加了接觸點(diǎn)之間的電阻，導(dǎo)致打火等現(xiàn)象，甚至引起火災(zāi)。

3.3 飛機(jī)電纜故障的預(yù)防和改善

電纜故障在整個(gè)飛機(jī)生命周期中時(shí)常發(fā)生，提出4個(gè)方面的建議以優(yōu)化電纜維護(hù)和保養(yǎng)，降低飛機(jī)維修成本，改善飛機(jī)整體性能。

1)飛機(jī)電纜長時(shí)間與液壓油、潤滑油、防冰劑等接觸時(shí)易產(chǎn)生接觸污染，通過選用絕緣層抗氧化或腐蝕更強(qiáng)的電纜，能降低接觸污染對(duì)電纜造成的影響。

2)飛機(jī)電纜受到振動(dòng)應(yīng)力作用會(huì)對(duì)電纜產(chǎn)生不同程度的物理損傷。規(guī)范的電纜敷設(shè)以及對(duì)電纜布局作合理優(yōu)化，都能減少電纜磨損或斷裂、接觸件松動(dòng)或損壞概率，從而使飛機(jī)電纜性能大幅度的增加。

3)需對(duì)電纜物理和化學(xué)性能進(jìn)行周期性檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、更換隱患或故障電纜，能減少飛機(jī)事故率，大幅度增加飛機(jī)的安全性及可靠性。

4)對(duì)特殊電纜和關(guān)鍵、重要設(shè)備應(yīng)選取更加適應(yīng)惡劣環(huán)境影響的電纜，周期性檢查對(duì)環(huán)境影響敏感的電纜，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、更換故障電纜，避免電纜故障造成飛機(jī)飛行安全事故。

4 結(jié) 語

首先簡述了飛機(jī)電纜的基本屬性，包括飛機(jī)電纜的結(jié)構(gòu)組成和種類用途，進(jìn)一步分析了電纜的載流量、電壓降、絕緣材料、質(zhì)量和強(qiáng)度和特種用途對(duì)電纜性能的影響。

然后針對(duì)短路引起火災(zāi)事故，或電纜短路(未發(fā)生火災(zāi))的情況，詳細(xì)闡述了絕緣層損壞、熱效應(yīng)以及大負(fù)載、大電流對(duì)電纜短路的影響及后果，對(duì)飛機(jī)電纜的故障診斷與定位提供理論依據(jù)，為預(yù)測(cè)非顯性的故障隱患、電纜的電氣環(huán)境優(yōu)化等提供了有力支撐。

最后通過暫態(tài)分析初步計(jì)算過載電流值，并通過Matlab對(duì)熱累積功率、接觸電阻、電纜電流與過載時(shí)間關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)合故障實(shí)物照片驗(yàn)證了所提出的理論分析和仿真的正確性和有效性。針對(duì)飛機(jī)電纜的特殊性，提出了飛機(jī)電纜故障的預(yù)防和改善措施，進(jìn)而減小電纜故障率，降低維護(hù)成本，大幅度增加飛機(jī)安全性和可靠性。