于向陽(yáng) 姚凌虹 于守淼 于春風(fēng) 郝世勇 唐 婷

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266000）

1 引言

電氣線路作為傳輸和配送電能及控制信號(hào)的載體，是保證電力系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。隨著機(jī)載系統(tǒng)電氣設(shè)備安裝密度的不斷增加，導(dǎo)線以不同的敷設(shè)方式在各隔框、艙段間穿梭，在熱應(yīng)力過(guò)于集中的部位，加速熱老化，不可避免地造成了絕緣等性能顯著下降，如表面“硬脆”、機(jī)械強(qiáng)度下降及介電性能下降等，最終造成故障頻發(fā)。

目前，涉及電氣線路性能的研究主要集中在更具經(jīng)濟(jì)意義的絕緣性能老化及剩余壽命研究等方向，因不同產(chǎn)品絕緣材料的差異性，往往在裝機(jī)前開展有針對(duì)性的型號(hào)試驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)還沒有適用性較為廣泛的性能試驗(yàn)研究體系；裝機(jī)后的敷設(shè)方式、環(huán)境等因素也是影響其性能的重要因素，對(duì)于因敷設(shè)環(huán)境、方式不同而引起的故障，往往是在系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，沿著敷設(shè)路徑針對(duì)絕緣層進(jìn)行離線人工目視檢，受人員維護(hù)經(jīng)驗(yàn)、檢測(cè)設(shè)備的限制，故障不易探查，給飛機(jī)線路的日常維護(hù)帶來(lái)了極大的困難。

隨著紅外熱像技術(shù)的不斷發(fā)展提高，特別是熱像儀精度的提高，可以通過(guò)熱成像精確地讀出所檢測(cè)部位的溫度分布，通過(guò)對(duì)紅外特征的分析、比對(duì)等，直接判斷設(shè)備內(nèi)部工作情況及其完好性；加之體積小、效率高、適合大面積在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，其在線路的的檢測(cè)以及故障診斷中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用［1～4］。

海軍工程大學(xué)的孫豐瑞教授、楊立教授等人對(duì)紅外技術(shù)是否具備對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障診斷的能力及對(duì)其產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行了深入研究，制定了紅外技術(shù)對(duì)故障診斷能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)其影響因素之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了深入研究。認(rèn)為利用紅外技術(shù)對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障診斷的核心是準(zhǔn)確獲取被測(cè)設(shè)備的溫度分布狀態(tài)以及故障點(diǎn)的溫度或溫升值，此數(shù)值不僅能比較直觀判斷設(shè)備是否有存在故障，而且也是判別故障原因、影響因素以及故障程度的重要依據(jù)［5～8］。

本文針對(duì)飛機(jī)導(dǎo)線實(shí)際敷設(shè)方式，設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；在一定工作狀態(tài)下針對(duì)導(dǎo)線的不同敷設(shè)方式開展實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)紅外熱像儀對(duì)選取部位進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，分析其溫度場(chǎng)紅外特征，提取其特征參數(shù)，并對(duì)典型部位進(jìn)行在線數(shù)據(jù)分析與處理，對(duì)其在線診斷及預(yù)防進(jìn)行有益探索。

2 飛機(jī)線路熱狀態(tài)模型

2.1 物理模型

機(jī)載電路網(wǎng)中的導(dǎo)線及電接觸，在走勢(shì)路徑上一般在一定電流下運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生一定熱效應(yīng)。在飛機(jī)導(dǎo)線的實(shí)際工作過(guò)程中，導(dǎo)線往往捆扎成束并以不同的敷設(shè)方式安裝在狹窄的隔框內(nèi)，導(dǎo)線工作的熱狀態(tài)“因地制宜”。導(dǎo)線內(nèi)芯導(dǎo)體通過(guò)絕緣材料、線束包裹、敷設(shè)路徑向外傳遞熱量，如圖1等值熱路圖所示，其溫度通常高于環(huán)境溫度，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的達(dá)到熱平衡，其穩(wěn)定溫度與電流、散熱條件等參數(shù)有關(guān)。

圖1 等值熱路圖

T1、T2、T3分別表示的是經(jīng)過(guò)絕緣層、線束、敷設(shè)方式后的實(shí)測(cè)溫度；c1、c2、c3分別表示絕緣層、線束、敷設(shè)方式的影響系數(shù)；當(dāng)穩(wěn)定溫度值一定時(shí)，為導(dǎo)線的在特定線束、敷設(shè)方式下的允許溫度值，一定截面積的導(dǎo)線就最多只能通過(guò)某一定數(shù)值的電流，這個(gè)電流值就是導(dǎo)線的實(shí)際允許工作電流值，其應(yīng)等于或略大于系統(tǒng)電路的工作電流值，這樣，既可以防止導(dǎo)線過(guò)熱損壞，又可以避免用線徑較粗的導(dǎo)線去承擔(dān)小電流，以均衡其經(jīng)濟(jì)性與安全性。

2.2 數(shù)學(xué)模型

考慮到飛機(jī)線路的實(shí)際工作情況，導(dǎo)線工作的熱狀態(tài)并不穩(wěn)定而且受多種因素共同影響，難以進(jìn)行精確的計(jì)算，只能近似取值。通常導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量大部分（80%～90%）以對(duì)流方式散去；剩下的熱量幾乎全部由輻射方式散去。

忽略溫度對(duì)導(dǎo)體直流電阻的影響，當(dāng)有電流I通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，就有電能轉(zhuǎn)換為熱能。按照焦耳定律，在時(shí)間dt內(nèi)電流I所產(chǎn)生的熱量為

式中Q發(fā)為發(fā)熱量（焦耳）；I為負(fù)載電流（安）；R為導(dǎo)線電阻（歐姆）；

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間dt所產(chǎn)生的熱量一部分用于使導(dǎo)線加熱，其值為GCdθ；另一部分以熱的形式散熱到周圍介質(zhì)中，其值為

式中G為導(dǎo)線重量；C為比熱容；θ0為導(dǎo)線周圍介質(zhì)溫度；θ-θ0為導(dǎo)線的溫升；S散為導(dǎo)線散熱表面積；K為散熱系數(shù)。

導(dǎo)線在發(fā)熱過(guò)程中的熱平衡方程式為

解此微分方程，可以得到通解：

微分方程的特解為

導(dǎo)線的額定溫度值可以由導(dǎo)線的額定電流密度計(jì)算求解。導(dǎo)線的額定溫度由絕緣材料的物質(zhì)特性，包括散熱面積、散熱系數(shù)等確定。同時(shí)，導(dǎo)線的敷設(shè)方式、外界環(huán)境等也是影響導(dǎo)線額定溫度值的重要因素。在實(shí)際工作中，導(dǎo)線的額定穩(wěn)定溫度值更多的需要由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。紅外熱像技術(shù)利用紅外輻射效應(yīng)，對(duì)被測(cè)量部位進(jìn)行紅外輻射的測(cè)量，得到被測(cè)量部位的實(shí)際表面溫度，由此對(duì)其熱狀態(tài)及工作情況進(jìn)行確定。

3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案的選取應(yīng)考慮測(cè)量電路、測(cè)量?jī)x器等實(shí)施的有效性，同時(shí)測(cè)量點(diǎn)的選擇應(yīng)考慮機(jī)載電氣線路敷設(shè)的實(shí)際；針對(duì)機(jī)載電氣線路易于產(chǎn)生局部熱應(yīng)力的敷設(shè)方式，試驗(yàn)分別從匯線、余量處理、線路防護(hù)、走勢(shì)等方面選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，適當(dāng)配置外部參數(shù)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.1 外部參數(shù)的設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量?jī)x器為紅外熱像儀，型號(hào)為FLUKETi400，測(cè)量精度±2℃或2%。發(fā)射率為ε=0.9，環(huán)境溫度t0=15℃～19℃，空氣濕度50%，室內(nèi)不考慮太陽(yáng)輻射、風(fēng)力等外界環(huán)境因素影響；試驗(yàn)樣品選取0.75mm銅芯聚氯乙烯高溫導(dǎo)線，其額定耐壓值450/750V，電阻約為0.01Ω/m，外接額定工作電壓27.5V；鑒于機(jī)上用電設(shè)備工作電流在5A～7A范圍內(nèi)為數(shù)較多，通常不超過(guò)10A，實(shí)驗(yàn)中工作電流（施加應(yīng)力）由功率滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)，具體給定值見表1。

3.2 測(cè)量點(diǎn)的選取

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量點(diǎn)的選取，應(yīng)考慮機(jī)載電氣線路敷設(shè)的實(shí)際，能夠反映被測(cè)量點(diǎn)熱狀態(tài)特征的同時(shí)，便于進(jìn)行熱特征參數(shù)的獲取；相鄰測(cè)量點(diǎn)之間應(yīng)保持一定的間隔，以減少紅外輻射及外界環(huán)境熱條件的影響；將測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)“熱”因子的靈敏度作為選取測(cè)量點(diǎn)的重要參考依據(jù)，若某一測(cè)量點(diǎn)其相對(duì)靈敏度較高，說(shuō)明該測(cè)量點(diǎn)能夠顯著反映導(dǎo)線敷設(shè)的實(shí)際工作狀態(tài)。

表1 不同狀態(tài)下的工作電流（施壓應(yīng)力）

綜合考慮機(jī)載電氣線路的實(shí)際敷設(shè)情況以及對(duì)測(cè)量點(diǎn)的要求，本實(shí)驗(yàn)選取了4種匯線方式、3種余量處理方式、2種防護(hù)方式及6種不同走勢(shì)進(jìn)行具體分析，具體情況如表2。

3.3 實(shí)驗(yàn)流程

考慮到紅外熱成像儀本身長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生的熱輻射對(duì)試驗(yàn)線路的影響，實(shí)驗(yàn)中以20min為間隔進(jìn)行一次采集，得到實(shí)驗(yàn)樣本圖像；考慮到飛行任務(wù)的實(shí)際情況，連續(xù)通電時(shí)間一般為2h，具體流程見圖2。

表2 實(shí)驗(yàn)中的敷設(shè)方式

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

4 紅外特征分析

4.1 溫度場(chǎng)內(nèi)溫度峰值

應(yīng)用紅外熱像技術(shù)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，由于被測(cè)對(duì)象在測(cè)量窗口內(nèi)覆蓋率有限，最小值一般為背景溫度，平均值需要濾去背景溫度，而最高溫度為被測(cè)導(dǎo)線束實(shí)際溫度，為時(shí)間和狀態(tài)的因變量，以測(cè)量窗口內(nèi)的溫度場(chǎng)的最高溫度為特征參數(shù)具有可行性，能夠反映被測(cè)導(dǎo)線的熱應(yīng)力與敷設(shè)特征［9～12］，如圖3（a）、（b）、（c）為典型部位的紅外熱像圖，最高溫度、最低溫度及平均溫度的差異性較為明顯。

圖3 紅外熱成像圖

圖4 ～圖10比較了窗口內(nèi)溫度場(chǎng)不同余量處理方式的最高溫度值（峰值）在不同工作狀態(tài)，隨采集時(shí)間的變化情況。

當(dāng)I=0.5A，各測(cè)量點(diǎn)在t1～t7時(shí)刻，其最高溫度值隨時(shí)間推移走勢(shì)基本一致，呈緩慢上升趨勢(shì)且溫差不超過(guò)1℃。t4為測(cè)量拐點(diǎn)，在時(shí)間點(diǎn)t1～t4時(shí)刻之間測(cè)量點(diǎn)溫度上升速度相對(duì)較快，；t4～t5時(shí)刻后溫度開始趨于穩(wěn)定，t1與t7時(shí)刻間各測(cè)量點(diǎn)溫差近3℃。

圖4 I=0.5A不同余量處理方式溫度比較

圖5 I=1.5A不同余量處理方式溫度比較

當(dāng)I=1.5A，與I=0.5A相比，各測(cè)量點(diǎn)在t5時(shí)刻后有小幅度的上升趨勢(shì)，t1與t7時(shí)刻間各溫差略高近1.5℃。

圖6 I=2.7A，不同余量處理方式溫度比較

圖7 I=3.5A，不同余量處理方式溫度比較

當(dāng)I=2.7A，各測(cè)量點(diǎn)溫度迅速上升，經(jīng)過(guò)t3時(shí)刻，各測(cè)量點(diǎn)趨于穩(wěn)定溫度明顯前移；隨著通電時(shí)間的增加，各測(cè)量點(diǎn)整體趨勢(shì)開始出現(xiàn)一定溫差，測(cè)量點(diǎn)6溫度明顯偏高，和其他測(cè)量點(diǎn)相比，最大溫差不超過(guò)3℃。

當(dāng)I=3.5A，與I=2.7A相比，各測(cè)量點(diǎn)趨于穩(wěn)定溫度進(jìn)一步前移，經(jīng)過(guò)t2時(shí)刻，各測(cè)量點(diǎn)溫度開始趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定溫度明顯偏高，測(cè)量點(diǎn)6的趨于穩(wěn)定的溫度在27℃左右；測(cè)量點(diǎn)5在t4附近有小幅度波動(dòng)。

圖8 I=4.4A不同余量處理方式溫度比較

圖9 I=5.5A不同余量處理方式溫度比較

I=4.4A，經(jīng)過(guò)t2時(shí)刻，除測(cè)量點(diǎn)5外，各測(cè)量點(diǎn)溫度迅速上升且趨于穩(wěn)定。測(cè)量點(diǎn)6的溫度偏高，測(cè)量點(diǎn)7、13的溫度偏低且基本一致。t3～t4時(shí)刻，測(cè)量點(diǎn)5溫度有所上升，在t4時(shí)刻后達(dá)到穩(wěn)定趨勢(shì)。

圖10 I=8.8A不同余量處理方式溫度比較

I=5.5A，經(jīng)過(guò)t2時(shí)刻，各測(cè)量點(diǎn)溫度迅速上升且趨于穩(wěn)定。測(cè)量點(diǎn)6的溫度偏高在t5時(shí)刻略有下降，測(cè)量點(diǎn)5、7、13溫度變化趨勢(shì)已基本一致，最高穩(wěn)定溫度已超過(guò)40℃。

I=8.8A，各測(cè)量點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定基本在t2時(shí)刻。各測(cè)量點(diǎn)的穩(wěn)定溫度差值明顯，測(cè)量點(diǎn)6的溫度仍然最高，且最高溫度值已達(dá)60℃以上。測(cè)量點(diǎn)6在t4時(shí)刻溫度有小幅波動(dòng)。

圖4～圖10，各測(cè)量點(diǎn)的溫度趨于穩(wěn)定的拐點(diǎn)由t4逐漸提前到t2，穩(wěn)定溫度也由20℃提高至60℃，測(cè)量點(diǎn)6、7、13為同一線束路徑上的不同部位，其余量處理方式，特別是線束彎曲內(nèi)徑存在一定差異，測(cè)量點(diǎn)6的溫度較高，測(cè)量點(diǎn)7、13溫度較為一致，不同的余量處理方式對(duì)熱應(yīng)力的敏感性不同。

測(cè)量點(diǎn)5、7的線束重疊部分長(zhǎng)度一致，測(cè)量點(diǎn)5處采用“八字結(jié)”法進(jìn)行余量處理，熱應(yīng)力比較分散；測(cè)量點(diǎn)6為“小余量線圈法”處理，熱應(yīng)力比較集中，散熱區(qū)域相較于5較小。測(cè)量點(diǎn)7做了捆扎處理，而測(cè)量點(diǎn)13未作捆扎處理，溫度顯示基本一致。測(cè)量點(diǎn)6、7重疊面積基本一致，盡管測(cè)量點(diǎn)6彎曲內(nèi)徑較大，但溫度顯示測(cè)量點(diǎn)6遠(yuǎn)高于測(cè)量點(diǎn)7，測(cè)量點(diǎn)6的余量處理方式更容易造成熱力集中；線束的彎曲內(nèi)徑及其余量處理方式對(duì)熱應(yīng)力的作用效果較為明顯，是導(dǎo)線溫升的重要影響因素。

4.2 相對(duì)穩(wěn)定溫升

圖11 不同狀態(tài)下相對(duì)穩(wěn)定溫升比較

各測(cè)量點(diǎn)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，最高溫度趨于穩(wěn)定，選取測(cè)量點(diǎn)5、11、13在不同狀態(tài)下的相對(duì)穩(wěn)定溫升值進(jìn)行比較分析，即取趨于穩(wěn)定的最高溫度值與初始最高溫度值作差值，記為相對(duì)穩(wěn)定溫升ΔT穩(wěn)定，ΔT穩(wěn)定=Tmax-T0，（Tmax，某狀態(tài)趨于穩(wěn)定的最高溫度值；T0，某狀態(tài)初始時(shí)刻最高溫度值），如圖11所示。狀態(tài)5是曲線變化的拐點(diǎn)，狀態(tài)5之前，各測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定溫升隨著熱應(yīng)力的增加，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，基本趨于穩(wěn)定；狀態(tài)3與狀態(tài)5之間（給定電流值2.7≤I≤4.4時(shí)），測(cè)量點(diǎn)5、11的相對(duì)穩(wěn)定溫升有小幅波動(dòng)，應(yīng)該為測(cè)量點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定溫升的鍛煉期；經(jīng)過(guò)狀態(tài)5之后（給定電流值I＞4.4時(shí)），測(cè)量點(diǎn)隨熱應(yīng)力的增大較為敏感，呈增大趨勢(shì)，測(cè)量點(diǎn)5相對(duì)穩(wěn)定溫度值最高。不同的工作電流下，各敷設(shè)方式對(duì)熱應(yīng)力的耐熱能力和敏感性具有一定大差異性。

5 在線診斷方法

以圖3（a）～圖3（b）的熱成像圖中色點(diǎn)為原始圖，取點(diǎn)250*400繪制三維圖像。如圖12～圖14所示，分別給出了成束導(dǎo)線扭絞與小彎曲半徑（小余量處理）、靠近接線端匯線、余量處理等敷設(shè)方式的三維數(shù)值模擬圖像，與原始的熱成像圖相比，三維模擬圖對(duì)熱力特征描述較為細(xì)致。

圖12，在溫度場(chǎng)分布中溫度波峰、波谷值沿導(dǎo)線走勢(shì)交替出現(xiàn)，并以一定角度呈波浪式前進(jìn)，小彎曲半徑在靠近弧形最頂端出現(xiàn)最高溫度。

圖12 扭絞與小彎曲半徑數(shù)值模擬圖

圖13 ，靠近接線端處明顯呈樹枝形狀分布，等溫線收縮界限較為清晰，從接線端處開始沿其走勢(shì)溫度明顯呈上升趨勢(shì)，在匯線部位溫度偏高，最高溫度為匯線部位接近匯線端處。

圖13 靠近接線端匯線部位數(shù)值模擬圖

圖14 余量處理部位數(shù)值模擬圖

圖14 ，大余量處理其線束重疊處溫度明前偏高，在小半徑彎曲處，由于較匯線處分散，其溫度相對(duì)較低，最高溫度為其匯線重疊處。

數(shù)值模擬結(jié)果很好展現(xiàn)了敷設(shè)部位的實(shí)際形態(tài)，與熱成像圖結(jié)果吻合較好，且溫度層次清晰，較好地反映其溫度分布特征。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了通過(guò)紅外熱像技術(shù)分析機(jī)載電氣線路敷設(shè)故障信息的方法。在不同工作電流作用下，對(duì)線路進(jìn)行通電實(shí)驗(yàn)，通過(guò)紅外熱像儀對(duì)熱應(yīng)力較為集中的部位提取“熱”信息，將溫度場(chǎng)內(nèi)的最高溫度及相對(duì)穩(wěn)定溫升作為特征參數(shù)，不同的敷設(shè)方式對(duì)熱因子的敏感性存在一定的差異性，其較好地反映了敷設(shè)部位的故障隱患及嚴(yán)重程度；對(duì)典型部位進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠展現(xiàn)敷設(shè)部位的故障細(xì)節(jié)，進(jìn)一步驗(yàn)證了在線診斷方法的可行性。