張元峰 ， 張秋生 ， 于春風 ， 劉治國

（1. 海軍航空大學 青島校區(qū)，山東 青島 266041；2. 92635部隊，山東 青島 266041）

0 引言

航空接觸器具有電路通斷控制功能，主要用于控制交流、直流主電路或大容量電路通斷的控制開關，其可靠性直接決定控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。三相交流接觸器觸頭磨損嚴重是造成其失效的主要原因[1-3]。其失效機理有很多，其中非常重要的一個方面就是三相觸頭不同步，即三相觸頭不能同時斷開或閉合，會導致各相觸頭磨損不均勻，使壽命下降。同時，觸頭不同步還會造成供電網絡三相電源不均衡，造成發(fā)電機保護，影響電網負載設備的正常工作；另一方面，某些航空電氣設備啟動工作中產生的浪涌電流產生的高溫會加速交流接觸器觸頭熔焊趨勢，進一步導致接觸器觸頭失效[4-9]。如果接觸器的動作時間不符合要求，電路長期出現異常浪涌電流，將對整個自動控制系統(tǒng)產生致命性的破壞。

姬華等[10]通過試驗驗證和分析手段研究了觸頭彈跳、線圈參數以及電工純鐵材料性能等因素對交流接觸器吸合時間的影響，提出通過優(yōu)化觸頭彈簧參數、嚴格控制接觸器觸頭的彈簧力、優(yōu)化調整產品線圈參數以及使用高牌號的電工純鐵等措施，降低交流接觸器的吸合時間，使產品的吸合特性更佳。但是，對交流接觸器多路觸頭之間的不同步性指標并未研究。孫凱革等[11]對航空三相交流接觸器因長期大負載工作引起觸頭發(fā)生熔焊的機理和失效原因進行研究，并從產品維護和可修復性的角度，提出基于各接觸器的實際狀態(tài)，結合飛機大修，采取打磨、拋光觸頭的方法，減小觸頭接觸電阻，抑制觸頭磨損擴大趨勢，突破接觸器修理技術瓶頸。鄭淑梅等[12]針對電弧電流對交流接觸器觸頭的侵蝕這一最主要因素，提出交流接觸器電壽命分布特征的數學模型，解釋了實際使用中交流接觸器電壽命呈現出的分散性。于春風等[13]通過設計航空直流接觸器檢測試驗條件及檢測電路對接觸器開展自然環(huán)境試驗，表明當前因飛機航空接觸器故障而影響飛機電氣系統(tǒng)正常工作的危險性故障有很多，而地面維護人員缺乏相應的理論研究思路和試驗檢測手段，給接觸器的維護和使用帶來了極大的挑戰(zhàn)，是目前急需解決的一大技術難題。

本研究針對飛機泵站航空交流接觸器工作不穩(wěn)定引發(fā)的飛機發(fā)電機斷電故障，開展航空交流接觸器觸頭動作特性的退化現象與機理分析，揭示觸頭動作不同步使接觸器觸頭磨損及浪涌電流使接觸器觸頭產生熔焊故障的機理，為接觸器保護電路設計及改進相應維護手段提供借鑒。

1 故障情況

1.1 故障現象

根據飛行員觀察，飛機在著陸瞬間出現“右發(fā)電機斷開”及“非并聯工作故障”燈亮的故障。斷開右發(fā)電機重新接通后，一切恢復正常。因為飛機著陸瞬間會接通泵站工作，所以反映該現象以后，地面維護人員檢查泵站所在線路，發(fā)現泵站自動保護開關均無異常現象。該飛機再次飛行后，發(fā)動機進入自動狀態(tài)，發(fā)現“輔助液壓故障”燈亮，輔助液壓壓力表無指示，停車后檢查發(fā)現泵站自保電門斷開?！拜o助液壓故障”燈亮是因為泵站無法工作而引起。

1.2 地面復現試驗

圖1為飛機泵站供電線路簡圖。在地面，將斷開的泵站自保電門接通，脫開泵站輸入線路，接通泵站電源，用萬用表檢查泵站自保電門端、泵站接觸器端以及泵站輸入端電壓，均符合規(guī)定要求。重新接通泵站通電檢查，當地面交流電源通電接通泵站時，泵站工作聲音不正常。地面接通泵站時泵站工作情況會出現以下幾種情況：1）接通泵站自動保護開關，泵站工作不正常，持續(xù)5 s不正常工作以后，人為斷開泵站自動保護開關；2）接通泵站自動保護開關，泵站工作不正常，約2 s后自動轉為正常工作；3）隨著通電次數頻繁，后續(xù)接通泵站時，泵站工作不正常約3 s，泵站自動保護電門自動斷開。在泵站工作不正常時用萬用表測泵站接觸器，有一路相電壓達200 V左右（正常為115 V），此時泵站工作不正常且有白煙產生，而自保開關不能斷開，立即人為斷開泵站自保電門，未能完成對該接觸器的三路測量。

圖1 泵站供電線路簡圖Fig.1 Power supply line diagram of pump station

更換泵站接觸器，地面反復通電檢查泵站工作情況，發(fā)現情況正常，沒有再出現過右發(fā)斷開故障。將拆下的泵站接觸器用外加27 V電源反復通電接通10余次，發(fā)現其中一路觸頭在接觸器接通狀態(tài)下接觸電阻較其他觸頭明顯變大，最后變化為兆歐級別。

1.3 故障原因分析

根據地面檢查情況，初步判斷右發(fā)電機在飛機著陸瞬間斷開的原因是泵站接觸器工作性能不穩(wěn)定，造成接通泵站的瞬間泵站所接的電網工作電壓不穩(wěn)定、過載，某一相電壓過大，從而導致發(fā)電機控制保護裝置斷開右發(fā)輸出。通過查看右發(fā)電機斷開現象架次的飛行參數，顯示有4次右發(fā)電機輸出斷開時飛機交流電源系統(tǒng)AB線電壓187 V，BC線電壓208 V，時間段長達4 s，而正常應為200 V，說明此時飛機交流電網系統(tǒng)確實受到干擾。

1.4 故障后果分析

該故障為飛機電源用戶設備（泵站線路接觸器）非正常工作導致三相電源不均衡，而該泵站自動保護開關不能及時斷開泵站工作，而使得電網三相電不均衡，進一步影響右發(fā)電機輸出不均衡，導致在飛機著陸過程中右發(fā)電機斷開。此時，右發(fā)電機控制保護器斷開右發(fā)電機輸出，進行對發(fā)電機的保護。并且兩路電網并聯斷開，從而保護機上電網不受影響。如果此時發(fā)電機并聯工作不能及時斷開，將影響右發(fā)電機斷開輸出，這樣左右發(fā)電機都沒有輸出，后果將不堪設想。要對接觸器失效機理進行分析，需要對故障接觸器進行較完整的檢測，找到問題根源的同時，提出相應的維護解決措施，使故障從根本上杜絕，避免飛機電網系統(tǒng)再次出現故障，危及飛行安全。

2 電氣性能測試與分析

2.1 測試電路搭建

航空接觸器動作時間測試電路如圖2所示。1/2、3/4、5/6是三相接觸器三路常開觸頭，示波器Ch1、Ch2、 Ch3通道分別測量三路常開觸頭的電壓，Ch4通道測量直流接觸器線圈電壓。通斷控制器可實現接觸器按照規(guī)定時間連續(xù)通斷，其基本原理為Jt1、Jt2電子時間繼電器互鎖控制，也可以用可編程控制器（PLC）實現。具體測量實物如圖3所示。

圖2 航空三相交流接觸器同步性測試電路Fig.2 Synchronization test circuit of aviation three-phase AC contactor

圖3 航空交流接觸器同步性測試實物Fig.3 Real objects for synchronization test of aviation AC contactor

2.2 動作時間測試

打開圖2中的供電開關。當線圈通電，接觸器吸合。在接觸器吸合瞬間，示波器Ch4通道顯示接觸線圈電壓波形，Ch1、Ch2和Ch3通道分別顯示1/2、3/4和5/6三路常開觸頭的電壓波形（圖4a）。利用示波器光標，讀出接觸器線圈通電瞬間電壓波形與各路觸頭接通瞬間電壓波形間隔時間，即為各路常開觸頭吸合時間。根據圖4所示的電壓波形，5/6觸頭未檢測到電壓，說明5/6觸頭不導通。這與前述故障分析中其中一路觸頭在接觸器接通狀態(tài)下接觸電阻較其他觸頭明顯變大，最后變化為兆歐級別的檢查結果相符。同時，根據各路觸頭波形波動讀出觸頭彈跳時間。

圖4 航空接觸器觸頭吸合、釋放動作電壓波形Fig.4 Voltage waveform of pull-in and release action of aviation contactor contact

斷開圖2中的供電開關。當線圈斷電，接觸器釋放。在接觸器釋放瞬間，示波器Ch4通道顯示接觸線圈電壓波形，Ch1、Ch2和Ch3通道分別顯示三路常開觸頭的電壓波形（圖4b）。利用示波器光標，讀出接觸器線圈斷電瞬間電壓波形與觸頭斷電瞬間電壓波形間隔時間，即為常開觸頭釋放時間。根據圖4b所示電壓波形，觸頭釋放瞬間，線圈產生較大的反電勢。5/6觸頭由于吸合未導通，未測量到釋放動作時間。最后，得到測量數據如表1所示。

表1 航空接觸器動作時間測試結果Table 1 Action time test results of aviation contactorms

2.3 電氣性能測試結果分析

根據表1可知，除了吸合彈跳時間外，動作時間均超過2 ms。根據GJB 1461A—2017含可靠性指標的電磁繼電器總規(guī)范，對于電氣設備中使用的主觸頭額定電流為5 A（阻性）和5 A以上（其輔助觸頭的額定電流可以低于5 A）的電磁繼電器（含接觸器），具有多觸頭組的產品。各觸頭組吸合和釋放時間差值對于觸頭額定值不大于15 A的產品不應超過1 ms，對于觸頭額定值大于15 A的產品不應超過2 ms。因此，故障接觸器同步性不符合標準要求。此外，交流接觸器5/6觸頭出現不動作現象導致電能不能傳輸到負載端。

3 金相檢測與分析

為了給接觸器工作失效分析提供佐證，對航空交流故障接觸器進行金相檢測?，F將原機故障件和一個同型號正常接觸器進行拆解，通過體式顯微鏡和掃描電鏡，對比觀察2臺接觸器的動、靜觸頭宏觀和微觀形貌。

3.1 宏觀檢查

對2臺接觸器進行拆解，拆開后的交流接觸器動、靜觸頭結構無明顯差異。故障件觸頭形貌見圖5，故障件和正常件觸頭的宏觀形貌見圖6。

圖5 故障件觸頭分布Fig.5 Contact distribution of the faulty contactor

圖6 故障件和正常件觸頭宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of the contacts of the faulty and normal contactor

通過宏觀形貌觀察可以發(fā)現，2臺接觸器全部的動、靜觸頭均表面凹凸不平，可見觸頭燒蝕的現象，并在觸頭周圍形成黑色印跡。其中失效接觸器（故障件）可見觸頭材料由動觸頭向靜觸頭的轉移，觸頭輪廓不規(guī)則，5#、6#觸頭情況最嚴重，與前述5/6觸頭檢測不動作的結果一致。未失效接觸器（正常件）沒有發(fā)現明顯的觸頭材料轉移跡象。

3.2 微觀觀察

由于未對接觸器進行物理破壞，所以僅對2臺接觸器的動觸頭進行微觀形貌觀察。故障件1#～4#觸頭形貌相近，如圖7、圖8所示?？梢娪|頭表面存在熔融形貌，高倍下可見熔融區(qū)域微小附著物，觸頭輪廓區(qū)域存在少量金屬熔融噴濺形貌。

圖7 故障件1#動觸頭微觀形貌Fig.7 Micro morphology of 1# moving contact of the faulty contactor

圖8 故障件3#動觸頭微觀形貌Fig.8 Micro morphology of 3# moving contact of the faulty contactor

5#故障件整體形貌見圖9。觸頭表面反復的熔融堆積，并存在微裂紋，觸頭輪廓區(qū)域存在大量金屬熔融噴濺形貌，輪廓不清晰。正常件觸頭形貌與故障件形貌相近，1#～6#故障件觸頭均可見金屬熔融形貌，熔融區(qū)域可見微小附著物，存在熔融噴濺區(qū)。

圖9 故障件5#動觸頭微觀形貌Fig.9 Micro morphology of 5# moving contact of the faulty contactor

3.3 金相檢測結果分析

對送檢的2臺接觸器的觸頭進行宏觀、微觀觀察，經對比發(fā)現，2臺接觸器全部動、靜觸頭宏觀觀察表面形貌凹凸不平，觸頭燒蝕并積碳；微觀觀察觸頭表面存在熔融形貌，熔融區(qū)域可見微小附著物，存在熔融噴濺區(qū)。此外，故障件觸頭可見明顯的材料遷移現象（觸頭材料由動觸頭向靜觸頭轉移），觸頭輪廓不規(guī)則；其中故障件 5#、6#觸頭情況最嚴重，觸頭表面反復的熔融堆積，并存在微裂紋，觸頭邊緣因存在大量金屬熔融噴濺形貌，而輪廓不清晰。

根據金相結果分析，結合該型接觸器在飛機使用的實際工況判斷，該型接觸器所接工作電路中，泵啟動會產生浪涌電流，使觸點產生瞬間高溫，加速觸點軟化融化。伴隨接觸器使用時間延長，觸點表面形貌逐步劣化（熔融凝固產生表面凹凸不平、碎屑、孔洞、裂紋、觸點材料遷移等），不僅導致接觸器綜合性能下降，還會導致接觸器的耐線路系統(tǒng)過載能力不足等問題。

4 綜合原因分析

通過以上電氣性能及金相檢測分析結果推斷，對于該故障接觸器：一方面，在泵站接通的瞬間，浪涌電流使得泵站所接電網工作偶發(fā)相間電壓不穩(wěn)定，使接觸器過載使用；另一方面，長期存在的浪涌電流使得該接觸器觸點經常處于高溫狀態(tài)，從而加速觸點老化進程，在超壽命使用的情形下，造成該接觸器耐過載能力下降，因而無法承受上述過載工作，導致接觸器失效。因此，在接觸器設計端，應設計電流尖峰以抑制電路減弱啟動浪涌電流對觸頭的熔焊腐蝕；在維護端，應對接觸器開展定期檢測維護，并將接觸器列為有壽件進行控制；同時在機載設備故障診斷和健康管理端，對接觸器狀態(tài)參數開展狀態(tài)監(jiān)測。

5 結論

1）接觸器觸頭同步時間超過2 ms的標準要求，接觸器泵類負載長期啟動產生的浪涌電流是導致接觸器耐線路系統(tǒng)過載能力不足的重要原因。

2）在設計中應盡量減弱泵類負載啟動浪涌電流對觸頭電燒蝕的危害。