航空电气电弧、短路危害及保护研究

曹涛

(中国商用飞机有限责任公司 上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引 言

1998年9月2日凌晨，一架隶属瑞士航空，编号HB-IWF的MD-11三发宽体客机，在坠入大西洋后解体，全机229人无一生还。经过长时间的调查，最终确认此次空难是由电弧引发的非阻燃材料燃烧引起的火灾导致的[1]。2001年4月25日，加拿大航空公司一架DC-9客机从美国达拉斯市起飞，飞往加拿大多伦多市，飞机起飞后一个半小时，机尾盥洗室由于线路短路起火，引发严重的客舱火灾，造成23名乘客死亡的惨剧[2]。一次次惨痛的空难事件，使得航空电气电弧、短路危害及保护的研究显得非常重要。

国内外已进行了大量航空电气电弧、短路的研究，但是大多都是有关理论方法和软件仿真方面的研究。薛沛祥等[3]、王莉等[4]利用MATLAB软件进行了电气电弧的研究；吕明等[5]、侯福生等[6]研究了电气线路中电弧产生的原因和防护方法；杨军等[7]对电弧的数学模型——黑盒模型和磁流体力学模型进行了研究，选取简化的Schavemaker模型进行分析。有些学者在试验室采用电弧发生装置来研究电弧检测和电弧特性，例如，王禹等[8]在试验室搭建了电弧发生装置进行电弧研究。

本文通过试验室搭建民用飞机115 V/400 Hz三相交流电气线路，这种线路在民用飞机上属于典型线路，采用试验法对飞机电气电弧、短路故障现象进行验证，分析传统热断路器(Thermal Circuit Breaker，简称TCB)的工作特性，确认电气电弧、短路故障对电气线路和设备产生的危害程度；同时，探索更好的电气电弧、短路保护方法。

1 电弧、电路原理及分类

电弧是一种气体放电现象，表现为电流通过某些绝缘介质(如空气)所产生的瞬间火花。按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。电弧具有能量集中、温度高、亮度大的特点，是一种具有强光和高温的电游离现象[4]。民用飞机线束的电弧通常发生在导线之间或导线与金属结构之间，属于并联电弧，释放出的能量巨大，超过5 500 ℃，可能引起导线绝缘层破裂碳化，形成导电通道，使金属导体过热从而引发火灾[9]。

按照故障电弧产生的位置可分为两类：串型电弧和并行电弧，如图1所示。串型故障电弧是由电极之间的松弛连接或接触不良造成的。串型电弧一般发生在连接插件或串连负载连接处，腐蚀氧化、连接损坏、电缆绝缘劣化、内部金属导体断裂等都可能引起串型故障电弧。并型故障电弧发生在相线与中线或相线与相线之间，由导体绝缘破坏等原因引起，是两导线之间短路或导线与结构之间的瞬时短路，是一种短路电弧[8]。

(a) 串型电弧 (b) 并型电弧

图1 电弧故障类型

Fig.1 Types of arc fault

在航空电气系统中，比如打孔形成的金属碎屑绑扎在了线缆中，飞机长时间的飞行振动，金属碎屑会对线缆产生磨损，造成导线之间产生并行短路电弧。如果这种短路现象持续存在，就形成短路。本文研究的就是飞机上这种因金属多余物引起的三相交流电路任意两相线路分别产生短路电弧和短路，对线路、设备和结构产生的损坏。从而寻找新的技术，对线路中的电弧、短路进行保护。

2 航空电气电弧、短路特性试验

目前绝大部分民用飞机使用的是三相交流115 V/400 Hz恒频电或三相交流115 V/360～800 Hz变频电。本文试验采用115 V/400 Hz恒频地面电源，地面电源功率120 kVA。

2.1 试验平台搭建

试验搭建民用飞机典型的三相交流电路，采用115 V/400 Hz、120 kVA恒频地面电源，馈电线通过传统的热断路器(50 A)连接到交流接触器，在交流接触器的任意两相间，通过金属导体进行短接，表征民用飞机金属多余物产生的电弧、短路现象，验证热断路器的保护能力，以及观察电弧、短路产生的危害。搭建试验平台，如图2所示。

图2 三相交流电路电弧、短路试验平台

2.2 模拟电弧试验

模拟电弧试验，断路器输出端的电压变化如图3所示，可以看出：电弧产生时电压下降到约70 V。

断路器输入端的电流变化如图4所示(试验时测试系统电流单位未更改，故显示的单位为Volts，实际为电流A)，可以看出：电弧产生时，电流激增至约2 400 A；电弧产生时间约30 ms，由于时间过短，热断路器无法产生保护，断路器未跳开。

图3 断路器输出端电压(模拟电弧试验)

图4 断路器输入端电流(模拟电弧试验)

2.3 模拟短路试验

模拟短路试验，断路器输出端的电压变化如图5所示，可以看出：短路产生时电压下降至约106 V。

断路器输入端的电流变化如图6所示，可以看出：短路产生时电流激增至约2 600 A；短路时间约220 ms，短路时间足够长，触发了热断路器的保护功能，断路器跳开保护。

图5 断路器输出端电压(模拟短路试验)

图6 断路器输入端电流(模拟短路试验)

3 热断路器电路中的电弧、短路保护分析

热断路器电路中的电弧、短路试验已进行多次，结果分析如表1所示。热断路器的安/秒特性曲线如图7所示，由于热断路器安/秒特性曲线并没有给出0.1～0.5 ms之间的曲线，根据热断路器安/秒特性曲线趋势，对其进行适当的延伸。

表1 电弧、短路试验数据对比分析

图7 热断路器安/秒特性曲线

4 电弧、短路对线路、设备的危害

4.1 电弧危害

将金属导体作为多余物，缓慢地靠近短路点(如图2所示)。金属多余物接近短路点，导致相间短路，产生电弧。在电弧中心产生高温，引起局部空气体积快速膨胀，将金属导体冲走，并同时形成爆破音，熔融的液态金属也会因局部气体快速膨胀而飞溅。连续进行5次电弧故障试验，断路器均未跳开，如表1所示。

通过5次电弧试验可以看出：每次电弧短路的时间虽然较短，但是多次的电弧短路故障已经对接触器与接触器座的连接点产生了损伤。如果持续的电弧放电，必然造成接触器的损坏。

4.2 短路危害

为了触发短路，将金属导体卡在短路点，然后接通地面电源，连续进行3次触发短路故障试验，每次断路器均跳开，如表1所示。在此过程中，故障点短路产生局部高温，导致接触器壳体、绝缘底座等受损，附近相关导线绝缘层以及接线端子绝缘保护套受损碳化。

通过电弧危害和短路危害的对比可以看出：在并型电弧中，电弧其实是一种时间更短的短路现象。而电气短路时间较电弧长，产生的热量大，可以瞬间将接触器损坏。

如何通过新的技术和方法，在电弧发生时就进行检测和保护，对航空电气线路设计至关重要。

5 电弧检测和保护方法

近年来，有学者提出在固态功率控制器(Solid State Power Controller,简称SSPC)中集成电弧检测功能的想法[10-11]，即把继电器、断路器和电弧故障断路器三种飞机配电系统中常用装置集成于一体。一方面可以节约空间，减轻重量，另一方面也便于配电系统的集中管理，同时设备数量的减少也有利于提高配电系统的可靠性和稳定性。因此，为了全面提高航空电气系统的安全性，对具有电弧检测功能的SSPC进行研究具有重要意义[12]。根据美国故障电弧断路器安全标准UL1699，在400 Hz航空交流线路中，当电弧故障断路器在100 ms内察觉到8个半周的故障电弧时，断路器需要执行脱扣动作，切断电路[13]。

5.1 时域检测方法

时域检测方法通过监测电弧电压与电流波形实现。由于电弧电流波形畸变，可以选取电弧电流的平均值或者峰值作为特征值进行比较[14-15]；发生直流电弧故障时，可用分流器测得电弧电流突变的特性[16]。刘天宇[17]选取的电弧检测判据为电流变化率判据与电流峰值判据，每检测到一次电弧事件时，检测结果输出高电平，如图8所示。本文在软件设计程序中加入负载切换防止误动作的程序，以增强电弧检测功能的抗干扰能力。

图8 时域检测法电弧检测实验结果

5.2 频域检测方法

频域检测方法通过分析电压电流谐波含量实现，最常用的是傅里叶变换。一个典型的故障电弧电流与正常电流的FFT分析结果如图9所示[17]，可以看出：故障电弧电流直流分量与谐波含量明显高于正常电流，且基波含量有所下降。

(a) 正常电流波形

(b) 故障电流波形

(c) 正常电流频谱

(d) 故障电流频谱

5.3 时-频域检测方法

时-频域检测方法通过小波变换研究电弧电压、电流的瞬态特性，实现对故障电弧的检测。小波变换能同时兼顾信号在时域与频域的信息，如图10所示[18]。

图10 电弧电流db3小波3层分解结果

6 结 论

(1) 通过试验室试验，验证机上金属多余物引起的电弧故障，表明传统热断路器不能实现电气电弧故障的保护。如果电气电弧进一步发展为短路，传统热断路器可以起到保护作用。如果一直处于电气电弧故障状态，将对飞机线路和设备产生不可控的危害。

(2) 即使发生几次电气电弧故障，就能对设备产生损坏，现有的时域检测方法、频域检测方法、时-频域检测方法，都采用100 ms内8个半周的故障电弧检测控制，这时对线路及电气设备都已产生不可恢复的损坏。如果发生在燃油箱等危险区域，将对飞机产生灾难级的危害。因此必须更早地发现电弧并对其进行保护隔离。

(3) 通过电弧、短路试验，在民用飞机配电及线路设计时，一定要做好相间隔离保护，防止电弧、短路对线路和设备的损坏。