航空线缆电弧故障引发电气火灾研究综述*

刘苏德 王子昕 靖子洋 施大伟 吴淑群

(南京航空航天大学自动化学院 南京 211106)

1 引言

电弧引燃线缆是导致航空、航天、铁路、地铁等领域发生电气火灾的主要原因之一。飞机中线缆故障引发的故障电弧通常伴随着高温与强闪光现象，当电弧接触到电缆的绝缘层或护套时，由于能量释放导致表面温度升高，可能会形成线缆碳化路径，极易引发线缆着火。同时，飞机上座椅垫、防滑垫、安全带、地毯、餐桌旅客携带的行李、衣物等均是易燃物，油箱等重要设备是易爆品，这些都增加了飞机火灾的风险。航空线缆电弧引发电气火灾相较于其他领域火灾具有危害大、空间受限、工作环境严苛等特点。航空电气系统涉及大量线缆和设备的连接，且航空行业对安全性的要求非常高，电弧引发的火灾故障可能会导致飞机的严重损失和人员伤亡；在飞机中，航空线缆通常布置在狭小的空间内，使得线缆维护和检修工作变得困难。此外，航空环境的特殊性导致飞机线缆暴露在复杂的工作环境中，包括高温、高湿、高海拔等极端条件，以及力学应力和振动等因素。这些条件使得电缆绝缘层容易受到损伤和老化，增加了电弧火灾的风险。

为了解决线缆电弧火灾问题，20 世纪90 年代，KONIG 等[1-2]对航空系统中的电弧现象、发展历史以及试验方法进行了综述研究；毕妍等[3]针对线缆电弧引发电气火灾现象，综述了民用设备电弧成因以及线缆电路保护设备；BABRAUSKAS[4]综述了电气火灾产生的主要原因，指出了线缆安全问题的重要性；FURSE 团队从电弧故障检测角度出发，总结了过去的航空线缆故障方法的局限性，并进行了一系列研究，提出采用扩展时域反射计方法对飞机间歇性电弧进行定位[5-6]。以上工作仅专注于线缆电弧及其故障检测技术，随着时间的推移，航空电气火灾的预警与防火同样引起了许多学者的关注。张丹等[7-8]就飞机电气火灾预警问题总结综述了飞机火灾探测技术；王凯[9]结合飞机火灾特点，介绍了飞机火灾预防及扑救对策；胡煌华等[10]根据飞机不同防火区域特点，介绍了现代民用飞机防火系统的组成和功能。虽然目前关于线缆电弧故障研究以及航空电气火灾及预防的工作较多，为现代飞机防火系统总体设计提供了指导性帮助[7]，但是对于以电弧作为火源引发航空线缆电气火灾的工作则较为匮乏。由于多电及全电飞机已成为未来飞机发展的主要趋势，且飞机电气火灾发生往往会带来巨大的损失，本文针对飞机线缆电弧引发火灾的潜在风险，调查了 1996—2017 年间已公开的飞机电气火灾事故，总结了由线缆电弧引发电气火灾的原因，将航空领域的线缆电弧引发火灾机理、航空线缆火灾预警和飞机防火措施的相关研究整合起来，形成一个完整的问题概述，以期为航空领域电气化交通的安全可靠工作提供更为全面的建议和帮助。

2 航空线缆电弧火灾原因分析

随着飞机上用电设备和航空线缆的增多，航空线缆电气系统和消防系统的安全可靠运行变得越来越重要。飞机火灾具有扑救难度大、火灾燃烧剧烈、疏散困难、人员伤亡大等特点，往往会造成巨大的人员伤亡和经济损失。本文统计了Eurocontrol(欧洲空中航行安全组织)公布的自1996 年至2017 年直接由航空电缆电弧引起的飞机电气火灾事故，并对事故原因进行了分析，结果如表1 所示，可以看出航空线缆电弧火灾事故发生的直接原因主要包括绝缘失效、布线不当。在这20 年里，事故的平均发生频率为每16 个月一次，其中布线不当是导致火灾的最常见原因，共发生11 次事故，占比为73.2%；而绝缘失效导致电弧火灾的事故发生了4 起。这些事故发生在不同国家生产的不同机型的飞机上，造成了重大伤亡和财产损失。如何保证多电及全电飞机安全可靠运行是当前航空领域亟待解决的问题之一。通过对飞机线缆电弧火灾事故的原因进行分析和总结，有助于采取有效的控制和预防措施，确保飞机的安全运行和乘客的安全。

表1 飞机线缆电弧火灾事故及直接原因

2.1 由绝缘失效引发的电气火灾

电弧引燃线缆是航空电缆电气火灾的一个主要原因，而绝缘失效则是引发电弧的重要因素。航空线缆结构示意图如图1 所示。典型航空线缆由导体、绝缘层、屏蔽层、护套构成。导体一般包括镀锡铜导体、镀银铜导体、镀镍铜导体或各种铜合金材料。屏蔽层主要采用镀锡铜线、镀银铜线、镀镍铜线或各种铜合金材料通过编织或者绕包的方法实现屏蔽。此外，航空线缆还包括只有导体加绝缘层的单层结构，可以降低成本和重量，以及屏蔽层介于导体和绝缘层之间，从而避免在导体与绝缘层之间发生局部场强集中的结构。

航空线缆早期采用橡胶、腊克、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA)、硅胶、聚酰亚胺(PI)作为绝缘材料[11]。为了解决航空线缆绝缘失效问题，国外学者从20 世纪60 年代开始了一系列对线缆绝缘材料的绝缘缺陷检测以及老化规律研究[12-13]，这为航空电缆绝缘研究提供了丰富的理论和试验数据。例如，MOFFAT 等[14]研究了航空线缆绝缘失效机理；SHULL 等[15]研究了有效评估线缆绝缘状态的方法，同时还有许多团队研究了对线缆绝缘老化进行寿命预测的方法[16-17]。随着航空电子设备的迅速发展和电子产品的广泛应用，航空电缆所面临的环境条件和使用要求越来越苛刻。因此，学者们开始探索采用新型材料来改善航空电缆绝缘的性能[18-19]。目前，一些新型材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)等，凭借良好的绝缘、力学性能，被广泛应用于航空电缆的绝缘中[20-21]。航空线缆绝缘层主要包括PTFE 和FEP等材料，而护套层的绝缘材料主要是FEP、ETFE、PTFE 等，目前航空航天用军标线缆的规范及特征如表2 所示[22]，然而，随着航空电力系统不断发展，电压等级的提高对绝缘性能提出了更高要求。根据美国Astronics AES 公司估算，到2030 年，多电飞机交流电压可达3 kV 以上[23]。随着高电压、大容量设备的使用，目前广泛使用的航空线缆将无法满足其对绝缘性能的更高要求。

绝缘失效条件取决于许多因素，包括环境、电气网络、电缆设计和老化参数。在飞机服役期间，航空线缆绝缘层不可避免地会遭受环境中各种因素的影响，如力学应力、温度、湿度等。同时，水分和污染物等因素可能渗透到电缆绝缘层中，形成导电通道，进而导致电弧火灾的发生。在高温、高湿、高海拔等环境下，线缆表面水分和污染物的影响会更加明显，增加了电弧火灾的风险[24]。在评估航空电缆的绝缘状况时，通常采用具体的特征参数来衡量电缆的绝缘性能变化。通过在不同老化阶段观察这些特征参数的变化，可以分析出线缆的绝缘状况，甚至对其剩余寿命进行预测。检测手段包括阻抗谱法[15]、超声波法[25]、击穿电压法[26]等。然而，绝缘层老化是一个缓慢而持续的过程，无法通过目视检查轻易发现。而且，这种老化现象贯穿整个电缆的使用寿命。由于航空线缆铺设空间紧凑，检修工作难以全面细致进行，使得在飞机在役情况下难以准确检测绝缘层老化状态。传统方法都是采用人工对线缆性能进行检测。由于飞机上各类电缆数量庞大、操作时间长、操作环境受限、计算繁杂且需要人工记录，致使最终的检测结果缺乏客观性、及时性和准确性。为应对这些挑战，研究工作应该着重于开发更先进和自动化的检测技术。对于装备大量电缆的飞机而言，具有重要意义[27]。

线缆绝缘性能下降，漏电、电弧状况频发，进一步会导致火灾。1996 年，环球航空公司的一架飞机在飞行过程中线缆绝缘失效引发电弧，进而导致火灾，最终整机在空中爆炸解体。2004 年，法国一架Transall C-160 飞机在发动机起动后突然发生火灾，造成严重的损失。以上事件均是由所用线缆老化以及绝缘护套不可靠保护导致的电弧引发火灾。而2018 年，中国川航一架飞机在飞行过程中，由于风挡底部受外部水汽长期渗入，电源导线绝缘性能降低，最终出现持续电弧放电，虽然并未引发火灾，但电弧局部高温导致玻璃破碎，风挡最终从机身爆裂脱落。航空线缆绝缘层材料虽然更新换代，但由于电压等级的提高以及飞机飞行环境的特殊性，仍然存在线缆绝缘层受损和老化的问题。这些情况使得航空线缆电弧引发火灾的风险仍然存在，需要对电缆绝缘层材料和设计加以更为严格的把控和管理。同时，对于绝缘层材料的老化和损伤，需要寻找更有效的监测和检测方法，采取相应的预防措施，以确保航空电缆系统的安全运行。

2.2 由布线不当引发的电气火灾

电气线路互联系统(Electrical wiring interconnection system，EWIS)包括了飞机上所有电气和电子设备之间的所有连接和线缆，是由大量的电缆、连接器、终端、配线架和相关的组件所组成的复杂电气系统。波音787 电力系统线缆分布如图2 所示[28]。EWIS 出现以下问题均会给飞机安全运行带来巨大隐患：装配缺陷会导致线路连接不当或未正确保护，从而增加了短路和电弧故障的可能性；线缆附近的电介质放电和短路故障会增加电气火灾的风险；线缆本身的破损也可能导致短路和电弧故障，从而引发火灾；液体泄漏也是导致线缆破损的常见原因，其中液压油泄漏可能导致电缆绝缘材料老化和腐蚀，进而使线缆发射破裂；外部环境的影响也可能导致线缆破损，例如沙石、冰块和泥浆等物质的影响可能导致线缆的机械损伤，航空线缆破损图如图3 所示[29]，可能会导致电气火灾或其他严重事故。

图2 波音787 飞机电力系统示意图[28]

图3 航空线缆破损图[29]

以下案例为因EWIS 布线不当引起的事故案例，2006 年瑞士一架ATR42-300 飞机发生电气火灾，原因是由于EWIS 装配缺陷引起短路，产生的高温破坏了相邻线缆的绝缘；2009 年英国一架A319-100 飞机发生电气火灾，原因是由于布线不当导致电连接松动引起短路；2011 年，俄罗斯一架T-153 飞机坠毁，事故原因为电机布线出现错误，导致超过额定负载10～20 倍的电流，电弧引发火灾并迅速蔓延到主舱，飞机事故现场照片如图4 所示[30]；同年，埃及一架波音B777-299 飞机发生电气火灾，原因是由于布线不当使电缆电弧引燃了氧气供应管。2016 年，美国一架E190 飞机发生火灾，原因是由于布线不当使异物与线缆接触引起电弧。此外，本文还讨论了由于线缆破损而引起的事故案例。1996 年，美国环球航空TWA800 号班机发生事故，该飞机在飞行途中发生线缆电弧，导致燃油被点燃并引发爆炸，最终坠入纽约东莫里奇斯附近的海中。事后的调查报告表明，线缆绝缘层损坏是始发因素。1998 年，一架由联合航空公司运营的波音767-300 发生电气火灾，事故原因是电子设备舱中铝合金切屑对线缆造成了损坏。2002 年，一架波音B737-400 在飞行途中发生电气火灾，事故原因是由于线缆破损产生了电弧。2009 年，一架Flybe 航空公司注册号为G-JEDI 的飞机在飞行途中由于铆钉摩擦损坏了电缆，引发电气火灾并烧毁了邻近线缆。2012 年，一架美国的F-22 飞机在返回基地途中发生火灾，原因是一条破损的线缆产生电弧点燃了液压管道中的液体。2017 年，澳大利亚一架B773 飞机在飞行途中由于异物摩擦线缆破损引发电弧，最终导致电气火灾。

图4 飞机火灾事故照片[30]

EWIS 布线不当可能引发航空线缆火灾，这对于其安全性和可靠性而言是至关重要的考虑要素。在设计原则方面，必须遵循几个基本原则：① 可靠性原则要求航空电力系统在各种工况下都能够稳定运行。因此，布线系统需要被设计成能够适应各种异常情况，如电力波动、过载等，以确保系统能够持续稳定地工作；② 安全性原则是确保布线系统能够抵御电火花、短路、过载等故障，并减少火灾和其他风险的发生。为实现这一目标，需要采取适当的防护措施；③ 重要性原则强调了对于关键系统的电源冗余和备份。通过设计备用电源系统或采用冗余线路等方法，可确保在故障发生时系统能够持续运行，保证系统的连续性和可用性。在使用规范方面，遵循美国联邦航空局(FAA)和欧洲航空安全局(EASA)提出的严格要求。EWIS 设计应尽最大可能降低电线电缆线束保护材料同尖锐物发生摩擦的概率，保证在固定点单点失效后电线电缆或线束与尖锐物不会发生摩擦，并且不与导电体接触。在使用规范上，为避免飞机制造厂人员和维修人员不规范施工、线路改装或进行排故工作时出现问题，应该遵守航空当局制定的规范，对维修人员进行培训，严格控制施工标准和施工方式。目前大型民用飞机制造商中波音公司参照的是标准线路施工手册(Standard Wiring Practices Manual)，而空客公司主要参考电气标准施工手册(Electrical Standard Practices Manual)。此外，对于高风险情况，特别是涉及到高电压的情况，使用规范要求应当更加严格。这意味着在设计和施工过程中，必须遵循更加严格的标准，以确保系统能够满足线路施工标准的要求。而在布置方面，许多学者开展了相关研究，如针对飞机布线及互联失效的原因的分析研究[31]，以及用于评估EWIS 设计安全性的评估方法[32]。一些学者还提出了不同情况下飞机EWIS 安全布线方案，例如采用线束保护措施等使线缆不受电弧影响或控制电弧使其无法在短时间内扩散[31]以及对飞机不同位置使用不同的绝缘材料和电缆[33]。综上所述，为了确保航空线缆系统的安全性和可靠性，必须遵循可靠性、安全性和重要性原则，并遵守相关的规范要求。此外，持续的研究与创新也是提高EWIS 布线设计的关键，以应对不断变化的需求和风险[33-36]。

在介绍了由线缆电弧引起的飞机事故后，相关领域的研究者开始对线缆电弧引发火灾的机理进行深入研究。虽然目前有关航空线缆电弧引发火灾机理的研究已经取得了一定的进展，但是这个领域仍然存在诸多未知和挑战。因此，本文将系统地介绍目前线缆电弧引发火灾的机理研究现状，以期为该领域的研究提供有力的支撑。

3 航空线缆电弧引发电气火灾机理

飞机电弧故障是一个非线性时变过程，可以利用电弧故障的电压和电流波形提取其特征值或特征量。高压直流供电系统是多电/全电飞机机载供电系统发展的新方向，而功率变换器的应用会给飞机带来高频高压的新需求，因此飞机飞行过程中既有直流电弧又有交流电弧，典型交流电弧电压电流波形如图5 所示[37]，交流系统过零时电弧会短暂熄灭，但直流电弧相较于交流电弧，不存在“零休”现象，因此不容易熄灭，能量更大，危害也更大。由于航空配电系统中重量和空间有限，电磁干扰大，工作环境复杂，使得飞机运行过程中的电弧多为间歇性电弧，持续时间短，难以被检测[5]。自20 世纪70年代开始，航空线缆电弧问题一直备受关注。BABRAUSKAS[4]在其研究中指出导致航空线缆火灾发生的主要因素包括电弧故障、电缆线芯过热和外部加热，并分析了作为主要原因的电弧故障形成机理。KONIG 等[1]提出在进行航空线缆电弧试验时，应根据电弧的形成机理进行不同类型的试验。MECKLER[38]针对航空线缆电弧形成的环境和类型开展了研究。航空线缆电弧主要可以分为两种，一种是由于互联的裸露导体在分离时产生的电弧，电弧在电力系统出现的位置不同，特点也不同，串联电弧由线芯折断或接头处接触不良引起，发生时同负载一起串联在电路中，串联电弧的出现会减弱电路中的电流，不易被过流保护装置检测[39]，并联电弧通常发生于两根导线之间，或者是在接地回路的电路中，能量高，危害性大[31]；另一种是绝缘失效而形成的碳化路径电弧。线缆碳化路径的形成机理是多样的。一方面，被施加高压的绝缘层的电场强度会导致局部放电，长期积累会形成碳化路径；另一方面，绝缘层表面潮湿或受到污染物引起线缆表面泄漏电流，也会促进碳化路径的形成[24]。这些因素的共同作用，会导致碳化路径在线缆内部形成并扩大，最终导致电弧故障的发生。自从首次发现航空线缆碳化路径电弧故障以来，相关研究人员一直着手于提供解决方案来应对这种新的故障，包括修改电缆的设计和制造[24,40]以及开发测试方法[4,41]。

图5 典型飞机交流电弧电压电流波形[41]

常用航空线缆线芯材料的熔点通常小于1 000 ℃，而电弧温度可达数千甚至数万K。航空线缆火灾事故中出现的金属导体熔化现象大多是电弧所致。且电弧导致金属熔化并溅射出熔融物会加剧碳化路径上流过的电流，进一步产生电弧，并循环往复上述过程[42]。另一方面外部高温环境可导致线缆绝缘劣化，产生泄漏电流并逐渐引发电弧，若有机绝缘材料在火灾中熔化、脱落、燃烧，也会加剧电弧形成。电弧可以在几毫秒到几十毫秒内释放出大量热量，温度可达数千到上万摄氏度，有时伴随火花放电，最终会引发线缆着火或电气火灾。

为了解飞机电气火灾中的线缆引燃机理，有必要开展电缆燃烧试验，相关研究有助于理解线缆的点燃特性、烟气特性，揭示线缆火灾发生后的火焰蔓延和烟气扩散机制，为电气安全设计提供重要依据。电缆燃烧相关国际标准和国家标准如表3 所示[43]，相关研究近况如表4 所示[44]。

表3 电缆燃烧相关国际标准及国家标准[43]

表4 线缆引燃研究近况

这些团队的工作揭示了电力电缆燃烧的机理，而关于航空线缆燃烧的相关工作则较少，张政等[51]开展了航空线缆燃烧特性试验，包括使用锥形量热仪和氧指数分析仪对低压环境下航空电缆、普通电缆的对比试验，装置原理图如图6 所示。王志等[52]则对不同航空含氟树脂电缆开展了垂直燃烧试验，分析了不同线缆材料下火焰燃烧及蔓延特性，电缆的火垂直蔓延能力，取决于电缆受火焰冲击后线芯导体的裸露程度及碳化高度，FEP护套电缆的火蔓延能力更强，PTFE 护套电缆的工作失效更快。

图6 航空线缆引燃试验装置[51]

上述团队引燃航空线缆的火源均为辐射加热类火源，所用试验装置图如图7 所示，辐射加热类火源相较于一般化学燃烧火源，虽然不会在燃烧过程中引入其他化学物质，但以热辐射致使试样热解进而燃烧的引燃方式与实际线缆着火方式有较大差异。由于电弧放电截面小，能量密度高，且温度远远高于化学燃烧火源和辐射加热火源，现有线缆燃烧火源仍存在较大局限性，无法模拟电弧放电引燃线缆的过程。因此开展基于电弧放电的火源研究是十分必要的，但国内外相关研究十分匮乏，TAKENAKA 等[53]尝试通过使电缆线芯断开以及破裂的方式产生故障电弧以此模拟电缆火灾，但该火灾为电弧引燃电缆周围易燃物而非电缆自身起火。何婧宇等[54]则尝试通过人为制造电缆绝缘层缺陷并对电缆通电的方式产生电弧，但该试验电弧仅在电缆表面产生灼烧而未能成功引燃电缆，而LI 等[55]则采用雅各布天梯电弧火源进行了电力电缆燃烧试验，其试验装置如图8 所示，该装置能够顺利实现对电缆的可控引燃。电弧引燃线缆的过程可分为电弧点火、出现阴燃、出现明火、线缆燃烧四个步骤，引燃过程及温度分布如图9 所示。

图7 航空线缆垂直燃烧及火焰蔓延[47]

图8 电弧火源引燃线缆试验装置图[49]

图9 不同阶段电弧引燃线缆照片以及温度分布

综上所述，航空线缆间歇性电弧形成原因复杂，难以被检测，一旦发生后极易引起电气火灾。现有线缆着火的相关研究仍未完全揭示电弧引燃航空线缆的机理。这一过程涉及多种故障综合因素，各类故障相互诱发的机理及临界条件还有待进一步研究。为了在电弧故障早期排除线缆着火隐患，避免电气火灾，研究电弧火源引燃航空线缆机理是当前的重要挑战。

4 航空电气火灾预警

飞机防火的重要性不容忽视，这一点在1998年一起MD-11 型瑞士航空公司飞机坠毁事件中得到了极为惨痛的证实。该事件造成了巨大的人员伤亡和经济损失。事故的起因是客舱娱乐系统电力负荷过大，而飞机并未配备相应的防火措施，电弧发生时相关设备未能及时起到作用，导致了灾难性的后果。为了避免类似的事件再次发生，电弧火灾预警是一项关键的防火措施。由于航空线缆电弧故障多为间歇性电弧故障，而传统的断路器需要线路中足够的电流才能做出反应，无法探测到间歇性电弧故障。因此，飞机防火系统的开发和应用非常重要，有助于快速检测火情并实施相应的灭火举措，提高飞机的安全性和可靠性。针对飞机线缆电弧火灾的预警技术可分为火灾预警技术和电弧故障探测技术。

4.1 火灾探测技术

19 世纪末，英国学者成功设计出第一个点型感温探测器，推动了火灾探测技术的发展，点型感温探测器主要用于探测小范围区域内温度变化，包括热电偶式和双金属式探测器。此后一直到20 世纪40 年代，感温探测器一直占主导地位。20 世纪50年代，MEILI 等设计了离子式感烟探测器，它由粒子辐射源和电离室组成，通过检测烟雾进入电离室后空气电离变化情况来探测火情。然而，由于离子式探测器在生产和使用中会产生放射性物质，其使用已大大减少，目前只有少部分飞机在盥洗室中仍使用离子式感烟探测器。20 世纪90 年代开始出现了光电式感烟探测器，其原理图如图10 所示，光电感烟探测器是基于烟雾进入探测器后对光线的散射、折射原理设计的探测器。从20 世纪中期一直到20 世纪末期，感烟探测器一直占据主导地位，同时，火灾探测器也从一开始的点型发展为线型，火灾探测系统也由分立元件逐渐向多线制、总线制探测系统发展。从20 世纪末至今，随着电子、计算机、传感器技术的飞速发展，火灾探测技术也进入到一个全新的发展时代[56]。主要的探测器分类如图11所示。

图10 光电感烟式火灾探测器工作原理图

图11 火灾探测器分类

根据美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)的规定，飞机货舱火灾探测器必须在火灾发生后1 min 内探测到火灾，因此要求配备的火灾探测器具有足够的灵敏度。然而，高灵敏度也会带来虚警率过高的问题，因此，火警探测系统未来的发展目标应该是进一步缩短火警响应时间并减少虚警率。气动热敏探测器是一种现代国际上广泛应用的线型探测器，也称为“零虚警”探测器。该探测器不易受到湿热、振动和电磁干扰的影响，因此虚警率低。它的使用寿命已超过5 亿飞行小时[7]，然而，由于火灾初期阴燃燃烧，温度无法在短时间内升高，气动热敏火灾探测技术存在着探测滞后性的问题。为了解决这个问题，图像感烟探测技术被开发出来，图像感烟探测技术具有响应速度快、探测范围广、保护范围大等特点，适用于需要快速、低误报的封闭空间火灾探测，并逐渐在飞机火灾探测技术领域中得到应用。

除了上述的几种火灾探测方法之外，当前还有很多学者正在将火灾探测技术向多传感器、智能化的方向发展。基于多传感器火灾探测设备，可以准确地区分真假火源，响应速率更快，同时也能大幅度降低误报警率。例如，烟气复合火警探测器[57]，感温、感烟、CO 气体探测器[58]，四传感器火灾探测器[59]等，除了使用多传感器复合的方法外，火灾探测算法同样是现代火灾探测系统的重要组成部分。通过设计智能化算法，并利用神经网络技术来实现对火警信息的判断，能够较为有效地解决报警灵敏度和误报率之间的矛盾，并减少火警误报率。例如，使用多变量算法高效计算火灾概率[60-62]，建立神经网络将多火灾探测器结合构建新火灾探测系统[63-65]，利用智能算法对火源真假进行识别[66-68]。

目前柯林斯航空航天公司下的KIDDE 公司在飞机防火系统设计制造领域中具有一定的领先地位。该公司的Cabin/Lavatory Smoke Detection Model 3000 产品已经在波音B787 客舱/盥洗室中使用，采用了双波长技术，最大限度地减少了气溶胶引起的误报，并具备自校准功能。此外，SIEMENS 公司的FIRE DETECTOR OOHC941 产品也具备多光路设计、多传感器复合、智能探测算法等优点。这些新技术的应用，将为飞机防火系统的提升和发展带来更广阔的空间和可能性。两款产品如图12 所示[69-70]。

图12 火灾探测器产品

虽然目前火灾探测器较为成熟，相关产品也已投入到飞机使用中，然而，该方法是在电弧引发火灾之后生效预警，由于飞机交通客运、货物运输的特殊性，火情预警需要具备更高的及时性要求。

4.2 电弧故障探测技术

电弧故障探测技术是在电弧发生时就进行预警。以往的航空电力系统电弧故障检测方法包括视觉检查、阻抗测量、高电压测试、传感器法、反射计法等。随着人们对航空电力系统故障检测的关注，反射计法因其能够在带电线缆上使用逐渐成为主流线缆故障定位技术。反射计法根据入射信号类型分为时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、序列时域反射法(STDR)、扩展频谱时域反射法(SSTDR)等。21 世纪初，SMITH 等[5-6]对反射计法进行了大量的研究，不同电弧检测方法优缺点如表5 所示。TDR 使用高频脉冲信号作为输入，检测速度快，测量距离长，产品廉价、技术成熟，虽然在高阻性线缆中性能表现较差，但仍在离线定位技术中得到广泛应用[6]，其原理示意图如图13 所示。SSTDR 使用PN 码调制正弦波作为入射信号，能够对间歇性电弧进行定位，精度高，抗干扰性强[71]。

图13 STDR 电弧故障定位技术原理图

表5 不同电弧检测方法的比较[41]

当前，许多学者正在探索使用反射计方法制备新型探测器，以提高探测的精度和速度。时-频域反射计法是一种使用快速傅里叶变换以及小波变换的方法兼顾时域和频域的信息研究电弧电压、电流的瞬态特性，实现对故障电弧检测的方法，大大提高了检测效率[72-73]。混沌时域反射法则使用布尔混沌信号发送到线缆中，即可在不干扰正常通信信号情况下对电缆进行持续的在线检测，相较于STDR 和SSTDR 具有成本低、功耗小和易集成等优势[74]。高闯等[75]基于现场可编程门阵列(FPGA)以及SSTDR方法设计了一种飞机电缆故障在线监测装置，其板级速率可达500 MHz，电弧故障检测算法优化[76]以及与神经网络结合[77]的检测方法在近几年同样取得了较大的发展。近年来，还有许多学者提出将故障检测技术集成到飞机先进配电系统中，例如研发具有电弧检测功能的固态功率控制器(Solid-state power controller, SSPC)[77]。

由于国外对SSTDR 技术研究起步较早，已经广泛应用并研制相关产品，如伊顿(Eaton)、SIEMENS、SCHNEIDER、通用电气(GE)等跨国公司相继生产了较多电弧检测产品。LIVE WARE公司生产的SSTDR 集成芯片产品Spark ChaserⅡ，其诊断范围广，定位精度可达±1.5%，检测周期为10 ms。电缆故障检测技术正朝着高效、准确、智能化的方向不断发展。目前的线缆电弧故障定位技术中，基于反射计的方法发展已较为成熟，STDR 和SSTDR 方法凭借在带电导线上工作的优势，将会在实际应用中发挥更加重要的作用，为电力系统的稳定运行提供有力支撑，但由于在原理上加入伪噪声作为测试信号，会出现信号太强干扰线路中有用信息，信号弱又无法识别故障的问题。同时，电弧可能发生在未装有电弧检测装置的设备上，因此如何将电弧故障探测技术应用于复杂电缆网络上仍是一个迫切需要解决的问题。理想的电弧故障探测技术应该保证准确定位线路故障而不干扰原始信号的传输，保持数据采集和信号处理计算量不太大，能够应用于整个EWIS。

5 飞机灭火技术

据适航要求，货舱出现火情时，货舱通风会被切断，然后喷射灭火剂，使其至少达到5%的体积浓度，以确保整个货舱内的火焰能够迅速被熄灭，随后货舱内灭火剂需要持续保持至少3%的体积浓度，以抑制火焰直到飞机安全着陆。典型货舱灭火系统由防火控制盒、防火控制板、灭火瓶、连接阀、灭火管路和灭火喷嘴组成[78]，其示意图如图14 所示。这些系统的存在和使用大大提高了飞机货舱的灭火能力，并确保了乘客和机组人员的安全。

图14 典型飞机货舱灭火系统示意图[78]

5.1 灭火剂选用

哈龙1301(三氟一溴甲烷)和哈龙1211(二氟一氯一溴甲烷)因其高效的灭火能力、较低的毒性、良好的扩散性能和无残留的特点而备受推崇。然而由于哈龙灭火剂特殊的化学性质会对臭氧层造成危害，1994 年的蒙特利尔协议中，对哈龙型灭火剂的使用、运输、存储等都进行了严格的限制[79]。因此航空工业开始寻找各种可能使用的哈龙替代型灭火剂。目前哈龙替代灭火剂可分为气体类、超细干粉灭火剂(冷气溶胶灭火剂)以及细水雾灭火剂。宣扬等[80]对国内外各种哈龙替代灭火剂进行了详细调研，并从飞机适用性分析了不同灭火剂的特点。对于飞机发动机/APU 舱，空客公司重点关注了全氟己酮(Novec1230)灭火剂，但尚未解决低温下的雾化问题；FAA 推荐使用的CF3I 存在毒性的问题；超细干粉灭火剂释放后会残留，可能影响电子设备的使用。目前正在推广使用的新型灭火剂产品包括3M公司的Novec 649 灭火剂、Novec 1230 灭火剂[81-82]、以及F-500 micelle encapsulator[83]等。虽然替代哈龙的灭火剂已经有了很大的进步，但在实际应用中还存在一些问题和挑战。因此，需要更多的研究和实践来完善新型灭火剂的使用，同时也需要进一步加强灭火技术的研发和应用，以适应不断发展的航空工业的需求。

5.2 灭火剂浓度测量技术

当飞机灭火系统启动时，灭火剂将从喷嘴中喷射到空气中弥散。然而，由于喷嘴位置和灭火区域不同，空气流动的情况也不同，加上障碍物的存在，导致灭火剂在不同区域的浓度分布不同。只有当灭火剂浓度达到一定值，才能有效扑灭火灾。因此，灭火剂浓度分布是评估灭火系统有效性和设计合理性的重要指标。然而，由于国外长期对中国实施技术封锁政策，灭火剂浓度测量技术方面受到了影响。FAA 认证的设备只有Statham analyzer 和Halonyer两种。近年来，国内相关研究逐渐兴起，GUAN等[84]研发了压差法灭火剂浓度测量设备，实现了对哈龙1301 及其替代灭火剂七氟丙烷的浓度测量，YUAN 等[85]研发了基于红外吸收原理的灭火剂浓度测量系统。这些新技术的应用不仅能够提高灭火剂浓度测量的准确性和可靠性，同时也有望进一步推动灭火剂的研发和应用。

5.3 飞机灭火系统

飞机防火系统由防火控制器、火灾探测器和灭火系统组成[10]，飞机防火架构框图如图15 所示。提升灭火系统性能对于提升飞机总体的安全性具有积极意义。防火控制器能够实时监测火灾探测器的预警信号，并作出逻辑决断，而灭火控制板控制着各灭火子系统的工作[86]。根据飞机实际设计情况，可按照功能特点、人流量划分子防火区域，如表6所示[71]，不同防火区域的防火手段也不同。

图15 飞机防火架构框图

表6 飞机子防火区域类型

当前民用飞机的灭火系统存在以下问题和挑战。例如，在某些情况下，探测器的故障或误报可能会导致误判或误操作，进而影响灭火效果和飞机安全。此外，灭火系统在高海拔、极端气温等特殊环境下的可靠性和适应性也需要进一步加强和研究。对于灭火系统的研究，可以采用仿真软件模拟灭火系统性能或通过数学建模对灭火系统进行可靠性分析[87]。目前，民用飞机常采用将防火系统控制软件集成到航电综合计算机的机电综合控制方法，防火控制器接收到各探测器的报警和故障信号后进行逻辑判断，并自动控制灭火装置的工作[88]。在此基础上，还有必要加强对防火系统的维护和检测，及时发现和解决潜在问题，确保飞机防火系统的稳定性和持久性。

6 飞机火灾预防管理建议

在2015 年的一起事件中，美国DHC8-200 飞机发生了一起火灾，其起因是由于机组人员缺乏相关电气防火知识和培训，未能及时阻止火灾的发生。该火灾源于挡风玻璃接线板的问题，但其蔓延是由于机组人员无法处理该情况所导致的。这一案例引发了对于飞机火灾预防管理重要性的关注。为了确保飞机和乘客的安全，有必要采取一系列的预防措施和管理策略。以下是针对飞机火灾预防管理的建议。

(1) 完善飞机电气制造、安装规范。为了预防线缆破损引发的事故，航空工程师们需要仔细设计和布置电气系统，并采用高质量的线缆和绝缘材料。此外，定期维护和检查也非常重要，以确保线缆的完整性和可靠性。如果发现线缆破损或其他问题，必须立即进行维修或更换，以确保航空器的安全运行。从20 世纪末开始，学者们就开始探索电弧故障和电气火灾的关系[18]，进入21 世纪以来，国内外学者继续研究，并提出了有关飞机线缆选择、设计和布线方法的合理化建议[35]。随着EWIS 的重要性进入人们的视野，有关线缆电气火灾的流程文件应包含电气设计质量优化、强化接地系统，加强关键部位防范，提高电气施工质量、线缆设计规范等[89]。

(2) 完善应急管理制度提供全面培训。在发生飞机火灾时，缺乏科学合理的应急预案会导致火势加剧，造成严重损失，机组人员需要接受全面的培训，包括电气防火知识和紧急情况处理程序。他们应该熟悉飞机各个系统的潜在火灾风险，并熟悉正确操作灭火设备和应对火灾事件的方法。除了航空领域，其他领域也同样重视火灾应急管理。卢世敏[90]的统计表明，在66 起建筑电气火灾事故中，72.7%的事故存在突发状况处理不当的情况。因此应急预案的完善编制和实施至关重要。

(3) 强化飞机火灾救援能力。由于飞机的结构复杂，火灾救援相对于其他场所更加困难。为了应对不同区域的特点，王凯[9]详细总结了飞机灭火对策和救援方法。在飞机事故发生后，搜救进度的快速展开备受关注。为了应对这种情况，国外的一些学者开始重视对飞机救援和消防人员的培训[91]。提高救援速度，抢救被困幸存者仍然是最重要的问题。

7 关键技术与挑战

(1) 目前已有成熟的技术用于单根电缆的电弧故障预警，但在复杂电缆网络中的应用仍处于起步阶段。国外学者采用智能算法和反射法相结合的方法来定位电缆网络故障，但运算时间较长，无法实时在线定位。在一些电弧引发的飞机事故中，电弧可能发生在未装有电弧检测装置的设备上，因此如何将电弧预警技术应用于所有电气设备上仍是一个迫切需要解决的挑战。

(2) 结合电弧故障预警技术与新型电路保护装置，以提高航空电气系统的安全性。新型电路保护装置SSPC 具有许多优点，例如无机械损耗、高可靠性、低功耗和远程控制等，适用于航空航天应用。将电弧故障检测功能整合到SSPC 中，可以实现三位一体的电气系统保护装置，包括继电器、断路器和电弧故障断路器。这是提高航空电气系统安全性的重要举措，同时也是当前所面临的挑战。

(3) 寻找新的哈龙替代灭火剂。鉴于民用航空对安全和运营的特殊要求，相对于其他行业，寻找可替代哈龙1301 灭火剂的任务仍然是一个重要挑战。因此，需要对灭火效率、重量、喷雾性能以及清洁性等方面进行深入的研究。

(4) 精准火灾探测器研究。火灾预警技术的一个重要挑战是提高火灾探测器的灵敏度和降低误报率。目前，通过采用精准探测算法和多传感器融合等技术，可以有效地提高探测系统的精准性，实现真假火源的准确识别。未来进一步改进这些技术并设计新型精准火灾探测器，仍然是民用航空领域火灾预警技术的研究重点。

(5) 电弧火源引燃航空线缆机理研究。目前，航空领域火灾预防技术主要集中在火灾发生后的及时检测和灭火上，而对于火灾发生前的预警手段还处于起步阶段。因此，通过对电弧引发火灾机理的研究，探索引发火灾的关键因素，从根源上避免电气火灾，成为当前航空电气火灾安全研究的重要挑战。在这方面的研究中，需要进一步探究线缆电弧引发火灾的机理，了解电弧形成和扩散的过程、影响电弧发展的因素以及电弧引发火灾的关键因素。通过这些研究，可以为发展预防电气火灾的新技术和方法提供理论基础，有效提升航空电气火灾的安全性。

8 总结与展望

本文以飞机线缆电弧火灾事故为起点，分析了事故发生的原因，介绍了线缆电弧火灾发生的机理，并对常用的电弧故障检测措施以及防火措施进行了概述，提高了读者对电弧故障危害严重性的认识，加深了对飞机电弧火灾防护的理解。通过采取相应的防护措施，可以提高民用飞机的安全性。未来随着科技的不断进步，民用飞机线缆电弧火灾防护技术将会得到进一步的提高和发展。