(1.航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610092；2.電子科技大學機械與電氣工程學院，四川 成都 611731)

0 引 言

隨著航空航天飛機的機載成品數量集成度越來越高，對機上供電電能質量、用電、配電的要求也變得更加嚴格[1]。電纜從駕駛艙覆蓋到機尾，并用于連接機上各用電設備，其質量可達機載電子設備和電氣設備總質量的60%，是飛機傳遞動力電源的重要裝置[2-4]。

由于飛機線路的復雜，對電纜的故障定位變得至關重要。目前在航空航天和電力電子領域故障檢測方法包括時域反射法(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通用流程：生成定義的波形，記錄反射/入射脈沖，最后分析結果。然而上述方法無法判斷電纜故障的根本原因。文獻[9]利用ANSYS 軟件分析了截面、電流對截面溫度場分布及線纜中不同層導線間的熱接觸傳熱影響，但是卻未考慮絕緣層以及負載突變對線路的影響。

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

1 飛機發(fā)電系統(tǒng)飛機電纜基本屬性原理

1.1 飛機電纜的結構組成和種類用途

飛機常用線束包括總線、高溫電纜、常溫電纜和低溫電纜。除專用的總線外，電纜的結構均如圖1所示，主要包括芯線、絕緣層和防護套。

圖1 典型的飛機電纜結構

在對飛機電纜進行設計或選型時，需考慮電纜受傳遞功率、傳遞距離、敷設方法和路徑環(huán)境的影響，綜合分析電纜橫截面積、體積、重量和經濟性[10]。

飛機電纜芯線的材質通常選取銅或鋁，而銅較鋁電阻率更低，導電性和延展性更好，基本適用于飛機各系統(tǒng)導電性能指標要求。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。在具體選材時還需考慮安裝艙內環(huán)境、電纜功能的影響，如柔軟性、耐熱性、耐燃性等。電纜的防護套通常選用防波套、膠管、塑料管等，以起到不同的保護作用。

1.2 飛機電纜故障類型

飛機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傳遞中斷和傳遞不正確主要原因[11]。

飛機電纜故障嚴重影響用電設備的工作性能，危及飛機的飛行安全。飛機系統(tǒng)涉及種類繁多，相互關聯(lián)性強，導致電纜故障原因錯綜復雜。下面主要針對短路故障進行詳盡的梳理和分析。

2 飛機電纜短路機理分析

飛機電纜短路通常發(fā)生在設備/負載端、電纜插頭座的連接處(接觸偶)等。通常在設備/產品端發(fā)生短路時，斷路器、繼電器等可有效切除故障部分，阻止危害進一步擴散。而在電纜連接點，即電纜與電纜插頭座連接處，電纜與成品/設備插頭座連接處出現(xiàn)短路時，通常未加入直接快速保護的措施，易導致供電中斷、設備/負載受損，嚴重時更可能發(fā)生火災等事故。綜上所述，飛機出現(xiàn)電纜短路原因可分為：

1)飛機電纜發(fā)生短路(但未發(fā)生火災)，影響設備成品或飛機正常運作，此時觸發(fā)短路部分的斷路器，短路故障停止；

2)飛機電纜短路并引起火災，除了需要及時切掉故障部件，還需滅火；

3)密閉艙出現(xiàn)火災，引起電纜短路。

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

2.1 火災發(fā)生時短路根因分析

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

火燒熔痕和短路熔痕存在差異性，可做火災引起短路或短路引起火災的初步判據[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，可采用金相法做進一步的驗證性分析[13]。通過找尋電纜短路熔珠，結合火燒熔痕的金相顯微組織特性，可準確判斷火災引起短路或短路引起火災。

以上表明，當發(fā)生火災情況時，若是火災引起電纜短路故障，應著重從電纜相關系統(tǒng)或成品設備去分析；若是電纜短路引起火災，可與未發(fā)生火災時，電纜短路引起飛機故障一同分析。下面將著重分析電纜短路發(fā)生的原理(未發(fā)生火災或火災原因判定為電纜短路時均適用)。

2.2 絕緣層損壞導致電纜短路

圖2所示為飛機正常運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載供電，電源/設備的地線(GND)分布式的與機殼相連。圖中A、B、C代表三相115 V交流電，AC Power代表交流電源，Load代表負載端。

圖2 典型飛機交流電源關聯(lián)電纜連接

2.2.1 物理特性影響

圖3為飛機頻繁振動后，絕緣層損壞導致芯線之間形成短路回路的示意圖。特殊用途電纜雖然會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 電纜連接點的絕緣層出現(xiàn)物理損壞后示意

2.2.2 熱效應累積造成絕緣層損壞

電纜發(fā)熱功率Q可按式(1)進行計算：

Q=I2Rt

(1)

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

實際飛機運行過程中，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)電纜長時間工作，散熱性能降低，Qstd進一步降低。

3)電纜長時間，時間增加，導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，導致穩(wěn)態(tài)臨界溫度值逐漸降低；長時間工作后電纜的發(fā)熱功率產生的熱累積，最終超過臨界值。

當電源所產生的熱量來不及散發(fā)就會在一處堆積(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，絕緣開始熔化進而發(fā)生短路，短路后電流又將增大，進入惡性循環(huán)直至燒斷電纜。

2.3 接觸電阻影響供電特性

電纜的頻繁震動會出現(xiàn)以下3種情形：

1)接頭松動，導致電纜虛接，在連接點的載流量大大下降，當電纜流過的電流大于其連接點的安全載流量時，即會發(fā)熱；

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

3)接觸電阻突然增大，會在連接點處產生壓降，在該點處就會做功，且該點產生功率逐漸增大現(xiàn)象，也會產生大量熱量。

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

2.4 過載、負載短路對電纜影響

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

2.4.1 負載單相接地短路

電力電纜在實際運行中，除了要通過連續(xù)額定的載流量以外，還需承受短時過載和短路電流。如圖4所示，負載輸入端單相接地短路故障，則會反應到一相供電電纜發(fā)生故障，其他兩相供電電纜就必須在短時內承擔較大的負載，導致電纜在極短時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，針對過載問題，需要確定過載時間和過載電流值間關系。

圖4 負載單相接地短路

2.4.2 負載相間短路

如圖5所示，與負載單相短路類似，如果負載AB相發(fā)生相間短路，則會造成短時內C相需要承受大功率電流，過大電流則會在接觸偶上產生熱效應積累，嚴重時還會熔斷插頭座，甚至發(fā)生火災。

圖5 負載供電端相間短路

3 暫態(tài)分析、仿真分析與案例驗證

3.1 暫態(tài)分析

當電路發(fā)生短時過載時，過載溫度可比額定最高溫度再高10～15 ℃。過載是隨時間變化的，但其熱場為暫態(tài)熱場。飛機在空中飛行時，飛機電纜敷設于艙內，且周圍成品工作時還會不斷散發(fā)熱量，導致電纜周圍環(huán)境溫度高于機外空氣溫度，為簡化分析，假設短時過載時電纜周圍環(huán)境溫度不變。

熱流W一部分為散入周圍煤質空氣中的W′，另一部分為為導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，J/m2；A為散熱面積；θ、θa分別為導體和周圍煤質溫度；QT為熱容系數。

由式(2)可得：

(3)

式中，C為積分常數。

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；實漸近線為兩根曲線的變化率。

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

圖7 裸電線發(fā)熱、冷卻曲線

對于低壓電纜，介質損耗可忽略不計，溫升僅與負載電流的平方成正比，故可據式(4)得到初載為0時的電流。

(4)

式中：IN為長期允許的負載電流；IP為過載電流；τ為時間常數；QT為等效熱容；QC為導電線芯熱容；TT為等效熱阻。

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

(5)

式中，負載系數x滿足x=I1/IN。

額定電纜IN亦可根據允許短時過載溫度確定，從而求出過載電流。

短時過載電流允許倍數為

(6)

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

根據以上分析，結合實際的電纜材質以及環(huán)境特性，可估計電纜工作特性以及過載電流值。

3.2 仿真分析

將利用Matlab對電纜電流、電阻、時間與發(fā)熱功率關系進行分析，為便于分析，熔化絕緣層的熱平衡溫度Tmax對應熱功率近似為Qmax。

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

圖8 某負載發(fā)生短路時的一種電流特性

圖8中在t=0～120 s，負載正常運行，電流達到4 A；在t=120～240 s發(fā)生短路時，電流隨時間增加而不斷增大；在t=240 s時，故障負載被飛機保護系統(tǒng)檢測出，并作出保護動作；在t=240～245 s內，接頭承受短時的大電流。

圖9 負載短路時，電纜熱累積曲線中接頭功率、時間與電流關系

圖9中，右側溫度表表示各范圍的熱功率?？梢钥闯觯糌撦dQmax<5×104J，則在故障負載安全切除后，電纜仍處于安全范圍內；而當載Qmax>5×104J，但故障負載還未切除，電纜已承擔最大安全電流(由熱功率和溫度等效的電流)，則電纜發(fā)生絕緣損壞，進而可能導致接觸偶(供電端)相間短路，導致發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障，嚴重時還會發(fā)生火災等。

圖10為電阻長時間虛接狀態(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)內波動，即I為4～8 A。

圖10 電阻虛接時接觸偶電阻變化曲線

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

圖11 電阻虛接時，熱累積曲線熱量、電流與過程時間關系曲線

圖12為電纜發(fā)熱功率、時間、接觸電阻之間的關系圖。在電阻虛接情況下，隨時間增加接觸電阻大幅度增加。可以看出，若接觸偶處Qmax<7×104J時安全切除電纜，則電纜仍處于安全范圍內；而當載Qmax>7×104J，故障還未切除，電纜已承擔最大熱功率，則電纜發(fā)生絕緣損壞，進而熔化電纜或直接造成接觸偶相間短路，導致發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障，甚至發(fā)生火災。

圖12 電阻虛接時，熱累積曲線熱量、接觸電阻與過程時間關系

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

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

3.3 飛機電纜故障的預防和改善

電纜故障在整個飛機生命周期中時常發(fā)生，提出4個方面的建議以優(yōu)化電纜維護和保養(yǎng)，降低飛機維修成本，改善飛機整體性能。

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

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

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

4)對特殊電纜和關鍵、重要設備應選取更加適應惡劣環(huán)境影響的電纜，周期性檢查對環(huán)境影響敏感的電纜，及時發(fā)現(xiàn)、更換故障電纜，避免電纜故障造成飛機飛行安全事故。

4 結 語

首先簡述了飛機電纜的基本屬性，包括飛機電纜的結構組成和種類用途，進一步分析了電纜的載流量、電壓降、絕緣材料、質量和強度和特種用途對電纜性能的影響。

然后針對短路引起火災事故，或電纜短路(未發(fā)生火災)的情況，詳細闡述了絕緣層損壞、熱效應以及大負載、大電流對電纜短路的影響及后果，對飛機電纜的故障診斷與定位提供理論依據，為預測非顯性的故障隱患、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)分析初步計算過載電流值，并通過Matlab對熱累積功率、接觸電阻、電纜電流與過載時間關系進行分析，結合故障實物照片驗證了所提出的理論分析和仿真的正確性和有效性。針對飛機電纜的特殊性，提出了飛機電纜故障的預防和改善措施，進而減小電纜故障率，降低維護成本，大幅度增加飛機安全性和可靠性。