航空线缆电弧故障引发电气火灾研究综述

航空线缆电弧故障引发电气火灾研究综述

逄一野 钟振杰

陕西飞机工业有限责任公司 陕西省汉中市723000

摘要：随着航空电气技术发展带动自动化水平的提高，机载电气设备数量和类型不断增加，配电系统容量提升，使得航空线缆数量大幅增多且线路结构更为复杂，航空设备的自动化水平、电源系统的容量都在不断提升，飞机也逐渐向多电全电化发展，更多的电气设备投入到使用中，飞机的性能得到大幅改善。但同时伴随着电缆数目的增多，狭小的配电系统布置着大量的线缆，航空系统又多处于振动、潮湿、高温等恶劣环境，很容易出现绝缘损坏而诱发电弧故障，从而导致火灾等危险事故的发生。因此，及时准确地检测出电弧故障至关重要。

关键词：航空；电弧；故障  

近年来，随着航空技术的迅速发展，飞机用电设备不断增多，配电系统用电量猛增，对航空电力系统要求也更高，其安全问题受到了更高的关注和重视。航空电缆复杂的工作环境加速了它的老化，振动、高温、线缆老化、连接松动等因素容易引发航空故障电弧。故障电弧能量高，危害大，它是引发飞机电气火灾的主要原因，严重影响着飞机的安全稳定运行，而现有的保护器件不对其起保护作用。因此，对航空故障电弧进行研究具有重要意义。

一、航空电弧故障分类

电弧是一种自持的气体放电现象，交流电弧具有周期熄灭与重燃的过程，在电弧燃烧时，温度迅速升高，两极间形成 5000~15000 ℃的等离子体。这将可能导致绝缘材料的损坏、碳化。对于航空系统而言，电弧故障重则造成机毁人亡的严重事故。根据电弧发生位置的不同，航空电弧故障主要分为两大类，分别为串联型和并联型电弧故障。串联型电弧故障通常出现在线缆连接松动和接触不良的电路中，电弧产生时与负载串联，具有增大回路电阻的特性，因而发生串联电弧故障的线路电流通常小于正常工作负载的电流，具有更高的隐蔽性。加上飞机的负载多为非线性负载，低能量的变化以及电弧的随机性，使得电弧故障的准确诊断变得更加困难。在航空系统中串联电弧多为受振动，或其他外力所导致的触点接触不良而引发的间歇性电弧。并联型电弧故障通常由于绝缘损坏，相与相或相与中性线之间的裸露导体会发生短接将负载短路，电弧与负载成并联关系，属于一种短路电弧。其特点为电流幅值会大幅增加，火星四溅，并释放大量热量，具有极大的破坏性，若未能及时发现并消除将有可能导致火灾的发生。在飞机上，除了受恶劣环境，以及长时间的物理摩擦所导致的绝缘皮破坏，由于飞机需要经常处于潮湿的环境中飞行，受潮的介质也增加了发生并联电弧故障的可能。所以无论是串联型电弧故障还是并联型电弧故障，都对航空安全有着极大威胁。

二、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，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。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，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 ；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。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以及开发测试方法。常用航空线缆线芯材料的熔点通常电弧温度可达数千甚至数万。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 。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。

三、飞机火灾预防管理建议

在某事件中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。

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，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。随着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。

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，在建筑电气火灾事故中， 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，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，一些学者开始重视对飞机救援和消防人员的培训。提高救援速度，抢救被困幸存者仍然是最重要的问题。

通过飞机线缆电弧火灾事故为起点，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。

参考文献：

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