于向阳 姚凌虹 赵 时 于守淼 贺爱茗

（海军航空大学青岛校区 青岛 266000）

1 引言

航空导线是机载设备传输和配送电能及控制信号的必要载体，是电气系统平台的“血液”“命脉”。随着机载系统电气设备安装密度的不断增加，导线以不同的敷设方式在各隔框、舱段间穿梭，在振动频繁及机械应力过于集中的部位，绝缘层形成不同程度的微破损，这种微破往往为造成设备断电，但在电场、水分、离子、振动等环境因素的长期作用下，极易造成性能恶化，引发短路等显性故障。

目前，因不同导线绝缘材料的差异性，国内还没有形成适用性较为广泛的绝缘材料故障试验研究体系；一般在装机前针对材料的介电强度、绝缘强度等开展型号试验；装机后则主要集中在更具经济意义的绝缘性能老化及剩余寿命研究等方向，针对导线绝缘材料的老化等特性的评估一般需要直接取样测量，实施操作复杂，且依赖对材料的取样分析而难以实现在线诊断。装机后的布线方式、环境等因素也是影响其性能的重要因素，对于因布线方式、环境不同而引起的微裂或破损等隐性故障，往往是在系统出现异常后，沿着敷设路径针对绝缘层进行离线人工目视检，受人员维护经验、检测设备的限制，故障不易探查，给飞机线路的日常维护带来了极大的困难。

随着红外热像技术的发展，特别是热像仪精度的提高，通过热成像精确地读出所检测部位的温度分布，并进行红外特征特征参数提取，进而判断设备工作情况及其完好性；加之体积小、效率高、适合大面积在线监测等优势，其在线路的的检测以及故障诊断中发挥了越来越重要的作用［1～4］。

海军工程大学的孙丰瑞教授、杨立教授等对电缆高分子绝缘层整体热老化特性开展了基于热物性的定量评估，并针对红外技术是否具备对机电设备进行故障诊断的能力及其影响因素等进行了深入研究，制定了红外技术对故障诊断能力的评价指标，认为利用红外技术对机电设备进行故障诊断的核心是准确获取被测设备的温度分布状态以及故障点的温度或温升值，此数值不仅能比较直观判断设备是否存在故障，而且也是判别故障原因、影响因素以及故障程度的重要依据［5～9］。

本文针对飞机导线绝缘层的不同破损情况，设计并搭建了实验电路及平台，在额定工作电流下进行通电实验，通过红外热像仪获取实时红外图像，针对不同类型隐性故障的温度谱进行数值提取及模拟，提出一种基于等温线温度谱的特征分析方法，对其在线诊断及预防进行有益探索。

2 航空导线热状态模型

机载电路网中的航空导线，在实际走势路径上，往往捆扎成束并以不同的敷设方式安装在狭窄的隔框内，在一定电流下运行会产生热效应，导线工作的热状态“因地制宜”［10］。导线内芯导体通过绝缘材料、线束包裹、敷设路径向外传递热量，其温度通常高于环境温度，经过一段时间达到热平衡，考虑到飞机线路的实际工作情况，导线工作的热状态受多种因素共同影响，难以进行精确的计算，相关影响因子的确定一般由实验方法近似取值。通常导线产生的大部分热量（80%～90%）以对流方式散去；剩下的热量几乎全部由辐射方式散去，导线的绝缘层表面与敷设环境自然对流传热，当发热与散热达到热平衡时，温度分布趋于稳定。

忽略温度对导体直流电阻的影响，当有电流I通过导线时，就有电能转换为热能。按照焦耳定律，在时间dt内电流I所产生的热量为

式中：Q为发热量（焦耳）；I为负载电流（安）；R为单位长度的导线电阻（欧姆）。

经过一段时间dt所产生的热量一部分用于使导线加热，其值为GCdθ；另一部分以热的形式散热到周围介质中，其值为

式中：G为导线重量；C为比热容；θ0为导线周围介质温度；θ-θ0为导线的温升；S为导线散热表面积；K为散热系数。

导线在发热过程中的热平衡方程式为

解此微分方程，可以得到通解：

代入初始条件：当t=0时，θ-θ0，则得

微分方程的特解为

当稳定温度值一定时，为导线在特定线束、布线方式下的允许温度值，其与内芯导体工作电流值、绝缘材料的导热性能等相关联；在实际工作中，导线绝缘层破损等隐性故障引起绝缘层局部的散热系数K及散热表面积S的变化，红外热像技术利用红外辐射效应，实时获取导线的表面温度谱，可以评估其热状态［11～12］。

3 实验方案

本实验采用的测量仪器为红外热像仪，型号为FLUKETi400，测量精度±2℃或2%，基本参数设置：发射率为ε=0.9，环境温度t0=15℃～19℃，空气湿度50%，室内不考虑太阳辐射、风力等外界环境因素影响；试验样品选取0.75mm铜芯聚氯乙烯高温导线，其额定耐压值450/750V，电阻约为0.01Ω/m，外接额定工作电压27.5V，实验中工作电流（施加应力）由功率滑动变阻器调节，详见表1。

表1 不同状态下的工作电流

测量点的选取，应综合考虑导线绝缘层不同破损程度的热状态特征及其获取的有效性。相邻测量点周围应保持一定的空间，减少相互间热辐射及周围热条件的影响；测量点对“热”因子的灵敏度也作为选取的重要参考依据，若某一测量点其相对灵敏度较高，说明该测量点能够显著反映导线的实际工作状态。

综合考虑导线绝缘层的实际工作极限条件及其破损程度对测量点的要求，本实验选取了6种不同破损程度及其布线状态的样本进行监测，破损程度具体情况见表2。

表2 破损程度设定

考虑到红外热成像仪长时间工作易产生热辐射，为减小其对测量精度的影响，实验中以20min为间隔进行一次采集，得到实验样本图像；考虑到飞行任务的实际情况，连续通电时间一般为2小时，具体流程见图1。

图1 实验流程图

4 红外特征分析

以热成像图为原始图，以250*400分辨率取点进行三维数值模拟，并进行等温线捕捉，如图2所示，对不同破损程度处于线束表面情况进行了红外特征分析，为导线绝缘层轻微破损在线束表面的实际热成像图。在线束表面位置的导线绝缘层破损处，热成像图捕捉到因温度差形成明显的“下沉”。

图2 航空导线绝缘层不同破损程度部位的红外热成像图

图3 ～图9比较了窗口内温度场不同敷设方式的最高温度值（峰值）在部分工作状态下，随采集时间的变化情况。

图3 I=0.5A，测量点的表面温度值T的比较情况

如图2所示，当I=0.5A，绝缘层内部导体热应力较小，各测量点在t1～t7时刻，温度值随时间推移走势基本一致，呈快速、阶跃上升趋势，t4时刻附近为各测量点拐点，t5时刻温度趋于稳定。

图4 I=1.5A，部分测量点的表面温度值T的比较情况

如图3所示，当I=1.5A，绝缘层内部导体热应力增加，各测量点在t1～t7时刻，温度值随时间推移整体呈上升趋势，但存在一定差异性，测量点3的波动较大，t4时刻附近仍为大部分测量点的拐点，t5时刻温度趋于稳定。

图5 I=2.7A，部分测量点的表面温度值T的比较情况

如图4所示，当I=2.7A，各测量点温度值随时间推移整体呈上升趋势，与前序状态相比，各测量点温度值波动较大，且各测量点差异性较大。

如图5所示，当I=3.5A，各测量点在此热负荷下，温度迅速上升，与前序状态相比，其拐点进一步前移，经过t2时刻，各测量点趋于稳定温度明显前移；各测量点温度值波动仍较大，仍呈现一定的差异性。

图6 I=3.5A，部分测量点的表面温度值T的比较情况

图7 I=4.4A，部分测量点的表面温度值T的比较情况

图8 I=5.5A，部分测量点的表面温度值T的比较情况

如图6、图7所示，当I=5.5A，各测量点在此热负荷下，整体呈上升趋势，但温度值波动较大，与前序状态相比，且呈现一定的不稳定性。

图9 I=8.8A，部分测量点的表面温度值T的比较情况

如图8所示，I=8.8A，经过t2时刻，各测量点温度迅速上升，在小幅波动下趋于稳定。在较大的热负荷下，各测量点整体趋势温差较为明显，部分测量点的最高稳定温度已超过40℃。

图3～图9，各测量点在不同的热应力条件下，温度均呈上升趋势，低负荷至高负荷温升上升近30℃，；随着热负荷的增加，各测量点在不同的热负荷下，温升的拐点由t4逐渐提前到t2，但存在一定的差异性，除轻微破损部位，大部分测量点存在一定的波动性；在低负荷（I=0.5A）和高负荷（I=8.8A）时，部分测量点在热负荷影响下，温升趋于稳定，仅伴随小幅波动；各测量点在额定热负荷附近（2.7A≤I≤5.5A），温升未达到稳定，呈现一定的波动性和差异性；测量点4，对热负荷的变化最为敏感，考虑所在线束布线数量相对较少，与线束热惯性和热容量较小有关；导线失去绝缘层的包覆，作为线芯的热源直接向周围环境散热，表面温度受环境的影响波动较大，热平衡不易建立，。

5 结语

本文提出了一种航空导线绝缘层隐性缺陷的红外在线诊断方法，能够在一定程度上获取导线绝缘层隐性缺陷特征。隐性缺陷的不同发展程度及位置，对热因子敏感性不同，反映的热力特征存在一定的差异性；轻微破损、半周向破损及周向破损等在线束表面时，在温度场内能够进行准确定位并进行跟踪监测，在线束内部时效果受限，有待进一步探究。