高电压的应用趋势与争论
尽管细节还存在争议,但高压电力系统在未来新生代飞机上的应用已经是必然。因此对于装机的电气线路相关零组件的安全性、可靠性势必需要重新考核。
早在2017年,SAE AE-8A,8D委员会就在例行会议中进行了高压电力系统的相关讨论,讨论的热点是“高压”的界定,目前飞机供电系统一般为115VAC三相电,线电压为208V,±270VDC,因此有人提出,将550V作为未来飞机“高压”的界定,但这有待于进一步讨论,因为这影响了线缆、连接器、绝缘防护材料等几乎所有电气元器件的试验鉴定标准。
虽然目前装机线缆(AS 22759系列)所标注的额定电压为600V,但对线缆的耐压评估需要考虑实际装机条件,例如高度、温度、气压、系统工作/故障状态、PDIV/PDEV等条件,不能直接参考现行飞机电缆试验标准,这一点几乎已经在SAE委员会中达成了共识。

高压试验的前提
装机的任何线缆都需要承担系统工作正常工作电压以及瞬态电压(可以是一部分)的冲击,所以考虑评估待装机的高压线缆,则必须从实际出发,围绕实际装机状态展开。
首先必须考虑线缆的额定工作电压。目前AS22759系列航空导线,其额定工作电压为600V。什么是额定工作电压呢?简单理解,这根导线可以在整个生命周期内一直承受600V的电压强度而无损坏。但是实际情况要复杂得多,飞机高度、气压、温度、作用在线缆表面的摩擦力、振动、有腐蚀性的气体液体等,都将影响线缆的“额定工作电压”。对于待装机的高压线来说,需要重点考虑三个因素:即系统工作电压、瞬态电压、飞机高度。
在之前的文章里,我们介绍了局部放电(partial discharge,PD)的概念,这里需要重点关注的是局部放电开启电压(PDIV)和局部放电结束电压(PDEV)。
如果感兴趣可以回顾前文。
历史文章:
PDIV和PDEV这两个概念很重要,一般情况下,线缆的PDEV需要低于综合了其他降额因子后的系统工作电压。这一点很好理解,如果系统内瞬态电压超过了PDIV,且PDEV低于系统工作电压,则PD即局部放电现象会一直持续,这显然是不被允许的;如果线缆PDEV高于系统工作电压,则PD持续的时间会很短暂且不连续。
下图给出了系统瞬态工作电压在时域和频域的图像,对系统瞬态工作电压的数据收集很重要,这决定了对几乎全部高压电路中的电气器件的试验标准。从图中可以看出,几乎99%的电压值低于1350V,其他行业的行业惯例是,电气部件的绝缘测试电压,为其工作时经历的瞬态电压的最大值×2+500V。
根据上文的讨论,对系统瞬态电压的数据捕获直接影响了线缆PDIV和PDEV的参数要求,机上很多情况都可能造成高压系统的电压尖峰的产生,对电源品质的理解,直接影响了装机线缆的参数要求。如果飞机瞬态电压尖峰为1000V,考虑其他降额因子和环境影响,飞机高压线缆的PDIV要求为至少2000V。
我们再次仔细观察图中的波形曲线,系统的工作电压为1200V,而最大的瞬态电压为大约1400V,且99.9%的瞬态电压为1350V以内。从概率上说,如果考虑99.9%的情况,则需将高压电缆的PDIV设置为2000V左右,那么如果考虑小概率事件或极端情况,是否需要将被选用电缆的PDIV设置为2000V-3000V呢?这势必会增加绝缘层的厚度,增加线缆重量。对这个问题,没有绝对正确的答案。从长远考虑,如果存在发生PD的可能,哪怕是0.1%的情况,也需要考虑发生PD后,周边产品的安全性和故障影响分析。
如何确保高压线缆装机后的长期可靠性呢?需要进行加速老化试验,即在一个参数可控的试验环境下,重复进行高压脉冲试验。由于目前缺少标准支撑,高压脉冲的持续时间、频率、时长等试验条件需要试验前与主机单位协商后确定。试验后,需要对被测电缆的PDIV,PDEV进行测试,对绝缘层进行目视检查。
飞机线缆的高压试验举例
根据之前文章,可以肯定的是,飞机高压线缆的试验不应该被视为简单的电气零组件的试验,而应被视为系统级试验或评估。
传统的航空线缆高压试验方法是,将待测线缆卷绕在一个接地的圆柱形试验工装上,在导体上施加高电压,电压不断升高直到出现绝缘损伤检测出持续的漏电流。施加的电压起点高于PDIV,试验发现,当试验电压低于PDEV时,绝缘层的漏电时间随着试验电压的降低而呈对数增加。
根据上文所述,评估高压电缆的性能需要从实际装机情况出发。实际装机线缆与系统管路、结构的隔离距离并不确定,因此需要评估高压线缆与系统部件(结构)的最小安全隔离距离,这离不开高压电弧的试验和仿真。
下图为FAA/USAF试验室进行的飞机高压线缆与铝制接地管路的电弧试验实拍照片,试验通过摆动触发高压电弧,可以看出,高压线缆产生的电弧弧柱长达2.5cm。
因此对于飞机高压线缆的隔离,电弧的影响需要重新考虑,同样需要重新评估线缆之间的串扰。
历史文章:
在FAA/USAF的试验报告中,有几个较实用的结论,特此分享给朋友们:
1 高压线缆的寿命与电压频率几乎成反比。即承载600HZ的高压电源的电缆,其使用寿命几乎为承载60HZ的高压电缆的1/10。
这个结论给那些研究VDF(飞机变频电源)、PWM(脉宽调制电源)的工程师们提供了非常实用的数据。
其实这个结论不难理解,承载高压的飞机电气零组件,其使用寿命与其系统电压的变化率(即dV/dt)成反比。
2 在高空环境,低气压会使得PD(局部放电)在更低的条件下发生。
这条也不难理解,在之前的文章中有阐述。
3 挤出结构的飞机线缆(例如AS22759/34 XL-ETFE)比绕包型结构(例如AS22759/87 PTFE-Polyimide结构).的线缆在高压条件下性能更好。原因是绕包工艺可能产生的空隙可能在高压条件下出现局部放电。
4 当前市场上的挤出型航空线缆,相比PTFE-Polyimide结构的绕包型航空线缆,往往在耐电弧试验中性能稍逊。因此在耐高压、耐电弧性能的比较上,两种工艺类型电缆的选用,势必有一些博弈。