Диссертация (Транзисторное устройство защиты авиационных систем распределения электроэнергии от аварийных электрических разрядов)

2ОглавлениеВведение……………………………………………………………………….....5Глава 1. Анализ способов индикации и ликвидации аварийных дуговыхразрядов в наземных и бортовых системах электропитания………..….141.1Классификация результатов исследований…………………………....141.2Характер исследований………………………………………………....161.3Объекты исследований……………………………………………….....181.4Степень изменений в системах распределения энергии……………...191.5Физические основы методов………………………………………..…..221.6Универсальность к роду тока и характеру дуги……………………….221.7Места размещения средств защиты………………………………….....221.8Характерные электрические признаки аварийных дуговых процессов 231.91.8.1Уровень пульсаций тока в фидере…………………………….....241.8.2Наличие широкополосного шума……………………………..…261.8.3Нерегулярные изменения электрических параметров шума…..281.8.4Комплекс признаков……………………………………………...30Сравнение нормальных и аварийных процессов……………………32Выводы по главе 1……………………………………………………………...34Глава 2.

Методы ликвидации параллельной дуги в авиационныхсистемах электроснабжения постоянного тока…………………………...372.1Методы ликвидации параллельной дуги средствами транзисторныхАЗК………………………………………………………………………………372.2Моделирование АЗК с функцией ликвидации параллельной дуги…..38Выводы по главе 2………………………………………………………………45Глава 3. Исследование свойств последовательной дуги в авиационныхнизковольтных сетях постоянного тока……………………………………463.1Возникновение и развитие дуговых разрядов………………………….463.2Прерывистая последовательная дуга……………………………………523.3Вольтамперная характеристика дуги……………………………………5833.4Исследование пульсаций тока дуги……………………………………...64Выводы по главе 3……………………………………………………………….76Глава 4.

Индикация дуги последовательного типа по её характернымсвойствам………………………………………………………………………..794.1Свойства низковольтных авиационных электросетей и потребителей ихэнергии……………………………………………………………………………794.2Характерные признаки последовательной дуги. Методы её индикациипо этим признакам……………………………………………………………….864.2.1Уровень шума тока дуги…………………………………………...864.2.2Прямое измерение размаха пульсаций тока дуги цифровымметодом……………………………………………………………………..934.34.2.3Наличие шума дуги в широкой полосе частот…………………...944.2.4Пульсации напряжения на дуге…………………………………...954.2.5Резкое падение тока в начальной стадии дуги…………………...964.2.6Рекурсивность дуги………………………………………………...984.2.7Наличие «фликкер-эффекта»……………………………………...994.2.8Непрерывность спектров дуги…………………………………...1004.2.9Индикация хаотичности в пульсациях тока дуги………………102Методы борьбы с перекрёстными наводками от дуги………………..107Выводы по главе 4……………………………………………………………...110Глава 5.

Индикация последовательной дуги по отклонениям отнормальных процессов………………………………………………………1125.1 Индикация дуги в цепях с индуктивно-активными нагрузками………..1125.1.1Использование аналоговых моделей нагрузок…………………1135.1.2Контроль за изменением средних значений токов……………..1205.1.3Блокировкаиндикациидугиприплавныхнеаварийныхизменениях тока нагрузки………………………………………………..1235.2 Индикация дуги в цепях с резистивными нагрузками…………………..1285.2.1Нерегулируемые резистивные нагрузки………………………...12845.2.2Регулируемые нагрузки с ШИМ – управлением………………..1315.3 Индикация дуги по характерным свойствам нагрузок…………………..1335.3.1ИВЭ РЭА с постоянной выходной мощностью………………...1335.3.2ИВЭ РЭА с дискретно изменяющейся выходной мощностью...1365.3.3Импульсно-периодические нагрузки…………………………....1375.3.4Коллекторные электродвигатели постоянного тока……………1405.3.5Индикация прерывистой последовательной дуги………………1425.3.6Устройство индикации последовательной дуги в цепях сзаданными типовыми нагрузками……………………………………….1435.4 Аппаратурная реализация индикаторов последовательной дуги………145Выводы по главе 5……………………………………………………………...147Заключение…………………………………………………………………….148Список сокращений и условных обозначений……………………………150Библиографический список…………………………………………………1525ВВЕДЕНИЕАктуальность темы.

Явление электрической дуги (в английскомязыке «arc fault» – аварийная дуга, в немецком «Lichtbogen» – электрическаядуга) изучено достаточно полно как с позиций её использования (например,для электросварки), так и с позиций борьбы с ней в контактнойвысоковольтной аппаратуре. Начиная примерно с 2000 года, числоисследований по ликвидации дуги в самолётных системах электроснабжения(СЭС) резко увеличилось. Толчком к этому послужили две тяжёлыеавиационные катастрофы пассажирских самолётов в 1996 и 1998 годах,причинами которых стали возгорания после образования аварийныхэлектрических разрядов. К 2000 году в США была разработана программа,направленная на разработку средств борьбы с аварийными электрическимиразрядами в бортовых системах летательных аппаратов.

В последующеедесятилетиеработывданномнаправлениисущественноинтенсифицировались.Нарядуаварийнымиссамолётнымиэлектрическимисистемами,дугаминеобходимостьвозниклауборьбысразработчиковавтомобильных СЭС в связи с тенденцией к повышению бортовогонапряжения постоянного тока до уровня 36…42 В. В последние годывозросло число публикаций по методам борьбы с аварийными дугами вназемных системах электропитания бытовой техники от солнечных батарей сповышенным уровнем напряжения. Однако, проблема обнаружения иликвидации дуги в самолётных системах оказалась существенно сложнее,чем в наземных или в автомобильных по нескольким причинам, а именно: в силу наличия значительных по амплитуде пульсаций сетевыхнапряжений широкого частотного спектра, которые могут бытьприняты за помехи от дуги; из-заналичияэлектрическихнагрузок,дополнительные циклические помехи в сети;создающих6 из-завнедренияперспективныхСЭСсповышеннымнапряжением переменного тока 230/400 В и систем постоянноготока повышенного напряжения 270 В, в которых условиявозникновения дуги особенно благоприятны; из-заналичияпереходныхпроцессовприкоммутациимногочисленных бортовых нагрузок; в силу значительных по амплитуде всплесков напряжения в сетяхпри отключении индуктивных нагрузок; из-за отсутствия в системах переменного тока нулевого провода,а в системах постоянного тока – минусового провода, (в качествекоторых используется металлический корпус самолёта), чтозатрудняет использование дифференциальных защит.Задача усложняется ещё и тем, что дополнение сложившихся системзащиты распределительных сетей средствами по ликвидации дуговыхразрядов должно ограничиваться рамками модернизации и не требоватькоренных, затратных изменений.Возможные причины возникновения аварийных дуговых разрядовможно обобщить следующим образом: повреждение изоляции провода трением о соседние провода вжгуте, либо о детали крепления жгута с последующимзамыканием на корпус; разрушение изоляции провода с последующим её обугливанием врезультате разогрева от утечки тока; ослаблениеэлектрическихконтактоввместахболтовыхкреплений проводов; излом жилы провода; обрывапроводаспоследующимзамыканиемегонеизолированного конца на корпус самолёта.По схеме аварии дуга может быть последовательной или параллельной.7Последовательная дуга возникает в месте разрыва последовательногоэлектрическогоконтура,образованногоисточникомэлектропитания,коммутационно-защитными аппаратами и нагрузкой.

В связи с наличиемнапряжения на горящей дуге, ток в повреждённой цепи в большинствеслучаев уменьшается относительно предшествовавшего неаварийного уровняи традиционная защита от перегрузок по току не срабатывает.Параллельная дуга возникает вследствие сильной утечки тока накорпус вплоть до тока короткого замыкания. Такая дуга может возникнутькак с отрывом провода от нагрузки, так и параллельно нагрузке. Условиемпоявления дуги должен быть факт размыкания цепи, что приводит кразогреву образовавшего места касания с последующей ионизациейпромежутка. При «глухом» (металлическом) коротком замыкании дуга невозникает, а сама авария ликвидируется максимальной токовой защитой.

Ноесли короткое замыкание неустойчиво вследствие, например, вибрациикорпуса и провода, то дуга возникает, а ток в дуге может оказатьсянедостаточным для срабатывания традиционной защиты, а область, вкоторой возможно возникновение дуги, окажется расположенной нижевремя-токовой характеристики аппарата защиты и коммутации.Уменьшить вероятность аварий, вызванных электрическими дугами,позволяют следующие способы.1.

Повышение механической и диэлектрической прочности изоляциипроводов. На этом пути авиационные провода, применяемые, например, насамолётах компании «Boeing», неоднократно меняли тип изоляции впромежутке 1970…2010 годов от «PVL/Nylon» до современных «Tefzel» и«Teflon-Kapton». Однако необходимость борьбы с дугами сохранилась.2. Непрерывный мониторинг утечки тока через изоляцию провода.Такой метод широко применяется на космических аппаратах.

Однако онтребует введение специальных, распределённых по длине провода, датчиковутечки, либо создания аппаратуры дистанционной локации. И то и другоетрудно внедрить в существующие системы.83. Методы, уменьшающие вероятность возникновения дуги. К нимотносится,например,предложениепрокладыватьфидерынагрузокпараллельными проводами, суммарное сечение которых равно сечениюодиночного провода, причём каждый из проводов должен закрепляться вотдельной точке. При обрыве любого провода оставшиеся проводазашунтируют место разрыва и последовательной дуги не возникнет.