民用飛機電氣線路互聯系統接地設計

□ 陳海兵

中國商飛上海飛機設計研究院 上海 201210

1 設計背景

民用飛機電氣線路互聯系統的接地設計與飛機的可靠性關系密切,接地設計不正確可能導致系統不能正常工作,甚至會損壞設備。筆者對民用飛機電氣互聯系統的接地進行設計。

2 接地類型

每一個接地必須標注接地類型代碼,以滿足適航要求。接地類型代碼在民用飛機電氣線路互聯系統設計過程中,用于追溯系統的要求。為保證流程的可追溯性,每一個接地都必須標注由系統定義的接地類型代碼。接地類型代碼包含三要素:接地類別、系統代碼、電壓類型。

2.1 接地類別

(1)電源接地。電源接地是為電子電氣設備接地而提供的大結構搭接,能夠傳輸要求的最大回路電流。通常對于100 A電流,接觸電阻值不能大于0.75 mΩ。

(2)信號接地。信號接地指將信號傳輸回路通過搭接線、卡箍或彈簧接觸件連接至結構上的搭接,僅僅適用于信號傳輸回路本身。這些搭接對于防止由電磁輻射和開關效應造成的干擾是必要的,同時對于系統本身的運行而言也是必要的。

(3)機架接地。機架接地指將電子電氣設備殼體連接至結構上的搭接,需傳輸電源回路的最大電流。

(4)隔離接地。隔離接地是為電子電氣設備接地而提供的大結構搭接。隔離接地在以下情況下使用:① 抗干擾回路的接地,需與其它所有接地進行隔離;② 大電流接地和主電源接地,由于具有強輻射場,因此需要和其它接地進行隔離;③ 有多于一個供電源,但只有一個接地的設備,設備的電源可以通過繼電器進行轉換,因此電源接地需要與其它所有接地進行隔離,以防止不同的匯流條匯聚在同一個接地樁上。

(5)屏蔽接地。屏蔽接地指將電纜的屏蔽層連接至結構或連接器尾附件上的搭接。

2.2 系統代碼

為確保民用飛機電氣線路互聯系統在系統裕度和重要電源系統方面的可追溯性,每一個信號的電源接地都要有系統代碼。機架接地、隔離接地及屏蔽接地不需要有系統代碼,接地的系統代碼來源于所接地線的系統代碼,兩者需保持一致。

2.3 電壓類型

電源接地分為直流接地和交流接地兩種,取決于功率源。電源接地的功率源是取電的匯流條,因此電壓類型取決于匯流條的電壓類型。其它的接地類別不依賴于直流或交流功率源,因此非電源接地的接地類型代碼中沒有電壓類型。

3 接地線長度

接地線最大長度確定原則為通路上搭接的任意一個搭接電阻值不能大于2.5 mΩ。電源接地線的長度取決于接地是集中接地還是分散接地,例如航電設備的接地必須返回到設備端,以克服接地環路耦合。主結構的材料會影響接地的方式,例如在復合材料區域,只能采用集中接地。對于信號和屏蔽接地,接地線長度與信號頻率有關,需盡可能短。

接地線的通用長度一般不能大于表1中給出的最大長度。接地線的長度需從端接點測量到接地耳片的入線口處。當接地線的長度大于最大長度時,需要考慮導線長度造成的壓降。

表1 接地線最大長度 mm

4 接地安裝形式

民用飛機電氣線路互聯系統的接地安裝一般可以分為兩類:單點接地和多點接地。單點接地也稱回線接地,以結構上某一點作為參考地。多點接地用于高頻和數字電路的接地。多點接地的系統通常連接到最近的低阻抗地平面上,如飛機機架和飛機結構。

5 接地設計基本輸入

對于接地設計,飛機級或系統級需提供以下基本輸入:① 飛機搭接和接地規范,如飛機接地要求,接地系統和電流回路網絡定義;② 最大阻抗或直流電阻;③ 接地類別定義,如電源接地、信號接地或機架接地;④ 裕度和隔離要求;⑤ 接地從端和接地到端定義。

6 接地清單

通過接地清單能夠有效管理導線的分配工作,可以減少迭代的次數。在整個設計階段,接地清單應至少包含以下基本參數:接地設備號、明確接地歸屬的原理圖或線路圖、具體接地信息、接地清單職責。

具體接地信息包括:① 接地類型;② 預期的零件號,在初步設計階段為可選,在詳細設計階段為必選;③ 接地導線歸屬的線束號;④ 接地從端和到端定義,如從端設備描述、隔離代碼、接地線規、接地位置或區域、電流和電壓等。

對于接地設計,物理安裝設計和功能設計之間需多輪迭代,因此接地清單需由這兩個部門負責,線束安裝需包括可能的接地位置信息。

7 接地設計流程

接地設計流程通常包括以下步驟:① 分析系統原理圖中定義的接地;② 分析接地從端至到端的路徑;③ 分析主通道架構;④ 基于接地類型和飛機區域代碼,確認可行的接地設計并安裝;⑤ 確認接地設計滿足接地要求,如系統隔離要求、單個接地樁和模塊上的最大接地數量等;⑥ 定義接地樁。

8 接地設計要求

(1)接地系統隔離。每一個具有不同系統代碼的接地,需安裝在獨立的接地樁上,僅具有相同系統代碼的接地可以連接到同一個接地樁上。

(2)直流接地和交流接地隔離。直流接地和交流接地不能共用同一個接地樁,但是可以共用同一個接地板。

(3)電源接地和信號接地。電源和信號回路需通過合適的接地回路連接至金屬機身上。

(4)接地模塊最大接地數量。每個接地模塊上最多允許有16個接地信號。

(5)接地樁最大接地數量。任何單個接地樁上最多接四個接線端子,或三個接線端子加一個匯流條,以三個端子和一個備用端子為最佳。當同一個接地樁上的端子尺寸不一致時,最大的端子需安裝在最下面,小的端子安裝在頂部。單個接地樁上的端子數量受導線線規限制,具體為一個端子允許6AWG或更大線規導線,兩個端子允許8AWG線規導線,四個端子允許10AWG或更小線規導線。

(6)非氣密區域設備的接地。依據有效的搭接面,接地可以安裝在氣密區域和非氣密區域。如果是信號接地,最好在信號源端接地。從重力角度考慮,應優選在設備端就近接地。

(7)復合材料區域的接地。不允許接地直接接在復合材料結構上。在復合材料區域,需要根據工程實際為電源和信號接地搭建獨立的回路網絡。安裝在復合材料區域的電子電氣設備,需要有專門的電源接地及信號接地,這些接地需要與設備機架接地隔離。

(8)安裝在口蓋處設備的接地。對于安裝在口蓋處的設備,電源和信號回路應從連接器端連接至信號源處,或就近在飛機結構上接地。

(9)電線電纜屏蔽層端接。只要有可能,電線電纜的屏蔽層需端接至連接器尾附件上。如果不可以端接至尾附件上,那么應在離連接器盡可能近的地方接地,具體為端接點附近區域。對于頻率高于3 MHz的高頻信號,電線電纜的屏蔽層需要兩端進行360°屏蔽端接,在工藝分離面處也是如此。高頻信號電線電纜屏蔽要求如圖1所示。

▲圖1 高頻信號電線電纜屏蔽要求

頻率為1 MHz～3 MHz的關鍵或重要設備,電線電纜的屏蔽層需要在連接器尾附件和分離面端360°屏蔽端接。頻率為1 MHz～3 MHz的非重要設備,電線電纜的屏蔽層需要用屏蔽引線在設備和工藝分離面端接至尾附件上,引線長度不得大于80 mm。

屏蔽引線和360°屏蔽端接不能同時使用。對于頻率低于1 MHz的低頻系統,電線電纜屏蔽層需通過屏蔽引線端接,屏蔽引線長度不得大于150 mm。對于頻率低于100 kHz的低頻系統,為避免接地回路效應,電線電纜的屏蔽層僅在靠近信號源的一端接地,另一側需懸浮。在每一個工藝分離面處,每一個屏蔽層通過屏蔽引線端接至連接器孔中,屏蔽層不能連接到工藝分離面上,僅僅通過連接器孔實現屏蔽層的連續。低頻信號導線屏蔽處理方式如圖2所示。

▲圖2 低頻信號導線屏蔽處理方式

端接方法取決于工藝分離面處線束中屏蔽線的數量。當屏蔽線數量比較少時,每根屏蔽線通過一根屏蔽引線端接至連接器孔中,如圖3所示。

▲圖3 工藝分離面處屏蔽線少時端接方式

當屏蔽線數量較多時,所有屏蔽線綁扎在一起,通過一根屏蔽引線連接至連接器孔中,屏蔽引線應位于線束的中間位置,如圖4所示。

▲圖4 工藝分離面處屏蔽線多時端接方式

民用飛機電氣線路互聯系統設計團隊根據需要決定在工藝分離面處采取何種處理方式。從非氣密區域穿入氣密區域的同軸線纜,在工藝分離面處需有屏蔽接地設備,不允許使用直接穿墻的同軸電纜。

(10)線束外屏蔽端接。任何線束外屏蔽,包括金屬編織層在設備和工藝分離面端都需進行360°屏蔽搭接,在非氣密區的搭接間隔取決于適用的波長。任何從非氣密區進入氣密區的線束外屏蔽,包括金屬編織層在分界處需進行360°屏蔽搭接。

接地設計要求匯總見表2。對于隔離接地,單個接地樁上只能有一個端子。

表2 接地設計要求匯總

9 結束語

筆者對民用飛機電氣線路互聯系統進行了接地設計。按照筆者介紹的接地設計方法,能夠有效減少接地器件,屏蔽效果較好,便于線束組件的集成安裝。