飛行器綜合測試設(shè)備可靠安全接地設(shè)計

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(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076)

0 引言

飛行器綜合測試主要對電氣系統(tǒng)各功能及接口的協(xié)調(diào)性和匹配性進行全面的綜合檢查，以判斷系統(tǒng)整體功能是否良好，指標(biāo)是否合格，工作是否穩(wěn)定[1]。在功能上，目前的綜合測試系統(tǒng)將所需全部激勵與測量設(shè)備集成在一起，由計算機高效控制完成各種模式的激勵以及響應(yīng)信號的采集、存儲與分析，改變了以往分立式測試設(shè)備的組成架構(gòu)。但對集成后設(shè)備的電磁兼容等要求也更高，而接地是提高電磁兼容和安全性的最有效手段，涉及到了電力電氣、電子儀器設(shè)備、電磁兼容性等諸多領(lǐng)域[2]。各類設(shè)備接地要求和技術(shù)的實現(xiàn)方式各有不同，不正確的接地，會給飛行器帶來干擾，甚至?xí)⑽ｋU電壓引入飛行器上，燒毀產(chǎn)品或設(shè)備。因此，必須正確認(rèn)識測試設(shè)備中接地作用，正確設(shè)計并連接接地線，采取必要措施防止接地不當(dāng)帶來的損失。

本文簡要介紹了良好的接地對飛行器綜合測試的重要作用，結(jié)合系統(tǒng)功能和組成，分別分析了各類測試設(shè)備的接地設(shè)計和方法，對典型的接地環(huán)節(jié)進行測試，并提出測試設(shè)備有效的接地安全保證措施，為航天產(chǎn)品的研制提供技術(shù)保障。

1 接地概念和作用

所謂“地”，可以看作電容量很大的物體?！敖拥亍本褪侵笇⒃O(shè)備中電路某點與地短路，連接到作為參考電位點(或面)的良導(dǎo)體。對飛行器上設(shè)備而言，“接地”就是將設(shè)備殼體等接地點與飛行器結(jié)構(gòu)搭接形成等勢體；而對綜合測試設(shè)備而言，“接地”往往指接設(shè)備機殼或電路中某一電位基準(zhǔn)點通過供電或接地樁與廠房接地等勢體箱中端子相連，形成良好接地。良好的接地能起到保護人身安全、保障電氣系統(tǒng)正常運行、防止雷擊和靜電危害的作用[3-4]：

1.1 保護人身安全

測試設(shè)備正常運行時，將內(nèi)部機殼或電路基準(zhǔn)點通過導(dǎo)體與廠房接地系統(tǒng)的接地極之間作良好連接，可以防止人身遭受電擊。如果沒接地的電氣設(shè)備在供電接線上出現(xiàn)絕緣損壞問題，一旦人體觸及設(shè)備外殼，供電電壓將作用在人體上形成電流通路，使人體遭受電擊傷害。而接地正確的電氣設(shè)備，接線絕緣損壞后即使外殼帶電，接地電流同時沿接地極和人體兩條通路流過。相對人體電阻，接地電阻極小，相當(dāng)于接地通路將人體旁路，將電流直接導(dǎo)入接地極，而流經(jīng)人體的電流幾乎為零，使得人體免于觸電危險。

1.2 保護設(shè)備運行正常

目前，測試環(huán)境中均為五線制供電體制，供電等測試設(shè)備符合電子系統(tǒng)中性點接地要求，有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，防止系統(tǒng)中控制信號和輸出振蕩，還可以保證繼電保護可靠動作[5]。此外，良好的接地可以防止故障電流和外部雷擊電流作用在設(shè)備內(nèi)引起的危險電壓，將危險電壓通過接地極快速導(dǎo)入大地，防止電子設(shè)備因瞬時干擾而受到破壞，從而防止遭受雷擊。

1.3 改善設(shè)備電磁兼容性能

如果測試設(shè)備不與大地連接，將呈現(xiàn)電位差，在外界干擾場作用下，易導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定[6]。將測試設(shè)備與大地相連接，處于真正的零電位，就能有效地抑制干擾，防止噪聲源把噪聲引導(dǎo)到設(shè)備中，旁路雜散能量，降低噪聲，提高電磁兼容性能。

2 系統(tǒng)組成和功能

飛行器綜合測試設(shè)備包含供電設(shè)備、測試設(shè)備和控制設(shè)備[7]，典型系統(tǒng)組成如圖1所示。供電設(shè)備屬于電力電子設(shè)備，負責(zé)為飛行器提供測試供電源，通過地面電源和配電箱實現(xiàn)市電到多路低壓供電；測試設(shè)備屬于高精度采集設(shè)備，負責(zé)提供外系統(tǒng)等效和狀態(tài)采集功能，實現(xiàn)飛行器上模擬量、數(shù)字量和不帶電觸點等信號調(diào)理，再由采集裝置完成信號轉(zhuǎn)換；控制設(shè)備屬于指令交互設(shè)備，負責(zé)提供指令輸出控制功能，通過總線或OC門、開關(guān)量、不帶電觸點等硬線輸出指令控制飛行器上產(chǎn)品和其他地面設(shè)備協(xié)同工作，被控設(shè)備返回的指令、時序執(zhí)行結(jié)果及狀態(tài)信息送測試設(shè)備采集，實現(xiàn)閉環(huán)測試。一般供電設(shè)備、測試設(shè)備和控制設(shè)備可接入總控網(wǎng)，實現(xiàn)各設(shè)備的統(tǒng)一協(xié)同工作。

圖1 綜合測試系統(tǒng)組成圖

3 系統(tǒng)接地設(shè)計

3.1 系統(tǒng)接地原則

在飛行器綜合測試中，除需要保證飛行器安全可靠接地外，還應(yīng)掌握各類測試設(shè)備接地特點，并正確可靠接地，其接地的正確性和合理性直接影響測試的電磁兼容性和安全性，保證飛行器研制工作的順利進行[8]。因此，綜合測試系統(tǒng)必須遵循以下基本原則：

1)安全第一：以安全為先，必須保證人身安全、飛行器安全及設(shè)備安全；

2)兼顧EMC品質(zhì)：在安全的前提下合理接地，抑制噪聲干擾，提高系統(tǒng)電磁兼容水平。

3.2 供電設(shè)備接地設(shè)計

供電設(shè)備輸入來自于電力系統(tǒng)380 V或220 V交流電源，輸出直流送至飛行器上為各母線供電，核心部件為AC/DC實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換和隔離，地面電源組成示意如圖2所示。為保障人身安全，設(shè)備殼體應(yīng)接保護地；而電源輸出送至飛行器，為防止供電交流地干擾器上產(chǎn)品，應(yīng)嚴(yán)格保證箭地之間供電地隔離，即地面電源直流輸出浮地，僅通過共模電容接設(shè)備殼體，減小噪聲和紋波干擾。因此，供電設(shè)備交流供電輸入地與輸出負端應(yīng)彼此隔離，一般將供電輸入的PE線直接接殼體，確保人身安全。除專用地面電源外，飛行器綜合測試還可能會使用市購穩(wěn)壓源或方陣模擬器完成供電功能，或采用信號發(fā)生器輸出激勵，設(shè)備接地情況見表1。可見，該類通用設(shè)備也滿足輸入輸出隔離，輸入接PE，輸出浮地的要求。

圖2 典型供電設(shè)備組成示意圖

儀器名稱機殼與保護地輸出地與保護地輸出地與機殼方陣模擬器導(dǎo)通隔離絕緣穩(wěn)壓源導(dǎo)通隔離絕緣信號發(fā)生器導(dǎo)通隔離絕緣

3.3 控制設(shè)備接地設(shè)計

控制設(shè)備主要為飛行器提供時序、流程控制指令和完成數(shù)據(jù)注入等，一般為專業(yè)設(shè)備，測試過程中應(yīng)確保指令發(fā)送正確，時序滿足要求?？刂圃O(shè)備供電來自220 V交流電源，輸出可采用模擬或總線多種接口形式。雖然接口形式不同，但均要求輸出信號與飛行器上隔離。其中，RS422、1553B、CAN等總線實現(xiàn)指令收發(fā)和狀態(tài)回傳，簡化飛行器與地面接口，按照標(biāo)準(zhǔn)電路連接便于實施隔離設(shè)計；開關(guān)量或無源觸點來源于繼電器，與線包控制端為隔離狀態(tài)，適于作為飛行器上時序控制。OC門可直接驅(qū)動繼電器線包，但需要注意與控制驅(qū)動電路隔離，還應(yīng)注意采用二極管或繼電器觸點切斷線路，防止?jié)撛谕吩斐上到y(tǒng)功能異常。以O(shè)C門指令輸出為例，控制設(shè)備組成示意如圖3所示。

圖3 控制設(shè)備典型OC門接口電路示意圖

為保障人身安全，設(shè)備殼體與供電輸入的PE線直接相連。外部交流供電經(jīng)AC/DC變換后為內(nèi)部電路供電，輸出部分與內(nèi)部電路隔離，并與飛行器上電路共地，實現(xiàn)繼電器驅(qū)動控制。設(shè)備內(nèi)部和輸出電路部分與殼體之間只有濾波電容存在，用于減小噪聲和紋波干擾。因此，控制設(shè)備交流供電輸入的PE線直接接殼體，輸出信號可與飛行器上連接，但必須與設(shè)備內(nèi)部電路隔離，確保人身安全和設(shè)備安全。為簡化測試，可使用電池為控制設(shè)備供電，有利于便攜測試和減少供電紋波，但同樣需要隔離輸出，避免對飛行器上干擾。

3.4 測試設(shè)備接地設(shè)計

采集設(shè)備主要為狀態(tài)測量和等效外系統(tǒng)功能，主要關(guān)注測試精度，采集設(shè)備多采用貨架(COTS)產(chǎn)品集成專用設(shè)備，還可采用通用設(shè)備。采集設(shè)備供電多來自220 V交流電源，測試輸入對象一般為模擬量、電平信號、開關(guān)狀態(tài)、數(shù)字量等。采集設(shè)備設(shè)計上在保證測量精度的同時，必須電氣隔離保證對外接口安全性。其中，模擬量通過幅度調(diào)整、阻抗匹配和電氣隔離后，再進行AD轉(zhuǎn)換采集；電平信號和開關(guān)狀態(tài)已經(jīng)為電氣隔離狀態(tài)，直接采集或驅(qū)動光耦實現(xiàn)隔離采集；數(shù)字量信號與控制接口相對應(yīng)，按照標(biāo)準(zhǔn)電路實施隔離處理。圖4示意了典型采集接口及原理。

圖4 測試設(shè)備典型接口電路示意圖

為保障人身安全，采集設(shè)備殼體與供電輸入的PE線直接相連。外部交流供電經(jīng)AC/DC變換后為內(nèi)部電路供電，對外接口部分與內(nèi)部電路通過光耦隔離，并與飛行器上電路共地實現(xiàn)等電位連接，確保箭地之間電氣隔離。各路采集之間，采用隔離措施，避免因為采集設(shè)備破壞箭上原有信號隔離狀態(tài)。設(shè)備內(nèi)部和輸出電路部分與殼體之間只有濾波電容存在，有效地抑制干擾，降低噪聲。因此，測試設(shè)備交流供電輸入的PE線直接接殼體，飛行器上被采集信號必須與設(shè)備內(nèi)部電路隔離，確保人身安全和設(shè)備安全。通用測試設(shè)備接地情況如表2所示。其中，高頻測試設(shè)備多使用同軸電纜實現(xiàn)信號傳輸，其外導(dǎo)體屏蔽層也是信號地，由于電纜外導(dǎo)體屏蔽層與設(shè)備金屬外殼相連，形成“接地”設(shè)備，即信號地與供電輸入的零線N絕緣，但與機殼及供電輸入保護地線PE連通。此外，通用設(shè)備一般屬于商業(yè)品，為獲得更潔凈的信號品質(zhì)，將信號地與保護地共地使用。而飛行器上某些敏感電子設(shè)備需要一個潔凈信號地作為電位基準(zhǔn)，因此用通用設(shè)備測試時，容易將其他設(shè)備的共模干擾通過保護地到信號地通路傳導(dǎo)到測試設(shè)備，導(dǎo)致測試結(jié)果異常。因此，在使用示波器等通用設(shè)備測量飛行器上信號時，應(yīng)盡量采用電池供電的便攜示波器或存儲記錄儀，使信號地線不通過電源插座接入大地，實現(xiàn)浮地測量。避免信號地與保護地連通，由信號接口引入干擾，影響測試精度。

表2 測試設(shè)備接地情況

4 實驗結(jié)果與分析

綜上可知，無論是供電設(shè)備、測試設(shè)備還是控制設(shè)備，接地電路都可以歸結(jié)為外部220 V或380 V供電到內(nèi)部直流轉(zhuǎn)換過程中的接地處理。一般上講，供電通過交流輸入濾波和電源變換輸出為直流電壓。其中，輸入濾波有PI型濾波器和T型濾波器等，差模濾波器主要為了防止高頻開關(guān)噪聲在相線和中線之間引起的差模干擾；共模濾波器主要為遠鞭策的共模電流提供了一個低阻抗的旁路通道，抑制后級功率變換單元產(chǎn)生的共模噪聲通過交流電源線向外擴散，影響同一個供電系統(tǒng)中的其他用電設(shè)備，增強電源的電磁兼容性。而接地作為共模噪聲的旁路通道泄放點，輸入對機殼共模電容，起到抑制干擾作用。同樣輸出對機殼也設(shè)置共模電容，形成輸出對機殼的電容連接，用于降低開關(guān)頻率出的紋波電壓。

以供電設(shè)備為例，按照典型輸入輸出電路，設(shè)置輸入對機殼、輸出對機殼電容，進而實現(xiàn)接地，測試輸出紋波，檢查電容和接地對輸出特性的影響，具體情況見表2。從表中可見，輸入對殼和輸出對殼電容均起到減小微波的作用，提高電磁兼容特性。隨著電容值的增加，濾波效果更好，輸出紋波更小，但從輸出特性上看，電容值的增大，對電壓的建立和輸出衰減時間有延遲的作用，在要求響應(yīng)時間的場合需綜合考慮電容的影響。

表2 不同接地情況下輸出紋波測試結(jié)果

5 接地安全保證措施

綜合測試系統(tǒng)與飛行器安全緊密相關(guān)，是保證飛行器正常測試的前提。在使用過程中，必須按要求連接好保護地、信號地，采取必要的隔離措施，避免對飛行器上產(chǎn)品產(chǎn)生干擾[9-10]。根據(jù)各類設(shè)備特點，測試系統(tǒng)中設(shè)備外殼均應(yīng)接保護地，保證人員安全；供電設(shè)備、控制設(shè)備和低頻測試設(shè)備內(nèi)部電路應(yīng)與外部供電輸入保持隔離，與機殼也保持隔離；高頻測試設(shè)備由于機殼與保護地、內(nèi)部信號地相連，在進行有線測試時可能會導(dǎo)致設(shè)備與飛行器器共地，需采取斷開保護地的特殊接線板或直接用電池供電。結(jié)合設(shè)備應(yīng)用，綜合測試設(shè)備參與相關(guān)試驗需完成如下檢查工作：

1)試驗開始前，需對試驗場地進行技安檢查，包括供電品質(zhì)檢查、配電盤和接線板檢定、接地線檢查等項目，確保供電和接地環(huán)境良好；

2)需對設(shè)備進行功能測試，實行準(zhǔn)用證制度，并檢查設(shè)備接地正確、可靠，通用設(shè)備需有計量合格證且在有效期內(nèi)；

3)測試設(shè)備操作需明確崗位，由專人負責(zé)，并保證持證上崗；

4)設(shè)備與飛行器連接前，需對設(shè)備接口進行測試，輸出的激勵信號或電壓符合要求，不存在危險電壓。

5 結(jié)論

綜合測試設(shè)備正確、可靠接地，才能保證系統(tǒng)正常工作，滿足飛行器測試需求。測試設(shè)備設(shè)計應(yīng)貫徹貨架產(chǎn)品和盡量簡化的原則，測試人員應(yīng)了解各類測試設(shè)備的基本原理，掌握各設(shè)備接地需求和特點，在測試過程中正確、可靠接地，確保人員和設(shè)備安全，采取必要措施抑制干擾，保證飛行器接地安全。