民用飛機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)

□ 陳海兵

中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 上海 201210

1 設(shè)計(jì)背景

民用飛機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)與飛機(jī)的可靠性關(guān)系密切,接地設(shè)計(jì)不正確可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作,甚至?xí)p壞設(shè)備。筆者對(duì)民用飛機(jī)電氣互聯(lián)系統(tǒng)的接地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 接地類型

每一個(gè)接地必須標(biāo)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(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,用于追溯系統(tǒng)的要求。為保證流程的可追溯性,每一個(gè)接地都必須標(biāo)注由系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)備接地而提供的大結(jié)構(gòu)搭接,能夠傳輸要求的最大回路電流。通常對(duì)于100 A電流,接觸電阻值不能大于0.75 mΩ。

(2)信號(hào)接地。信號(hào)接地指將信號(hào)傳輸回路通過(guò)搭接線、卡箍或彈簧接觸件連接至結(jié)構(gòu)上的搭接,僅僅適用于信號(hào)傳輸回路本身。這些搭接對(duì)于防止由電磁輻射和開關(guān)效應(yīng)造成的干擾是必要的,同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)本身的運(yùn)行而言也是必要的。

(3)機(jī)架接地。機(jī)架接地指將電子電氣設(shè)備殼體連接至結(jié)構(gòu)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(shè)備接地而提供的大結(jié)構(gòu)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(jìn)行隔離;② 大電流接地和主電源接地,由于具有強(qiáng)輻射場(chǎng),因此需要和其它接地進(jìn)行隔離;③ 有多于一個(gè)供電源,但只有一個(gè)接地的設(shè)備,設(shè)備的電源可以通過(guò)繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,因此電源接地需要與其它所有接地進(jìn)行隔離,以防止不同的匯流條匯聚在同一個(gè)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(jié)構(gòu)或連接器尾附件上的搭接。

2.2 系統(tǒng)代碼

為確保民用飛機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)在系統(tǒng)裕度和重要電源系統(tǒng)方面的可追溯性,每一個(gè)信號(hào)的電源接地都要有系統(tǒng)代碼。機(jī)架接地、隔離接地及屏蔽接地不需要有系統(tǒng)代碼,接地的系統(tǒng)代碼來(lái)源于所接地線的系統(tǒng)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(méi)有電壓類型。

3 接地線長(zhǎng)度

接地線最大長(zhǎng)度確定原則為通路上搭接的任意一個(gè)搭接電阻值不能大于2.5 mΩ。電源接地線的長(zhǎng)度取決于接地是集中接地還是分散接地,例如航電設(shè)備的接地必須返回到設(shè)備端,以克服接地環(huán)路耦合。主結(jié)構(gòu)的材料會(huì)影響接地的方式,例如在復(fù)合材料區(qū)域,只能采用集中接地。對(duì)于信號(hào)和屏蔽接地,接地線長(zhǎng)度與信號(hào)頻率有關(guān),需盡可能短。

接地線的通用長(zhǎng)度一般不能大于表1中給出的最大長(zhǎng)度。接地線的長(zhǎng)度需從端接點(diǎn)測(cè)量到接地耳片的入線口處。當(dāng)接地線的長(zhǎng)度大于最大長(zhǎng)度時(shí),需要考慮導(dǎo)線長(zhǎng)度造成的壓降。

表1 接地線最大長(zhǎng)度 mm

4 接地安裝形式

民用飛機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)的接地安裝一般可以分為兩類:單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地也稱回線接地,以結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)作為參考地。多點(diǎn)接地用于高頻和數(shù)字電路的接地。多點(diǎn)接地的系統(tǒng)通常連接到最近的低阻抗地平面上,如飛機(jī)機(jī)架和飛機(jī)結(jié)構(gòu)。

5 接地設(shè)計(jì)基本輸入

對(duì)于接地設(shè)計(jì),飛機(jī)級(jí)或系統(tǒng)級(jí)需提供以下基本輸入:① 飛機(jī)搭接和接地規(guī)范,如飛機(jī)接地要求,接地系統(tǒng)和電流回路網(wǎng)絡(luò)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(hào)接地或機(jī)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(guò)接地清單能夠有效管理導(dǎo)線的分配工作,可以減少迭代的次數(shù)。在整個(gè)設(shè)計(jì)階段,接地清單應(yīng)至少包含以下基本參數(shù):接地設(shè)備號(hào)、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(zé)。

具體接地信息包括:① 接地類型;② 預(yù)期的零件號(hào),在初步設(shè)計(jì)階段為可選,在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段為必選;③ 接地導(dǎo)線歸屬的線束號(hào);④ 接地從端和到端定義,如從端設(shè)備描述、隔離代碼、接地線規(guī)、接地位置或區(qū)域、電流和電壓等。

對(duì)于接地設(shè)計(jì),物理安裝設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)之間需多輪迭代,因此接地清單需由這兩個(gè)部門負(fù)責(zé),線束安裝需包括可能的接地位置信息。

7 接地設(shè)計(jì)流程

接地設(shè)計(jì)流程通常包括以下步驟:① 分析系統(tǒng)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(gòu);④ 基于接地類型和飛機(jī)區(qū)域代碼,確認(rèn)可行的接地設(shè)計(jì)并安裝;⑤ 確認(rèn)接地設(shè)計(jì)滿足接地要求,如系統(tǒng)隔離要求、單個(gè)接地樁和模塊上的最大接地?cái)?shù)量等;⑥ 定義接地樁。

8 接地設(shè)計(jì)要求

(1)接地系統(tǒng)隔離。每一個(gè)具有不同系統(tǒng)代碼的接地,需安裝在獨(dú)立的接地樁上,僅具有相同系統(tǒng)代碼的接地可以連接到同一個(gè)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(gè)接地樁,但是可以共用同一個(gè)接地板。

(3)電源接地和信號(hào)接地。電源和信號(hào)回路需通過(guò)合適的接地回路連接至金屬機(jī)身上。

(4)接地模塊最大接地?cái)?shù)量。每個(gè)接地模塊上最多允許有16個(gè)接地信號(hào)。

(5)接地樁最大接地?cái)?shù)量。任何單個(gè)接地樁上最多接四個(gè)接線端子,或三個(gè)接線端子加一個(gè)匯流條,以三個(gè)端子和一個(gè)備用端子為最佳。當(dāng)同一個(gè)接地樁上的端子尺寸不一致時(shí),最大的端子需安裝在最下面,小的端子安裝在頂部。單個(gè)接地樁上的端子數(shù)量受導(dǎo)線線規(guī)限制,具體為一個(gè)端子允許6AWG或更大線規(guī)導(dǎo)線,兩個(gè)端子允許8AWG線規(guī)導(dǎo)線,四個(gè)端子允許10AWG或更小線規(guī)導(dǎo)線。

(6)非氣密區(qū)域設(shè)備的接地。依據(jù)有效的搭接面,接地可以安裝在氣密區(qū)域和非氣密區(qū)域。如果是信號(hào)接地,最好在信號(hào)源端接地。從重力角度考慮,應(yīng)優(yōu)選在設(shè)備端就近接地。

(7)復(fù)合材料區(qū)域的接地。不允許接地直接接在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上。在復(fù)合材料區(qū)域,需要根據(jù)工程實(shí)際為電源和信號(hào)接地搭建獨(dú)立的回路網(wǎng)絡(luò)。安裝在復(fù)合材料區(qū)域的電子電氣設(shè)備,需要有專門的電源接地及信號(hào)接地,這些接地需要與設(shè)備機(jī)架接地隔離。

(8)安裝在口蓋處設(shè)備的接地。對(duì)于安裝在口蓋處的設(shè)備,電源和信號(hào)回路應(yīng)從連接器端連接至信號(hào)源處,或就近在飛機(jī)結(jié)構(gòu)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(yīng)在離連接器盡可能近的地方接地,具體為端接點(diǎn)附近區(qū)域。對(duì)于頻率高于3 MHz的高頻信號(hào),電線電纜的屏蔽層需要兩端進(jìn)行360°屏蔽端接,在工藝分離面處也是如此。高頻信號(hào)電線電纜屏蔽要求如圖1所示。

▲圖1 高頻信號(hào)電線電纜屏蔽要求

頻率為1 MHz～3 MHz的關(guān)鍵或重要設(shè)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(shè)備,電線電纜的屏蔽層需要用屏蔽引線在設(shè)備和工藝分離面端接至尾附件上,引線長(zhǎng)度不得大于80 mm。

屏蔽引線和360°屏蔽端接不能同時(shí)使用。對(duì)于頻率低于1 MHz的低頻系統(tǒng),電線電纜屏蔽層需通過(guò)屏蔽引線端接,屏蔽引線長(zhǎng)度不得大于150 mm。對(duì)于頻率低于100 kHz的低頻系統(tǒng),為避免接地回路效應(yīng),電線電纜的屏蔽層僅在靠近信號(hào)源的一端接地,另一側(cè)需懸浮。在每一個(gè)工藝分離面處,每一個(gè)屏蔽層通過(guò)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(guò)連接器孔實(shí)現(xiàn)屏蔽層的連續(xù)。低頻信號(hào)導(dǎo)線屏蔽處理方式如圖2所示。

▲圖2 低頻信號(hào)導(dǎo)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(shù)量。當(dāng)屏蔽線數(shù)量比較少時(shí),每根屏蔽線通過(guò)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(shí)端接方式

當(dāng)屏蔽線數(shù)量較多時(shí),所有屏蔽線綁扎在一起,通過(guò)一根屏蔽引線連接至連接器孔中,屏蔽引線應(yīng)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(shí)端接方式

民用飛機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)需要決定在工藝分離面處采取何種處理方式。從非氣密區(qū)域穿入氣密區(qū)域的同軸線纜,在工藝分離面處需有屏蔽接地設(shè)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(shè)備和工藝分離面端都需進(jìn)行360°屏蔽搭接,在非氣密區(qū)的搭接間隔取決于適用的波長(zhǎng)。任何從非氣密區(qū)進(jìn)入氣密區(qū)的線束外屏蔽,包括金屬編織層在分界處需進(jìn)行360°屏蔽搭接。

接地設(shè)計(jì)要求匯總見(jiàn)表2。對(duì)于隔離接地,單個(gè)接地樁上只能有一個(gè)端子。

表2 接地設(shè)計(jì)要求匯總

9 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)民用飛機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了接地設(shè)計(jì)。按照筆者介紹的接地設(shè)計(jì)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。