民用飞机电气线路互联系统接地设计

□ 陈海兵

中国商飞上海飞机设计研究院 上海 201210

1 设计背景

民用飞机电气线路互联系统的接地设计与飞机的可靠性关系密切,接地设计不正确可能导致系统不能正常工作,甚至会损坏设备。笔者对民用飞机电气互联系统的接地进行设计。

2 接地类型

每一个接地必须标注接地类型代码,以满足适航要求。接地类型代码在民用飞机电气线路互联系统设计过程中,用于追溯系统的要求。为保证流程的可追溯性,每一个接地都必须标注由系统定义的接地类型代码。接地类型代码包含三要素:接地类别、系统代码、电压类型。

2.1 接地类别

(1)电源接地。电源接地是为电子电气设备接地而提供的大结构搭接,能够传输要求的最大回路电流。通常对于100 A电流,接触电阻值不能大于0.75 mΩ。

(2)信号接地。信号接地指将信号传输回路通过搭接线、卡箍或弹簧接触件连接至结构上的搭接,仅仅适用于信号传输回路本身。这些搭接对于防止由电磁辐射和开关效应造成的干扰是必要的,同时对于系统本身的运行而言也是必要的。

(3)机架接地。机架接地指将电子电气设备壳体连接至结构上的搭接,需传输电源回路的最大电流。

(4)隔离接地。隔离接地是为电子电气设备接地而提供的大结构搭接。隔离接地在以下情况下使用:① 抗干扰回路的接地,需与其它所有接地进行隔离;② 大电流接地和主电源接地,由于具有强辐射场,因此需要和其它接地进行隔离;③ 有多于一个供电源,但只有一个接地的设备,设备的电源可以通过继电器进行转换,因此电源接地需要与其它所有接地进行隔离,以防止不同的汇流条汇聚在同一个接地桩上。

(5)屏蔽接地。屏蔽接地指将电缆的屏蔽层连接至结构或连接器尾附件上的搭接。

2.2 系统代码

为确保民用飞机电气线路互联系统在系统裕度和重要电源系统方面的可追溯性,每一个信号的电源接地都要有系统代码。机架接地、隔离接地及屏蔽接地不需要有系统代码,接地的系统代码来源于所接地线的系统代码,两者需保持一致。

2.3 电压类型

电源接地分为直流接地和交流接地两种,取决于功率源。电源接地的功率源是取电的汇流条,因此电压类型取决于汇流条的电压类型。其它的接地类别不依赖于直流或交流功率源,因此非电源接地的接地类型代码中没有电压类型。

3 接地线长度

接地线最大长度确定原则为通路上搭接的任意一个搭接电阻值不能大于2.5 mΩ。电源接地线的长度取决于接地是集中接地还是分散接地,例如航电设备的接地必须返回到设备端,以克服接地环路耦合。主结构的材料会影响接地的方式,例如在复合材料区域,只能采用集中接地。对于信号和屏蔽接地,接地线长度与信号频率有关,需尽可能短。

接地线的通用长度一般不能大于表1中给出的最大长度。接地线的长度需从端接点测量到接地耳片的入线口处。当接地线的长度大于最大长度时,需要考虑导线长度造成的压降。

表1 接地线最大长度 mm

4 接地安装形式

民用飞机电气线路互联系统的接地安装一般可以分为两类:单点接地和多点接地。单点接地也称回线接地,以结构上某一点作为参考地。多点接地用于高频和数字电路的接地。多点接地的系统通常连接到最近的低阻抗地平面上,如飞机机架和飞机结构。

5 接地设计基本输入

对于接地设计,飞机级或系统级需提供以下基本输入:① 飞机搭接和接地规范,如飞机接地要求,接地系统和电流回路网络定义;② 最大阻抗或直流电阻;③ 接地类别定义,如电源接地、信号接地或机架接地;④ 裕度和隔离要求;⑤ 接地从端和接地到端定义。

6 接地清单

通过接地清单能够有效管理导线的分配工作,可以减少迭代的次数。在整个设计阶段,接地清单应至少包含以下基本参数:接地设备号、明确接地归属的原理图或线路图、具体接地信息、接地清单职责。

具体接地信息包括:① 接地类型;② 预期的零件号,在初步设计阶段为可选,在详细设计阶段为必选;③ 接地导线归属的线束号;④ 接地从端和到端定义,如从端设备描述、隔离代码、接地线规、接地位置或区域、电流和电压等。

对于接地设计,物理安装设计和功能设计之间需多轮迭代,因此接地清单需由这两个部门负责,线束安装需包括可能的接地位置信息。

7 接地设计流程

接地设计流程通常包括以下步骤:① 分析系统原理图中定义的接地;② 分析接地从端至到端的路径;③ 分析主通道架构;④ 基于接地类型和飞机区域代码,确认可行的接地设计并安装;⑤ 确认接地设计满足接地要求,如系统隔离要求、单个接地桩和模块上的最大接地数量等;⑥ 定义接地桩。

8 接地设计要求

(1)接地系统隔离。每一个具有不同系统代码的接地,需安装在独立的接地桩上,仅具有相同系统代码的接地可以连接到同一个接地桩上。

(2)直流接地和交流接地隔离。直流接地和交流接地不能共用同一个接地桩,但是可以共用同一个接地板。

(3)电源接地和信号接地。电源和信号回路需通过合适的接地回路连接至金属机身上。

(4)接地模块最大接地数量。每个接地模块上最多允许有16个接地信号。

(5)接地桩最大接地数量。任何单个接地桩上最多接四个接线端子,或三个接线端子加一个汇流条,以三个端子和一个备用端子为最佳。当同一个接地桩上的端子尺寸不一致时,最大的端子需安装在最下面,小的端子安装在顶部。单个接地桩上的端子数量受导线线规限制,具体为一个端子允许6AWG或更大线规导线,两个端子允许8AWG线规导线,四个端子允许10AWG或更小线规导线。

(6)非气密区域设备的接地。依据有效的搭接面,接地可以安装在气密区域和非气密区域。如果是信号接地,最好在信号源端接地。从重力角度考虑,应优选在设备端就近接地。

(7)复合材料区域的接地。不允许接地直接接在复合材料结构上。在复合材料区域,需要根据工程实际为电源和信号接地搭建独立的回路网络。安装在复合材料区域的电子电气设备,需要有专门的电源接地及信号接地,这些接地需要与设备机架接地隔离。

(8)安装在口盖处设备的接地。对于安装在口盖处的设备,电源和信号回路应从连接器端连接至信号源处,或就近在飞机结构上接地。

(9)电线电缆屏蔽层端接。只要有可能,电线电缆的屏蔽层需端接至连接器尾附件上。如果不可以端接至尾附件上,那么应在离连接器尽可能近的地方接地,具体为端接点附近区域。对于频率高于3 MHz的高频信号,电线电缆的屏蔽层需要两端进行360°屏蔽端接,在工艺分离面处也是如此。高频信号电线电缆屏蔽要求如图1所示。

▲图1 高频信号电线电缆屏蔽要求

频率为1 MHz～3 MHz的关键或重要设备,电线电缆的屏蔽层需要在连接器尾附件和分离面端360°屏蔽端接。频率为1 MHz～3 MHz的非重要设备,电线电缆的屏蔽层需要用屏蔽引线在设备和工艺分离面端接至尾附件上,引线长度不得大于80 mm。

屏蔽引线和360°屏蔽端接不能同时使用。对于频率低于1 MHz的低频系统,电线电缆屏蔽层需通过屏蔽引线端接,屏蔽引线长度不得大于150 mm。对于频率低于100 kHz的低频系统,为避免接地回路效应,电线电缆的屏蔽层仅在靠近信号源的一端接地,另一侧需悬浮。在每一个工艺分离面处,每一个屏蔽层通过屏蔽引线端接至连接器孔中,屏蔽层不能连接到工艺分离面上,仅仅通过连接器孔实现屏蔽层的连续。低频信号导线屏蔽处理方式如图2所示。

▲图2 低频信号导线屏蔽处理方式

端接方法取决于工艺分离面处线束中屏蔽线的数量。当屏蔽线数量比较少时,每根屏蔽线通过一根屏蔽引线端接至连接器孔中,如图3所示。

▲图3 工艺分离面处屏蔽线少时端接方式

当屏蔽线数量较多时,所有屏蔽线绑扎在一起,通过一根屏蔽引线连接至连接器孔中,屏蔽引线应位于线束的中间位置,如图4所示。

▲图4 工艺分离面处屏蔽线多时端接方式

民用飞机电气线路互联系统设计团队根据需要决定在工艺分离面处采取何种处理方式。从非气密区域穿入气密区域的同轴线缆,在工艺分离面处需有屏蔽接地设备,不允许使用直接穿墙的同轴电缆。

(10)线束外屏蔽端接。任何线束外屏蔽,包括金属编织层在设备和工艺分离面端都需进行360°屏蔽搭接,在非气密区的搭接间隔取决于适用的波长。任何从非气密区进入气密区的线束外屏蔽,包括金属编织层在分界处需进行360°屏蔽搭接。

接地设计要求汇总见表2。对于隔离接地,单个接地桩上只能有一个端子。

表2 接地设计要求汇总

9 结束语

笔者对民用飞机电气线路互联系统进行了接地设计。按照笔者介绍的接地设计方法,能够有效减少接地器件,屏蔽效果较好,便于线束组件的集成安装。