机载产品的接地设计分析

刘国美，邓道杰，范新明，李欢欢

(1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.中兴通信股份有限公司，陕西 西安 710164)

0 引言

大地具有非常大的电容量，是理想的零电位，不论往大地注入多大的电流或电荷，在稳态时其电位保持为零。因此，将大地作为安全地。在飞机系统中，由于飞机蒙皮是一个大型导电物体，所以将飞机蒙皮的等效金属导体用来代替大地，其目的在于确定与之相连接的导体电位并使之大致维持在大地电位或维持在代替大地的等效金属导体的电位。对机载产品的接地进行合理有效的设计，可以提高系统的稳定性和安全性。

1 接地技术

1.1 机载产品安全接地分析

飞机上任何大型系统的电路(仪器)都要安装在机架上或机箱里面，为了安全考虑，这些机架或机箱都必须接地。面板被安装在机架上用金属接地带连接到机架上以提供良好的接地，机架则用金属带连接在主电源上，电路的地没有与机架或机箱接触。机架上的噪声电流不可能通过电路的地而回流到系统的地。

安全接地就是采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上，使操作人员不致因设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。通常，安全接地分为设备安全接地、接零保护接地、防雷接地。在由115V交流电源供电或由270V高压直流供电时，安全接地尤为重要。因为高压电与机架之间存在分布阻抗Z1，机架与大地之间存在分布阻抗Z2，机架的电位是由Z1和Z2组成的分压来决定的，如图1(a)和(1)式所示。

图1 机架的安全接地

(1)

由图1(a)和公式(1)可看出，机架可能具有高的电位并有产生电击的危险，还有可能产生绝缘击穿，这是因为它的电位是由分布阻抗的相对值决定的，设计师很难对它进行控制。如果机架是接地的，则这时的阻抗Z2变为零，所以机架的电位就等于零。图1(b)显示了机架不接地的另一种情况，此种情况更危险，一个装有保险丝的交流电源线进入一个机架，如果线缆某处的绝缘层因绝缘老化、受潮等原因使导线绝缘性能降低、或因环境气体污染、灰尘沉积导致漏电和电弧击穿打火或导线磨损而被击穿，使高压电与机架接触，机架将会具有传输与保险丝熔断电流相同电流的能力。任何与机架和地接触的人体就会触电死亡。图1(c)中，将机壳或机架接安全地后，机架电位为零，即使人体触摸到机架也不会触电。

在飞机上系统接地设计时，通常用主电源的地作为电子设备共地点，然后再将该地单点接到大地上[2]，将高频噪声电流导入大地。如图2所示。如果按照右边机架连接地，图中的电路地被连接到机架地上，此时，机架上的噪声电流能够回流到电子设备的地上，于是在点1，2，3，4与点1之间形成了一个地环路。

图2 系统接地示意图

1.2 机载产品接零保护接地

部分机载产品采用115V，400 Hz(单相二线制)或三相四线制电源提供电力,或采用市电220V(单相三线制)给测试设备提供电力。如图3所示。用电设备的金属壳体除了正常接地外，还应与电网零线相连，称之为接零保护。

图3 接零保护接地

2 案例分析

在某实验室，工程师在测试机架电路时被电击，现场工作人员当时是一个手扶在机架外壳上、一个手去用插针测试电路，当他碰到被测试的电路处时，有触电的感觉并本能地将手弹开；随后，飞机座舱附近的大屏幕有一根270V-导线与实验室地共地，该导线被烧断。具体原因分析为：

1) 该单位机架产品使用的是270V电源供电，270V-与机架外壳地没有共地;

2) 设备集成机架使用的是270V电源供电，270V-负与机架外壳地没有共地;

3) 实验室测试机柜上的配电开关处于OFF时，电源指示灯仍在闪烁；

4) 测试实验室配电柜发现，实验室大地比270V电源的负端高出270V，270V正与大地基本相等。

5) 由于设备液体渗漏到电源滤波器，使得设备外壳与270V绝缘电阻降低，导致外壳带电。

6) 大屏幕区域一根270V-导线和大地共地相连，形成了一个回路且回路阻抗低，导致该导线烧断。

7) 由于270V-地与机壳(大地)没有共地而使得大地电位高出270V-。当测试人员一个手臂接触外壳、另一个手接触到电路部分(被测电路以270V-为参考地)时，人体上就等于加了与270V电压有关的高压，人体被高电压触及，有手发麻的感觉，如图4所示。

图4 人体触电示意图

整改措施：在实验室配电柜处将270V-与大地用导线短接，使实验室大地与270V地基本上等电位，可去除电人的安全隐患。

3 结束语

本文对机载产品的接地方式进行了设计分析，并对故障案例进行剖析，解决了系统接地安全问题，提高了飞机系统的安全性和可靠性。