电气系统闪电间接效应设计与验证技术研究论文(2)
时间：2021-08-31另一方面，由于飞机上各区域的闪电环境是不相同的，如图2中，设备A安装在环境较好的闪电保护区，而设备B安装在环境较差的闪电暴露区，此时，需要对闪电环境隔离进行特殊考虑。在闪电暴露区的TCL和ETDL相对闪电保护区要高很多，一般在闪电保护区采用屏蔽导线可以达到闪电防护的作用，但在闪电暴露区则还需要在屏蔽导线外再增加一层屏蔽编织套，从而达到两级屏蔽衰减的效果。为了防止闪电暴露区的高电压或电流串入闪电保护区，屏蔽编织套应该搭接到这两个区域边界附件的结构（一般搭接在暴露区的结构上），可以采用线搭接（Pigtail）或者分离面（360°，面搭接）的形式，从而在闪电暴露区和闪电保护区形成独立的屏蔽回路，实现闪电环境的隔离。
通过电缆屏蔽的设计，闪电间接效应产生的高电压和电流会被限制在屏蔽回路中，限制了作用至设备接口处的电压，从保障系统和设备的功能可以在闪电环境下正常运行。
3.2 设备接口防护
在电缆屏蔽对闪电防护的基础上，还要在设备内部进行闪电防护设计，防止串入设备接口处的闪电高电压或电流损坏设备。目前，在民用飞机电子设备上采用的闪电防护手段主要有两类，电路隔离设计和闪电防护器件。
电路隔离设计要求构成电路回路的两端设备都进行隔离设计，设备内部需要设计与飞机结构地相隔离的电源作为电路回路的工作电源。对于交流设备，电源隔离可以通过变压器直接实现；但对于直流供电设备，则需要设计开关电源来提供隔离电源。
闪电防护器件是一种简单而有效的防护设计，包括气体放电管、压敏电阻和瞬态二极管。由于瞬态二极管的响应时间能达到10-12s的级别，普遍使用在民用飞机电子设备上，如图3所示。
由于闪电间接效应产生的电压具有正负极性的特征，所以设计时应使用双向瞬态二极管或者使用两个单向瞬态二极管进行双向布置。选用瞬态二极管时，应考虑如下几点：
根据设备ETDL规定的闪电插针电平/电流，确定瞬态二极管的功率，该功率应拥有一定裕度；
瞬态二极管的额定反向关断电压应大于后端电路的最大工作电压，确保TVS不影响后端电路的正常工作；
瞬态二极管的最大钳位电压应小于后端被保护电路的损坏电压；
如图3所示，瞬态二极管与针脚之间可以设计一个电阻，在该电阻不影响后端电路正常工作的前提下，可以降低瞬态二极管的实际工作功率，增强闪电保护。
4 试验验证技术
针对电缆屏蔽防护和设备接口防护，有系统级和设备级的闪电间接效应试验，SAE ARP 5416提供了系统级闪电试验的要求和方法，DO-160G的'第22章规定了设备级的闪电电缆束试验和闪电插针注入试验要求和方法。其中，闪电电缆束试验为功能敏感性试验，要求试验过程中，系统/设备的功能不能受到干扰且设备不被损坏，主要验证电缆屏蔽的性能，包括系统级试验和设备级试验；闪电插针注入试验为损伤评估试验，要求试验后设备不能被损坏，主要在设备级验证设备内部接口防护设计的性能。
对于闪电电缆束试验，要分别依次进行设备级和系统级的试验验证，试验的方法和要求上有所区别，如表1所列。
在设计设备级的闪电电缆束试验时，由于采用的是单线束或者单设备注入，考虑设备本身的功能受扰能否被监控到即可。
在设计系统级的闪电电缆束试验时，要以系统功能是否受扰为基本出发点，如条款25.1316所述，着重要考虑A/B/C级功能，其中A级功能在试验过程中不能出现失效状态；B/C级功能可以出现失效但要及时恢复，如果出现失效则要对及时恢复性进行详细的定量分析。对于系统级试验，首先要考虑系统功能失效状态涉及的电缆集合或者设备集合，然后要按照这些集合对集合中的电缆或设备采用同时注入的方法。而对于可能会出现的功能失效，要设计相应的监控手段，包括从读取系统多个设备的状态或者引入独立于系统的传感器进行监控，使用这些数据要能够准确且有效地判断出系统功能失效。
在系统级试验中，对于系统所包含设备以外的交联设备，如果涉及系统A级功能，应尽量使用取证构型的真件；如果涉及系统B/C级，可以使用与取证构型等效的仿真负载，但是必须进行分析说明。试验电缆也要与飞机取证构型电缆一致，尤其是电缆成束、导线的长度、材料和直径、屏蔽层设计、屏蔽层端接、连接器和尾线夹等关键因素要与飞机电缆一致。
通过设备级和系统级的闪电电缆束试验以及闪电插针试验，可以验证系统/设备的闪电防护设计能够满足ETDL的需求。另外，还需要通过飞机级闪电试验验证ETDL大于真实瞬态等级ATL的两倍，最终符合条款25.1316。
5 结束语
本文介绍了民用飞机电气和电子系统闪电防护适航条款，详细阐述了闪电防护需求确定的过程、飞机详细设计阶段闪电防护的设计措施以及在飞机试制阶段闪电需求的验证方法。文中阐述的是对条款25.1316的一般通用符合性方法，实际上FAA、EASA以及CAAC等不同适航当局的要求不完全一样，此时申请人需要制定方案，提前与适航当局进行讨论，确保局方能够认可对条款25.1316的符合性方法。
1.[课题项目] 本工作受到上海市浦江人才计划项目的资助，课题编号15PJ1433900。
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