針對飛機閃電防護要求，本文介紹了雷電抑制器的種類及其在飛機 領(lǐng)域的應(yīng)用與選用方法。
飛機各種空難中氣象災(zāi)難約占總災(zāi)難 50 %，雷電災(zāi)難 約占飛機氣象災(zāi)難的 60 %，且近年來有上升趨勢。雷電災(zāi)難 中直接效應(yīng)約占 70 %，間接效應(yīng)約占 30 %，明顯的間接效 應(yīng)約占 20 %。復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的大量使用，以及大規(guī) 模集成電路、超大規(guī)模集成電路和互補金屬氧化物半導(dǎo)體技 術(shù)及計算機技術(shù)在航空電子系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，致使雷電在 飛機內(nèi)的瞬變感應(yīng)更加復(fù)雜，電子設(shè)備對雷電瞬變感應(yīng)也更 為敏感。 飛機在遭遇雷擊時，雷電會對飛機產(chǎn)生不利甚至巨烈破 壞的效應(yīng)。因表現(xiàn)形式的不同，分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。間接效應(yīng)為雷電在電子和電氣設(shè)備中產(chǎn)生的過電壓和過電流 造成損壞或干擾。選用雷電抑制器是飛機雷電間接效應(yīng)防護 中的重要措施之一，它的作用是將由飛機導(dǎo)線引入的高危的 雷電流或雷電感應(yīng)電流泄放掉，抑制它們進入電子設(shè)備內(nèi)部， 從而保護飛機線路及設(shè)備免受雷電之害。 本文主要論述在民機雷電防護設(shè)計過程中雷電抑制器的 選取與應(yīng)用。 一、工作原理及分類 1、 工作原理 從最開始對新冠疫情的猝不及防，到全民抗疫的眾志成城、共克時艱，再到實現(xiàn)疫情防控常態(tài)化，我們積累了豐富的抗疫經(jīng)驗，取得了來之不易的重大成果。 雷電抑制器是一種過電壓保護限制器，具有瞬態(tài)抑制電 壓功能，可以對電路的設(shè)備進行保護，防止因雷擊產(chǎn)生的高 電壓大電流或在機身內(nèi)部線路上因開口縫隙或結(jié)構(gòu) IR 阻性 電壓耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電流而造成損壞。雷電抑制器通常與被 保護電氣設(shè)備并聯(lián)，當過電壓瞬間高于某個數(shù)值時，雷電抑 制器阻抗迅速下降，導(dǎo)通大電流，限制其兩端之間的電壓不 超過規(guī)定值，保護電氣設(shè)備;當電壓低于雷電抑制器工作電 壓值時，雷電抑制器呈高阻狀態(tài)，近乎開路，不會影響電氣 設(shè)備工作。 雷電抑制器的硬響應(yīng)特性是:當線路電壓超過雷電抑制 器的擊穿電壓時，雷電抑制器的絕緣阻抗立刻急劇下降，放電能力變強，與此同時被保護設(shè)備兩端的電壓差亦相應(yīng)增高。電壓差一旦超過被保護設(shè)備的承受能力，雷電抑制器就起不 到限制電壓的作用。為防止雷電抑制器絕緣劣化造成線路短 路，一般在雷電抑制器前面配備過流保護空氣開關(guān)或保險絲， 其額定電流應(yīng)小于雷電抑制器的最大短路允許強度，并且將 雷電抑制器緊靠被保護設(shè)備安裝。 2、分類 雷電抑制器為雷電流提供旁路，避免雷電引起的過電壓 和過電流造成的設(shè)備損壞或干擾。按抑制釋放雷電流的類別 而分為大電流和小電流兩種，按采用器件的多寡分為元器件 和復(fù)合型兩種。 大電流雷電抑制器:防護機外設(shè)備如防撞燈等引入飛機 內(nèi)部線路的雷電電流，其工作原理為高電壓大電流旁路。大 電流雷電抑制器耐受雷電感應(yīng)電流能力強，通常加裝在機外 電子電氣設(shè)備以及重要匯流條上的回路上。 小電流抑制器也稱元器件雷電抑制器:防護機身內(nèi)部線 路上因感應(yīng)電壓耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其作用機理是抑制過 電壓，并泄放感應(yīng)電流。小電流抑制器泄放雷電能力不如大 電流雷電抑制器，但在雷電瞬態(tài)敏感度等級要求不嚴苛的設(shè) 備處，其性價比較高。主要有氣體放電管、壓敏電阻和瞬態(tài) 電 壓 抑 制 管 TVS(Transient Voltage Suppressor)， 通 常加裝在重要電子電氣設(shè)備上。民用飛機中通常選用 TVS 管防護機內(nèi)重要設(shè)備線路接口，其特性曲線如圖 1 所示。 復(fù)合型雷電抑制器:含雷電抑制器元器件(如:TVS) 和濾波電路，因設(shè)備或系統(tǒng)所在的位置與使用要求的不同， 可以簡單，亦可以復(fù)雜。其常用于相對要求高的線路、設(shè)備 或系統(tǒng)。 濾波電路;由電容、電感、電阻及其他電子器件構(gòu)成的 以濾除無用或有害的頻率電流，以保障線路、設(shè)備或系統(tǒng)正 常工作的電路。 濾波電路因線路、設(shè)備或系統(tǒng)要求的不同，可以簡單， 亦可以很復(fù)雜。其可因濾波的范圍不同而分為:低通濾波電 路、高通濾波電路、帶通濾波電路和帶阻濾波電路。 通常，復(fù)合型雷電抑制器可分為信號雷電抑制器、電源 雷電抑制器、天線饋線雷電抑制器等。 二、在雷電防護設(shè)計中的應(yīng)用 飛機雷電間接效應(yīng)通常以兩種形式出現(xiàn)，一為雷電通過 導(dǎo)體將雷電電流直接引入飛機如天線、空速管加溫線、外部 燈具導(dǎo)線等，對飛機及其線路產(chǎn)生危害;二為沿機體掃掠和 流動的雷電電流在飛機線路中產(chǎn)生有害的感應(yīng)電壓，主要包 括磁感應(yīng)電壓、結(jié)構(gòu)阻性電壓、容性感應(yīng)電壓。 1、直接引入 天線、螺旋槳、空速管、外部燈具等大都安裝在飛機外 部。如果沒有穩(wěn)妥的保護，雷電就可能將其擊毀，將雷電電 流自天線信號線、螺旋槳加溫導(dǎo)線、空速管加溫導(dǎo)線或燈具 燈絲導(dǎo)線等引入飛機內(nèi)部線路。如果線路阻止雷電流的擴散， 或者雷電電流所占的通路里載流能力有限，那么，雷電電流 對飛機的破壞程度會更深。 機外設(shè)備的導(dǎo)線將雷電電流引入機體內(nèi)部的防護方法， 一是按機外設(shè)備直接效應(yīng)防護設(shè)計要求嚴格進行直接效應(yīng)防 護設(shè)計，把好雷電附著或掃掠沖擊不致毀壞設(shè)備這一關(guān)。同 時，為防萬一，在設(shè)備導(dǎo)線的端接處接入大電流雷電抑制器， 能有效地釋放進入的雷電流。針對機載天線因受到瞬時雷電 沖擊而在信號傳輸線上產(chǎn)生的巨大感應(yīng)電流，也可選擇天線 饋線雷電抑制器。 2、感應(yīng)電壓 雷電流附著和掃掠時，會產(chǎn)生強磁場和瞬態(tài)電場，一部 分磁通量通過電磁開口(如:風(fēng)擋、窗口、口蓋縫隙、復(fù)合 材料蒙皮及整流罩)穿透到飛機內(nèi)部，在機內(nèi)設(shè)備互聯(lián)線束 上感應(yīng)出瞬態(tài)高電壓和大電流，而瞬態(tài)電場通過電磁開口會 感應(yīng)出位移電流，在設(shè)備電路上產(chǎn)生容性感應(yīng)電壓。 雷電流流經(jīng)機身時，機身的結(jié)構(gòu)電阻所產(chǎn)生的阻性電壓， 對于鋁材良導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu) IR 電壓值很小;而對于碳纖維復(fù) 合材料結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu) IR 電壓值很大，尤其是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，結(jié) 構(gòu)電阻可達 10mΩ 量級，200kA 的雷電流將產(chǎn)生上千伏的電 壓，該電壓可能出現(xiàn)在設(shè)備與安裝結(jié)構(gòu)、設(shè)備與設(shè)備之間。 針對此類感應(yīng)電壓，可選擇合適的雷電抑制器并聯(lián)接入 設(shè)備端口處，雷電抑制器串接保險絲接地，如圖 2 所示。納 s 級的雷電波在對地泄放時產(chǎn)生的地電壓反擊和雷電波侵入 的作用時間可能被延長至毫 s 級甚至更長。在選擇雷電抑制 器和保險絲時，應(yīng)根據(jù)雷電抑制器的最大允許熔絲電流、線 路的進線容許短路電流和設(shè)備的負荷綜合考慮。 3 、選用方法 根據(jù)被保護線路的額定電壓以及可能遭受的雷電瞬態(tài)敏 感度等級(見表 1)選擇適合的雷電抑制器。
雷電抑制器主要電氣參數(shù)有: VBR:最大擊穿電壓，其對應(yīng)的反向電流 IT 一般取值 1mA; VR:最大轉(zhuǎn)折電壓，是反向擊穿之前的臨界電壓; VC:最大嵌位電壓，當雷電抑制中流過的電流為峰值電 流 IPP 的大電流時，雷電抑制器兩端的電壓就不再上升了， 因此雷電抑制器能夠始終把被保護電路(設(shè)備、系統(tǒng))限制在 VBR 與 VC 之間，VC 應(yīng)不大于被保護電路的可承受極限電壓; IPP:峰值電流，IPP 越大，雷電電流(雷電感應(yīng)電流) 的承受能力越強，雷電抑制器可靠性越高; PM:最大允許脈沖功率，PM= VC*IPP，在給定 VC 下， PM 越大，其雷電電流(雷電感應(yīng)電流)的承受能力越強; VWM:標稱電壓，與被保護電路額定電壓(穩(wěn)態(tài)工作電壓) 相符。 響應(yīng)時間:納 s 級。 所有選擇的雷電抑制器是否合適需經(jīng)過雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏 感度試驗測試，根據(jù) DO - 160G 中 22 章的試驗類別、試 驗等級進行測試，經(jīng)過雷電抑制器防護的設(shè)備在測試前后能 夠正常工作則所選雷電抑制器合格。
三、結(jié)語
本文為研發(fā)人員提供了民用飛機機載電子電氣設(shè)備雷電 防護設(shè)計過程中雷電抑制器的應(yīng)用方法，并根據(jù)雷電抑制器 產(chǎn)品給出的電氣參數(shù)選擇具體型號，為今后雷電抑制器在民 用飛機機載電子電系系統(tǒng)雷電防護設(shè)計過程中的應(yīng)用提供一 定的借鑒作用。