飞机闪电防护设计中雷电抑制器的应用|导线|抑制器|电阻|雷电|雷电流

飞机闪电防护设计中雷电抑制器的应用

中航通飞研究院

郑秀华(1985-)女，硕士，工程师，中航通飞研究院。

针对飞机闪电防护要求，本文介绍了雷电抑制器的种类及其在飞机领域的应用与选用方法。

飞机各种空难中气象灾难约占总灾难 50 %，雷电灾难约占飞机气象灾难的 60 %，且近年来有上升趋势。雷电灾难中直接效应约占 70 %，间接效应约占 30 %，明显的间接效应约占 20 %。复合材料在飞机结构中的大量使用，以及大规模集成电路、超大规模集成电路和互补金属氧化物半导体技术及计算机技术在航空电子系统中的广泛应用，致使雷电在飞机内的瞬变感应更加复杂，电子设备对雷电瞬变感应也更为敏感。

飞机在遭遇雷击时，雷电会对飞机产生不利甚至巨烈破坏的效应。因表现形式的不同，分为直接效应和间接效应。间接效应为雷电在电子和电气设备中产生的过电压和过电流造成损坏或干扰。选用雷电抑制器是飞机雷电间接效应防护中的重要措施之一，它的作用是将由飞机导线引入的高危的雷电流或雷电感应电流泄放掉，抑制它们进入电子设备内部，从而保护飞机线路及设备免受雷电之害。

本文主要论述在民机雷电防护设计过程中雷电抑制器的选取与应用。

工作原理及分类

//工作原理

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雷电抑制器是一种过电压保护限制器，具有瞬态抑制电压功能，可以对电路的设备进行保护，防止因雷击产生的高电压大电流或在机身内部线路上因开口缝隙或结构 IR 阻性电压耦合产生的感应电流而造成损坏。雷电抑制器通常与被保护电气设备并联，当过电压瞬间高于某个数值时，雷电抑制器阻抗迅速下降，导通大电流，限制其两端之间的电压不超过规定值，保护电气设备;当电压低于雷电抑制器工作电压值时，雷电抑制器呈高阻状态，近乎开路，不会影响电气设备工作。

雷电抑制器的硬响应特性是:当线路电压超过雷电抑制器的击穿电压时，雷电抑制器的绝缘阻抗立刻急剧下降，放电能力变强，与此同时被保护设备两端的电压差亦相应增高。电压差一旦超过被保护设备的承受能力，雷电抑制器就起不到限制电压的作用。为防止雷电抑制器绝缘劣化造成线路短路，一般在雷电抑制器前面配备过流保护空气开关或保险丝，其额定电流应小于雷电抑制器的最大短路允许强度，并且将雷电抑制器紧靠被保护设备安装。

//分类

雷电抑制器为雷电流提供旁路，避免雷电引起的过电压和过电流造成的设备损坏或干扰。按抑制释放雷电流的类别而分为大电流和小电流两种，按采用器件的多寡分为元器件和复合型两种。

大电流雷电抑制器:防护机外设备如防撞灯等引入飞机内部线路的雷电电流，其工作原理为高电压大电流旁路。大电流雷电抑制器耐受雷电感应电流能力强，通常加装在机外电子电气设备以及重要汇流条上的回路上。

小电流抑制器也称元器件雷电抑制器:防护机身内部线路上因感应电压耦合产生的感应电流，其作用机理是抑制过电压，并泄放感应电流。小电流抑制器泄放雷电能力不如大电流雷电抑制器，但在雷电瞬态敏感度等级要求不严苛的设备处，其性价比较高。主要有气体放电管、压敏电阻和瞬态电压抑制管 TVS(Transient Voltage Suppressor)，通常加装在重要电子电气设备上。民用飞机中通常选用 TVS 管防护机内重要设备线路接口，其特性曲线如图 1 所示。

雷电抑制器典型应用如图 2 所示。

复合型雷电抑制器:含雷电抑制器元器件(如:TVS) 和滤波电路，因设备或系统所在的位置与使用要求的不同，可以简单，亦可以复杂。其常用于相对要求高的线路、设备或系统。

滤波电路;由电容、电感、电阻及其他电子器件构成的以滤除无用或有害的频率电流，以保障线路、设备或系统正常工作的电路。

滤波电路因线路、设备或系统要求的不同，可以简单，亦可以很复杂。其可因滤波的范围不同而分为:低通滤波电路、高通滤波电路、带通滤波电路和带阻滤波电路。

通常，复合型雷电抑制器可分为信号雷电抑制器、电源雷电抑制器、天线馈线雷电抑制器等。

在雷电防护设计中的应用

飞机雷电间接效应通常以两种形式出现，一为雷电通过导体将雷电电流直接引入飞机如天线、空速管加温线、外部灯具导线等，对飞机及其线路产生危害;二为沿机体扫掠和流动的雷电电流在飞机线路中产生有害的感应电压，主要包括磁感应电压、结构阻性电压、容性感应电压。

//直接引入

天线、螺旋桨、空速管、外部灯具等大都安装在飞机外部。如果没有稳妥的保护，雷电就可能将其击毁，将雷电电流自天线信号线、螺旋桨加温导线、空速管加温导线或灯具灯丝导线等引入飞机内部线路。如果线路阻止雷电流的扩散，或者雷电电流所占的通路里载流能力有限，那么，雷电电流对飞机的破坏程度会更深。

机外设备的导线将雷电电流引入机体内部的防护方法，一是按机外设备直接效应防护设计要求严格进行直接效应防护设计，把好雷电附着或扫掠冲击不致毁坏设备这一关。同时，为防万一，在设备导线的端接处接入大电流雷电抑制器，能有效地释放进入的雷电流。针对机载天线因受到瞬时雷电冲击而在信号传输线上产生的巨大感应电流，也可选择天线馈线雷电抑制器。

//感应电压

雷电流附着和扫掠时，会产生强磁场和瞬态电场，一部分磁通量通过电磁开口(如:风挡、窗口、口盖缝隙、复合材料蒙皮及整流罩)穿透到飞机内部，在机内设备互联线束上感应出瞬态高电压和大电流，而瞬态电场通过电磁开口会感应出位移电流，在设备电路上产生容性感应电压。

雷电流流经机身时，机身的结构电阻所产生的阻性电压，对于铝材良导体结构，结构 IR 电压值很小;而对于碳纤维复合材料结构，结构 IR 电压值很大，尤其是复合材料结构，结构电阻可达 10mΩ 量级，200kA 的雷电流将产生上千伏的电压，该电压可能出现在设备与安装结构、设备与设备之间。

针对此类感应电压，可选择合适的雷电抑制器并联接入设备端口处，雷电抑制器串接保险丝接地，如图 2 所示。纳 s 级的雷电波在对地泄放时产生的地电压反击和雷电波侵入的作用时间可能被延长至毫 s 级甚至更长。在选择雷电抑制器和保险丝时，应根据雷电抑制器的最大允许熔丝电流、线路的进线容许短路电流和设备的负荷综合考虑。

//选用方法

根据被保护线路的额定电压以及可能遭受的雷电瞬态敏感度等级(见表 1)选择适合的雷电抑制器。

雷电抑制器主要电气参数有:

VBR:最大击穿电压，其对应的反向电流 IT 一般取值 1mA;

VR:最大转折电压，是反向击穿之前的临界电压;

VC:最大嵌位电压，当雷电抑制中流过的电流为峰值电流 IPP 的大电流时，雷电抑制器两端的电压就不再上升了，因此雷电抑制器能够始终把被保护电路(设备、系统)限制在 VBR 与 VC 之间，VC 应不大于被保护电路的可承受极限电压;

IPP:峰值电流，IPP 越大，雷电电流(雷电感应电流) 的承受能力越强，雷电抑制器可靠性越高;

PM:最大允许脉冲功率，PM= VC*IPP，在给定 VC 下， PM 越大，其雷电电流(雷电感应电流)的承受能力越强;

VWM:标称电压，与被保护电路额定电压(稳态工作电压) 相符。

响应时间:纳 s 级。

所有选择的雷电抑制器是否合适需经过雷电感应瞬态敏感度试验测试，根据 DO - 160G 中 22 章的试验类别、试验等级进行测试，经过雷电抑制器防护的设备在测试前后能够正常工作则所选雷电抑制器合格。

结语