民用飞机电缆和连接器的电磁防护设计

刘洋++崔英男++李鹏昌++吕明

摘 要：电气线路互联系统（EWIS）的电磁防护设计是影响飞机安全运行的一个重要因素。电缆和连接器作为EWIS的重要电气元件，其设计的好坏，直接影响着EWIS电磁防护的效果。该文从电磁防护方面对电缆和连接器的设计进行了阐述和分析，介绍了EWIS的定义和适航相关要求、电缆屏蔽光覆盖率设计、电缆分类设计、电缆敷设设计及连接器屏蔽端接设计等，对民用飞机的EWIS设计有一定的指导作用。

关键词：电气线路互联系统 电磁防护 电缆 连接器

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0089-02

随着现代民用飞机航空电子技术的发展与应用，各个系统正在向着多电化以及全电化方向发展，飞机的电气线路互联系统（EWIS）的复杂程度越来越高，涉及专业范围越来越广，飞机电磁防护问题日显突出。在恶劣的电磁环境中，电磁干扰轻则影响机载系统和设备的性能；重则可能造成飞机的重大事故。电缆和连接器作为EWIS的重要电气元件，其设计的好坏，直接影响着EWIS电磁防护设计的效果。

1 适航要求

2007年底，美国联邦航空当局（FAA）颁布的25-123修正案中正式提出EWIS概念，即任何导线、线路装置，或其组合，包括端点装置，安装于飞机的任何部位用于两个或多个端点之间传输电能（包括数据和信号）。修正案在FAR25部中新增了H分部—EWIS，将以往分散于各个系统中的EWIS设计要求单独归纳成部。

FAR 25部对EWIS电磁干扰防护做出了相关规定，如25.1707规定：每个EWIS的设计和安装必须使任何在飞机上可能发生的电气干扰，不会对飞机或其系统造成危险影响；承载大电流的电线和电缆（及其相关的EWIS部件），其设计和安装必须确保足够的物理分离和电气隔离，使得在故障情况下，对主要功能相关电路的损害最小[1]。因此，有必要对EWIS重要元件—电缆和连接器采取电磁防护设计，减少EWIS方面的电磁干扰以保证飞机的安全性和可靠性。

2 电缆电磁防护设计

电缆作为连接电气设备、传输电能或数据的重要载体，常具有较长的物理尺寸，不但容易受到外界干扰源的电磁干扰，也可能作为干扰源向外发射干扰信号。因此，对电缆本身进行电磁防护设计有助于减小电磁干扰，从而达到保护系统正常工作的目的。使用金属屏蔽层以及对电缆进行分类敷设安装是电缆电磁防护设计的重要手段。

2.1 电缆屏蔽光覆盖率

电缆电磁屏蔽效果通常取决于金属屏蔽编织层在电缆外部覆盖的百分比，光覆盖率为屏蔽层上的孔洞数量的表示方法。屏蔽光覆盖率越高，屏蔽层上的孔洞数量越小，电缆屏蔽层的屏蔽效果就越高。外界电磁能量能够穿透电缆屏蔽层上的小孔或缝隙而进入电缆内部，在电缆芯线上产生电磁干扰使传输信号失真从而影响系统，反之电缆芯线上传输电信号产生的电磁能量也同样会穿透孔缝而影响其他电缆或电气设备的正常工作。因此，屏蔽电缆光覆盖率的选择对于电缆的电磁防护设计尤为重要。电缆屏蔽光覆盖率最小应为85%，具体可依系统关键性、工作频率以及安装区域的电磁环境进行选择。电磁暴露区通常指飞机起落架区域、翼身整流罩、襟翼、垂尾及平尾区域等区域，电磁保护区通常是指飞机增压区包括客舱、货仓等区域。

2.2 电缆分类及敷设安装设计

电缆中承载的电流会在临近的电缆芯线中产生干扰，称为串扰。控制串扰影响的方法有很多，其中最有效的方法就是增加电缆间的距离。因此多根电缆并行敷设时，按照承载电流的信号进行分类，确定每根电缆的隔离代码并按电磁敏感程度排序，同时在空间允许的情况下，电缆应尽量分组成束并保持合适的距离以确保布线隔离符合安全性要求。

电缆隔离代码通常包含电磁兼容分类代码、系统/电源余度代码以及额外的系统敷设代码。电磁兼容分类代码主要根据承载电流的电压、载流量以及电路频率等特性把电缆分类，并考虑不同类别导线的电磁敏感度以及发射特性。敷设代码是用于识别像飞控（电传）、燃油测量系统、发动机控制与监测等特殊系统的电缆，这些系统易受外界电磁干扰影响，除使用金属屏蔽保护外，应与其他系统电缆分离敷设。

电缆敷设时，相同隔离代码的导线可被绑扎敷设在一起组成线束，彼此间没有空间隔离。不同隔离代码的线束之间，结合电磁敏感程度因素以及上述三种隔离代码隔离间距的要求，采用最大隔离距离敷设。尽可能确保不兼容导线/电缆不被绑扎在一起，如果此要求不能完全满足，应使绑扎在一起的不兼容导线在敷设时尽快分离[2]。

为减少由线束回路产生的电磁干扰，电缆敷设应尽量靠近飞机金属结构（包括金属蒙皮、隔框、长桁、地板梁等），并远离机身开口区域，如：机窗、舱门、维修口盖等；如果电缆敷设在开口区域或主金属结构可提供的屏蔽作用很小的区域时，电缆外部应增加金属外屏蔽层。在驾驶舱，电缆应敷设在仪表板后部、遮光罩下部，并尽量靠近金属机身和风挡的下部。敷设在电磁暴露区关键系统的导线必须具有双层屏蔽，敷设在机身内部关键系统电缆应敷设在金属走线槽内或具有一层屏蔽。

3 连接器电磁防护设计

连接器是实现设备之间或线束之间电气连接的部件。合理选择与使用连接器是所有飞机EWIS系统设计的重要部分。连接器的电磁防护设计很大程度上对飞机安全性和可靠性造成影响。对于连接器电磁防护，除考虑连接器壳体材料和表面处理方式等自身因素外，还需考虑屏蔽电缆端接方式、连接器插针布局以及连接器与结构搭接等因素。

3.1 连接器屏蔽端接设计

屏蔽电缆抑制干扰的能力除与其屏蔽层自身属性有关外，还与屏蔽层的端接方式密切相关。即使同一种电缆，由于传输信号的频率不同，屏蔽层也应采用不同的端接方式。在工程上，电缆屏蔽层的端接必须根据具体情况来确定。

屏蔽层端接方式主要分为pigtail式端接和360 °屏蔽端接。pigtail式端接是将屏蔽引线以接线柄方式搭接到连接器尾附件或就近的金属结构上。如果采用pigtail式端接，引线可等效为电感，则线束屏蔽层产生的干扰电流将在引线上产生共模电压，通过屏蔽层与电缆芯线之间的杂散电容而作用在芯线上，另外也会通过芯线与引线之间的耦合而在芯线上产生电磁干扰。但由于其结构形式简单，对现场工艺要求不高以及重量轻等特点，广泛用于对系统要求不高的情况。360 °屏蔽端接是指将电缆或线束的金属屏蔽层与连接器尾附件金属表面环绕接触。360 °屏蔽端接通常用于以下三种情况：（1）多根电缆组成线束使用的外金属屏蔽层在连接器尾附件处的屏蔽端接；（2）同轴电缆屏蔽层在连接器尾附件处的屏蔽端接；（3）线束中单独多芯屏蔽电缆使用特殊金属环在连接器尾附件处的屏蔽端接。如果采用360 °屏蔽接地，电缆屏蔽层的电流将通过连接器外壳流入大地，屏蔽层与外壳之间没有共模电压产生，且屏蔽层上无电磁泄漏窗口，因此电磁防护最好的办法是屏蔽层在连接器处以360 °方式端接。

屏蔽层端接方式的选择也与系统关键性、工作频率、安装区域的电磁环境有关。如果线束从电磁暴露区进入电磁保护区时，则线束屏蔽应采用360 °端接。同轴电缆的屏蔽层接地不能使用pigtail式，否则无法给信号提供良好的共模抑制或降噪能力，且还会引起电缆绝缘层的退化和电缆特性阻抗的不匹配。

3.2 连接器其他电磁防护设计

连接器插针布局，需要考虑所连接导线的电磁防护要求。应尽可能确保电磁兼容的导线使用同一连接器，当无法满足时，优化插针布局使干扰最小，防止因插针分配不当造成电路之间的相互影响，例如尽量避免交流115 V、400 Hz的插针与低功率插针（如直流28 V和5 V）相邻布局。工程上选用足够插针数的连接器，充分利用空针或接地备用插针隔离不同电磁类别的导线。由于射频电路易与其他电路产生干扰，所以同轴电缆应尽量单独使用同轴连接器。此外，音频信号线应和其回路安排在相邻的插针上，输入信号线和输出信号线不允许绑扎在一起通过同一个连接器。

连接器与金属结构之间的搭接也会影响EWIS设计的电磁防护，工程上要求连接器外壳到机身参考地之间应采用直接接触形式搭接，且搭接阻抗需小于2.5 mΩ，以维持电缆屏蔽层的完整性和保持电缆低损耗传输的特性。

4 结语

解决好电缆和连接器的电磁防护问题是一项系统工程，不仅需要考虑导线和连接器本身的电磁防护设计，还应考虑EWIS系统内部件之间协同工作时的电磁防护要求以及EWIS与其他系统互联而产生的电磁防护设计要求。此外，飞机上某些区域由于空间限制或其他原因，无法满足设计要求时，可采取其他效果相当的措施电磁防护偏离设计，但必须通过相应的分析或试验验证，证明其不会危及飞机的安全运行。由于篇幅有限，仍然存在不少问题和不足之处尚待更深入研究和探讨。

参考文献

[1] FAA.CFR Part25.Airworthiness Standards：Transport Category Airplanes[S].FAA.2008.

[2] 航空航天工业部.HB 6524——91飞机电线、电缆电磁兼容性分类及布线要求[S].航空航天工业部，1991.endprint