航天器不同舱段一次母线接地设计

夏 辉，刘 静

（1.北京卫星制造厂；2.北京空间飞行器总体设计部：北京 100094）

航天器不同舱段一次母线接地设计

夏 辉1，刘 静2

（1.北京卫星制造厂；2.北京空间飞行器总体设计部：北京 100094）

随着多舱段航天器的发展和航天器上供配电设备的增多，设备之间的相互干扰问题日益突出。文章对不同舱段的电源接地方式进行分析研究，给出航天器不同舱段的一次母线接地设计方案及实际应用案例，为后续多舱段接地设计提供经验参考。

多舱段航天器；供配电设备；电磁兼容性；接地设计；一次母线；并网控制器

0 引言

接地设计是航天器自身和所有星上设备正常工作的基本要求之一，也是决定航天器电磁兼容（EMC）性能的关键因素[1]。接地设计的目的是建立航天器统一的基准地电位，提供设备静电释放通道，减少电磁干扰等。良好的接地设计可以抑制电磁噪声，提高航天器电子设备的抗扰度；而不良的接地则是电磁干扰传播的主要途径，甚至接地本身也成为干扰源，导致航天器电子设备不能正常工作[1-3]。

随着多舱段、多功能航天器的发展，航天器不同的舱段具有各自独立的电源系统，各个电源系统既可独立运行，也可通过并网设备连接起来并网运行。因此，航天器的电源系统越来越复杂，供配电设备也越来越多，设备之间的相互干扰问题日益突出，使得航天器不同舱段一次母线的接地设计显得尤为重要。

本文依据航天器的接地策略，对航天器不同接地方式的优缺点进行对比，着重对航天器不同舱段一次母线不同方式的接地设计进行分析，提出一种适用于多舱段的一次母线接地设计方案，并通过试验测试方案的可行性。目前该方案已成功在轨应用。

1 航天器接地方式分类

航天器供配电设备的接地有多种方式，包括单点接地、多点接地以及混合接地。

1.1 单点接地

单点接地是指电源回路仅在一点接地，所有接地引线都直接与同一接地点相连，然后再与结构固定连接。单点接地减弱了接地感应现象，通过避免形成接地电流环路可以有效地使辐射电磁干扰（EMI）最小化[4]。单点接地又可分为串联单点接地和并联单点接地。图1(a)所示为串联单点接地，先将设备1、设备2和设备3的接地进行串联后再通过设备1进行单点接地。图1(b)所示为并联单点接地，设备1、设备2和设备3直接并联进行单点接地。串联单点接地方式由于将各设备的地线串联在一起，会带来一定程度公共回线的共模干扰；相比较而言，并联单点接地方式由于各设备的地线相互隔离，更能有效地消除电磁干扰的影响。

1.2 多点接地

多点接地是指每个设备的接地引线都与距离自身最近的接地导体连接。多点接地可以使设备间的接地阻抗最小，消除无线传送和较高频率的电磁干扰，一般用于线路长度超过工作信号波长15%的情况。但多点接地也会带来共模电磁干扰，如图2所示，由于没有进行设备隔离，设备之间会通过结构地形成接地回路，而回路上则会存在共模电流。导线的电感L一般约为80 nH/m，假设该导线上流过1 A电流所用时间为 1 ns，则根据感应电动势公式E=-L(dI/dt)，可求出导线的感应电动势约为80 V/m。可见，即使共模电流很小，在单位长度的导线上也会感应出很高的感应电压，严重扰乱敏感电子元器件和控制线路[5-6]。

1.3 混合接地

混合接地结合了单点接地和多点接地的优点，根据不同设备的不同工作频率采用相应的接地方式：频率低于100 kHz或接地线的长度小于工作信号波长的 1/20时采用单点接地；频率高于 l MHz或接地线的长度大于工作信号波长的 1/20时采用多点接地[7]。

一般来说，单点接地适用于简单的电路、电子设备以及低频（f＜1 MHz）电子线路。对于航天器来说，整器的一次电源必须要单点接地，其他不同功能供配电电路的接地要加以区分，当设计高频（f＞10 MHz）电路时就要用多点接地或者多层板（完整的地平面层）。随着航天器上电子设备的复杂化，信号频率越来越高，信号之间的互扰等电磁兼容问题也日益突出，单一的接地方式已无法满足目前航天器的设备需求，而接地不当会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。因此，目前我国的航天器基本上都使用混合接地的方式。

2 航天器一次母线接地策略

航天器系统级接地方案设计作为航天器总体电磁兼容性设计工作内容之一，其主要目的是减小各设备之间或各分系统之间的电磁干扰。在航天器总体方案设计伊始就必须确定航天器系统的接地方案，通常包括电源、射频接口和火工品等的接地，且方案的选取和实施必须结合所针对航天器的特点。

2.1 一般要求[8-10]

1）所有直接与航天器一次电源母线连接的设备要求一次电源母线地（回线）与设备壳体相隔离。

2）一次电源母线回线的接地一般采用通过配电器或电源控制器单端与航天器结构地搭接的方式接地，对于使用多条一次电源母线的航天器也应采用这种方式接地。

3）配电器安装位置与航天器主接地桩应尽量靠近。

4）对于二次电源来说，使用DC/DC变换器的低频设备，DC/DC输出回线与设备壳体相隔离；使用DC/DC变换器的高频设备，DC/DC输出回线与设备壳体相连。

5）高频设备一般采用多点接地，即设备内部的二次电源地和信号地都与设备的外壳相连，通过机壳及接地桩实现接地；一次电源母线回线与信号地和设备外壳地、二次电源地隔离。

6）当某些低频设备直接不加隔离地使用一次电源时，这些设备不能再另行接地，只能通过一次电源回流线实现间接接地。

2.2 航天器不同舱段一次母线的接地方式

不同舱段的一次母线供电电压可能不同，一次供电母线的供电方式也可能不同。对于单母线一次供电的航天器，供配电系统的一次地是唯一的，只有一个单独的接地点；而对于有2条不同电压的一次母线供电的航天器，则会存在2种不同的接地方式，对于分舱段供电的方式可以分别接到各自用电的舱段。目前多舱段的航天器为了保证整体负载供电需求的可靠性，一般都采用并网控制器来连接2个不同的舱段，实现舱段之间的能量相互传输，如图3所示。

此时，对于一次母线回线接地，通常有2种接地设计方式。

第1种接地方式为舱段1和舱段2的一次母线回线先各自单点接地，然后在舱段1和舱段2的连接处采用接地桩共同接地。该接地方式适用于舱段1和舱段2始终组合在一起、不进行分离的情况。

第2种接地方式以第1种接地方式为基础，在与并网控制器相连的舱段1和舱段2的一次母线正线和回线上分别增加继电器（或者接触器）。当2个舱段需要各自独立运行、不相互传递能量时，让并网控制器两侧的正线继电器（或者接触器）和回线继电器（或者接触器）均处于断开状态，实现2个舱段一次母线的隔离。此时，一次母线的接地方式为舱段1和舱段2的一次母线回线均为独自单点接地，两者各自独立，互不干扰。当2个舱段需要进行能量传输时，让并网控制器两侧的正线继电器（或者接触器）和回线继电器（或者接触器）均处于闭合状态，将舱段 1和舱段 2的不同母线电压的一次母线回线进行连接，并通过连接器与主接地桩单点接地，此时的接地方式与第1种接地方式类似。

可见，第2种接地方式灵活性强，兼顾了第1种接地方式，既可以保证单个舱段独立运行的一次母线接地需求，又能保证多个舱段连接时不同一次母线电压的接地需求，因而更适用于不同舱段一次母线接地设计。

3 航天器不同舱段一次母线接地方式的实现

3.1 单个舱段的接地方案

图4为某航天器单个舱段中一次母线回线、二次母线回线的接地实现，以及一次母线回线和二次母线之间的相互连接关系。从图中可以看出：

1）一次电源、主配电器和一次电源直接用户中的一次母线回线均与设备壳体进行了隔离；同时，所有的一次地（回线）都与信号地、设备外壳地和二次电源地进行了隔离，且都汇集在主配电器中单点接地，符合航天器一次母线回线的接地要求。

2）高频设备1、高频设备2和高频设备3内部的二次电源地和信号地都与设备的外壳地进行了连接，符合高频设备的接地要求。

3）二次电源1、二次电源2和低频设备1的一次电源输入回线和二次电源输出回线都进行了隔离，并且一次电源输入回线均与设备外壳地隔离，符合二次电源和低频设备的接地要求。

3.2 多舱段的接地方案

图5为某多舱段航天器的一次母线接地示意图。该航天器存在脉冲大电流的工作模式，电源干扰情况突出，整器工作频率复杂，对EMC要求很高。因此，整个航天器结构采用碳纤维蜂窝板，以及导电铜带接地的接地方式。

如图5所示，该航天器有2条一次供电母线，电压分别为70 V和28 V。由于这2条一次母线的电压不同，为了保证2个舱段连接时能量的可靠传输，在舱段之间设置了并网控制器；同时，为了保证2个舱段在各自工作时的可靠隔离，在并网控制器的 2条一次母线的正线和回线上均设置了开关继电器（K1～K4）。其中，K1和K2分别为70 V一次母线的正线和回线继电器；K3和K4分别为28 V一次母线的正线和回线继电器。

当舱段1和舱段2需要各自独立运行时，将继电器K1～K4全部断开。此时，并网控制器不工作，2个舱段的电源控制器1和电源控制器2分别给各自的舱段独立供电，同时将70 V一次母线回线在舱段1靠近电源控制器1就近单点接地，将28 V一次母线回线在舱段2靠近电源控制器2就近单点接地。

当舱段1和舱段2需要组合运行时，将继电器K1～K4全部闭合，通过并网控制器实现2个舱段间的能量传输。为了使整星一次电源有共同的参考地点，将图5中电源控制器1的回线（70 V供电母线）汇集到电源控制器1，并通过一个单独的电连接器将回线引出就近接地，由此将舱段1的70 V一次母线回线单点接地；同时，将电源控制器2的回线（28 V供电母线）汇集到电源控制器2，并通过一个单独的电连接器将回线引出就近接地，由此将舱段2的28 V一次母线回线单点接地；最后将2个单点接地片并联到整星的主接地桩。并网控制器的70 V一次母线回线通过电源控制器1进行接地连接，28 V一次母线回线通过平台配电器与电源控制器2进行接地连接。此外，二次电源还设置了一个本地接地点，该接地点须良好搭接到航天器的结构上。当这些接地点与航天器结构断开时，它们应是彼此隔离的。

3.3 测试结果

采用上述一次母线接地方案后，对舱段1独立运行和舱段1与舱段2连接并网共地后的一次母线电压及电流纹波均进行了测试，分别如图6和图7所示。

测试结果显示，当并网控制器断开，舱段1独立工作时，一次母线输入电压纹波为326 mV，电流纹波为8 mA；当并网控制器接通，舱段1和舱段2连接共地带载工作时，一次母线输入电压纹波为263 mV，电流纹波为9 mA。这表明，2个舱段独立运行和共地运行时，一次母线输入电压纹波均未对一次回线形成瞬态浪涌干扰，所产生的纹波电流非常小，能够有效避免航天器整器的电磁干扰，保证航天器上的电子设备正常工作。

4 结束语

本文所提供的航天器多舱段一次母线回线的接地方案满足我国航天器接地的相关标准要求，并且已经在航天器中得到了应用。通过对实际应用的航天器进行测试表明，该设计方案更适用于多舱段航天器的接地，能够明显改善航天器不同舱段之间的电磁干扰问题，有效避免接地回路引起的低频干扰，并能将分布电容引起的高频干扰最小化，可提高航天器上多舱段不同设备间的电磁兼容性，优化航天器不同舱段之间接地系统的品质，进一步保证航天器工作的稳定性和可靠性，为今后我国发展多舱段组合大型航天器的接地设计提供了参考依据。

（References）

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[10]国防科学技术工业委员会．航天系统地面设施电磁兼容性和接地要求: GJB 1696—1993[S].北京: 国防科工委军标出版社, 1993: 4-9

（编辑：张艳艳）

The primary busbar grounding design for multi-cabin spacecraft

XIA Hui1, LIU Jing2
(1.Beijing Spacecrafts; 2.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering: Beijing 100094, China)

The interference between the power supply and the distribution equipments in the spacecraft becomes more and more a serious issue, due to the development of the multi-cabin spacecraft and the increasing numbers of power supply and distribution equipments in the spacecraft.As a result, the primary busbar grounding design in different cabins of the spacecraft appears especially important.Based on the grounding strategy, this paper presents a primary busbar grounding design scheme in different cabins of the spacecraft, together with the practical applications.

multi-cabin spacecraft; power supply; EMC; grounding design; primary busbar; grid-tied controller

TM773; V423.5+4

：A

：1673-1379(2017)01-0070-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.011

夏 辉（1984—），男，硕士学位，从事航天器供配电设计工作；E-mail: littlechild63@163.com。刘 静（1962—），女，高级工程师，从事航天器供配电设计工作。

2016-07-07；

：2017-01-14

夏辉,刘静.航天器不同舱段一次母线接地设计[J].航天器环境工程, 2017, 34(1): 70-75

XIA H, LIU J.The primary busbar grounding design for multi-cabin spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 70-75