如何避免雷电对民航电子设备的危害

摘要：科学技术的飞速发展，使得各个产业都得到了飞速的发展。闪电会危及飞机的飞行安全尤其是在高原。民航电子装备承担着重大的飞行任务的管理与执行功能，必须符合有关的规范。随着科学技术的进步和经济的繁荣，人类社会的发展和人类社会的发展，人类社会的各种灾害也越来越多。闪电会对各行各业产生巨大的危害，并对工业产生巨大的经济影响。同时，闪电对现代民航电子设备造成的伤害是不可预测的。由于其自身的特点，电子产品极易遭受雷击，给民航机场带来了危险。严重的话，甚至会危及到人类的生命。因此，如何有效地处理雷电对民航电子设备的影响，是我国民航事业发展的重要问题。

关键词：民航电子设备;雷电防护设计

1雷电防护策略

雷电对飞机的影响主要有两种，一种是直接影响，另一种是间接影响。民航的电子装置一般都是装在飞机上的，会受到雷电的间接影响。飞机在高空飞行，特别是在穿过云层时，会受到云层放电的影响，在放电过程中，由于强烈的雷电引起的电场和磁场，会在飞机内部形成一种暂时性的雷电效应，通过机身上的电磁耦合或结构电压（电流与结构电阻的乘积IR），在机体内引起电压和电流，尽管这种现象的持续时间很短（大约几十毫秒），但瞬间的能量却是很高的，很容易干扰或破坏民航电子设备，严重时会威胁到飞机的正常工作和人身安全。间接效应是由雷电引起的瞬间强烈的电磁场和电流，在装置的连接处发生瞬间高压和大电流，从而导致设备的故障。间接的雷击作用主要是由耦合作用和回路感应作用引起的。（1）耦合：通过线路、电容或电感器与另一环路连接，从而形成一种或多种暂态电压。（2）回路感应：回路中的瞬变电流，其瞬变速率愈高，回路内所产生的感应电压愈高。为了保证飞机在遭受雷击后，机载设备对雷电的间接影响需要进行保护设计和测试，以保证在遭受雷击后，机载设备的主要功能和设备可以正常工作，而一些主要的系统和设备可以通过人工或自动地恢复到正常状态。目前，我国的航空设计单位和EMC实验室都是根据RTCA/DO-160《机载设备环境条件与试验程序》的要求，对其进行EMC的测试和设计。民航电子产品的一个特性是安装在机身内，通常与外界的雷电绝缘。另外一种特征是一般由机箱（机箱），电气连接件（插头，插座），电路板，电源模块，接口部件（晶片）等零配件构成，包含多种电路及电子元件。民航电子设备的防雷措施以间接作用为主。当然，也有可能会被雷电击中。航空公司的电子设备防雷措施主要有：（1）系统防护。在飞机的设计中，把飞机机身的雷电保护和民航电子设备的雷电保护视为一个整体或一个体系。尽量把装置放置在机身中心，因为该部位的雷电破坏或干扰能力较弱。此外，由于所处部位及所用材料的导电特性，所需的防护级别及所需之不同。（2）综合防护。雷电虽然危险，但也只是短暂的。民航电子产品不仅要保护雷电，而且要防止电磁、静电、电源的浪涌，这就需要把传统的EMI、电涌和电涌的综合保护相结合。（3）权衡防护。航空电子设备的防雷不可避免地要增加硬件部件，进而增大体积和重量，这就要求对设备的体积、重量等指标进行权衡。（4）弱化防护。民航电子设备防雷的目标是尽量减少其伤害和影响，并不要求消除雷电的效果，这是由于大多数情况下都不能实现的，或由于经济代价过高，或根本没有必要。所谓最低限度或最低限度是指设备不能正常工作。

2防雷器件选型

民用机场，高段的电子设备才能保持运作，这些电子产品在正常工作的时候，抗压性能不足，很容易受到电磁环境的干扰，特别是对民用电子产品的伤害。雷击防护的主要手段是通过在线路上并联快速吸收高能量冲击的装置，将电流导入外壳，并将线路上的电压限制在安全范围内，从而达到保护民航电子产品的目的。TVS管是一种高性能的电路保护装置，它具有纳秒级的响应速度和超强的电涌吸收能力，在两端受到高能量的瞬间冲击时，它能以毫秒级的速度降低两端的阻抗，并能在瞬间吸收大量的电流，并将两端的电压限制在一个预先确定的值上，这样就可以有效地防止电涌的干扰。TVS管具有快速响应、低的击穿电压差、低泄漏电流等特点，是目前电子产品中最理想的过压保护装置。它的正向特性和一般二极管一样，具有典型的PN结雪崩特性。在冲击电压作用下，TVS管两端的电压从额定倒相关断VWM升高至VBR，并被击穿。随着击穿电流的出现，通过TVS管的电流会达到IPP的峰值，而在其两端的电压被钳制在预定的最大夹紧电压VC下。随后，随着脉冲电流呈指数衰减，TVS管两端的电压也不断降低，最终回复到原来的水平，这是TVS管对冲击脉冲的抑制和保护。

3注意事项

3.1布线考虑

TVS管道必须连接在保护线的主线和释放回路之间，由于器件的导线和印刷板的导线会产生寄生电感，所以在管道被打开的情况下，会产生大量的暂态电流，从而对电路的内部元件产生干扰。为了减少对电路的干扰，必须减少导线的寄生电感系数L，而印刷板的配线必须符合设备说明书的配线规范。

3.2限流电阻使用

采用数据通讯线路的限流电阻，能有效地减少雷电冲击，减少对TVS保护功率的需求，节省了设计费用。在将通讯匹配阻抗向前移动到防雷功能模块时，要注意两个方面：a）总线接口的选择：尽量不要选择已有阻抗匹配电阻器的接口，例如ARINC429总线传输接口芯片，应该选择HI-8586，而不是HI-8585（内置37.5欧姆的匹配电阻）;b）电流限制电阻器的选择：电流限制电阻器要求能够经受较大的暂态电流，并且其耐高温效果优于金属薄膜电阻器，故推荐采用电力绕组电阻。

4雷电防护设计

机载数据采集装置的防雷设计：1）依据系统保护策略，确定机载数据采集器的保护级别及需求;（2）考虑雷电、高强度辐射场、静电防护等综合防护措施;（3）在考虑保护策略时，确定在容许体积、重量允许的情况下添加硬件元件;（4）依据弱化保护策略，确定保护效果，并在一定的条件下，确定出最终的保护方案。数据采集装置是在飞机上安装的，在雷击时，由于雷电的间接作用，会引起设备外壳和电缆接口的感应电压，特别是在电线和导线的接口处，会引起电气元件的燃烧，从而导致电子装置无法正常工作。为此，本文提出了全系统的全保护设计方案。针对防雷的技术措施有：（1）在外接界面上进行抗浪涌保护。（2）提高外壳的内部绝缘电阻。（3）使机箱的铁通电阻减小。（4）采用J5993系列连接器，其接头与外壳采用导电衬里，以360°的方式连接。在高辐射环境中，外界的电磁干扰会导致电子产品的损坏，因此，应采取以下几种方法：1）采用密闭外壳，并在电磁感应区适当增大外壳的厚度。（2）采用诸如增加保护罩等电磁敏感区域的屏蔽措施。（3）尽量缩短机箱内部的线路，采用双绞线的差动信号，对敏感的信号进行屏蔽。（4）在PCB线路中，注意在导线的长度和灵敏度的信号线路旁边添加地线或接地平面。（5）对进出机箱的电线（例如串接串芯滤波器）进行滤波处理。

结语

雷电的危害是目前民航机场建设的一个关键问题，根据航空公司的实际情况，有许多可能会被雷击，比如天线、雷达等，这些都会导致电子产品的损伤，在保证安全的同时，也要做好防范措施。如何有效地防止雷电对民航电子设备造成伤害，是一项长期而又长期的工作。随着我国民航事业的发展和进步，有关部门的技术人员也需要不断地进行改革和创新，对员工进行雷电方面的教育，定期进行评估，对表现突出的员工给予奖励。同时也要提升科技水平，减少雷击带来的危害。

参考文献

[1]杨起涛，刘兆梁。民航机场电子设备雷电危害与防护分析[J].黑龙江科学，2018，9（12）：100-101.

[2]徐远征.雷电对民航机场电子设备的危害分析[J].通信电源技术，2018，35（03）：269-270.