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。 一、工作原理及分类 1、 工作原理 从最开始对新冠疫情的猝不及防，到全民抗疫的众志成城、共克时艰，再到实现疫情防控常态化，我们积累了丰富的抗疫经验，取得了来之不易的重大成果。 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。 2、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。 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。 二、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。 1、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。 2、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。 3 、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。
三、结语
本文为研发人员提供了民用飞机机载电子电气设备雷电 防护设计过程中雷电抑制器的应用方法，并根据雷电抑制器 产品给出的电气参数选择具体型号，为今后雷电抑制器在民 用飞机机载电子电系系统雷电防护设计过程中的应用提供一 定的借鉴作用。