民用飞机设计与研究 Ｃｉｖｉｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ ２０１８年第２期总１２９期 ＩＳＳＮ ｌ６７４－９８０４ ＣＮ ３１，ｌ６１４／Ｖ ＤＯＩ：１０．１９４１６／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７４—９８０４．２０１８．０２．０１４ 基于Ｃ ＳＴ软件仿真的线束隔离研究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗｉｒｅ Ｈａｒｎｅｓｓ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ ＳＴ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 刘岩东刘洋／ＬＩＵ Ｙａｎｄｏｎｇ ＬＩＵ Ｙａｎｇ （中航沈飞民用飞机有限责任公司，沈阳１１００００） （ＡＶＩＣ ＳＡＣ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ ｌ １００００，Ｃｈｉｎａ） 摘要： 在民用飞机电气线路互联系统（ＥＷＩＳ）设计中，通过物理隔离防止电弧和电磁干扰（ＥＭＩ）是适航审定的重要 内容。以隔离距离为研究对象，基于电磁仿真软件ＣＳＴ，构建多种模型，对不同类型线缆问、不同电信号线路 进行了仿真，证明了物理隔离不但是防止电弧产生的有效方式，而且能够极大地降低电磁干扰，同时使用屏 蔽线缆和多芯扭绞等防护方法，也是降低电磁干扰的有效措施。 关键词：电气线路互联系统（ＥＷＩＳ）；仿真；隔离；电磁干扰（ＥＭＩ） 中图分类号：Ｖ２１９ 文献标识码：Ａ ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｃ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ（ＥＭＩ）ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒ— ｔａｎｔ ｉｓｓｕｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｗｉｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ（ＥＷＩＳ）ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ａｉｒｃｒａｆｔ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＳＴ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｔｓ ｕｐ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｃａ— ｂｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｐａｃｅ．Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ａｒｃ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ＥＭＩ．Ｕｓｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄｅｄ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ ｔｗｉｓｔｅｄ ｃａ— ｂｌｅ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ＥＭＩ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． ［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｗｉｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｅｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ（ＥＷＩＳ）；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ （ＥＭＩ） ０ 引言 因电气线路故障导致了一些严重的飞行事故 的发生，ＦＡＡ（Ｆｅｄｅｒａｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ）于 同轴电缆、屏蔽电缆或扭绞电缆来减少电磁干扰。 由于线束与线束、线束与机体结构之问有了足够的 物理隔离，也在一定程度上防止了电弧发生。因 此，建立合理的线束敷设的隔离规范，不但可以减 小电磁干扰，也是预防电弧的一项重要方式。 在国内民用飞机ＥＷＩＳ设计和适航取证过程 ２００７年年底通过了２５—１２３号修正案做出的更改，在 ＦＡＲ一２５中增加Ｈ分部。ＥＷＩＳ是“电气线路互联系 统”的简称¨ ，以此为所有新机型的ＥＷＩＳ适航审定 中，线束隔离距离缺少足够的实际运营数据，因此 有必要通过理论分析和仿真模拟，建立ＥＷＩＳ线缆 问电磁干扰的量化模型，计算不同条件下线缆问的 电磁干扰强度，从而达到设置合理隔离距离及通过 提出了明确的要求 Ｊ，其中通过隔离等方式防止电 弧和电磁干扰是重要的适航审定内容 。 在飞机设计前期确定线束隔离代码及隔离规 范是ＥＷＩＳ设计的基础，即按照导线所承载的电流 增加适当屏蔽防护解决问题的目的。 强度和信号敏感强度将其分为不同种类，按照一定 的规则进行成束综合设计，相同信号类型的导线可 １隔离距离仿真 １．１ ＣＳＴ软件 ＣＳＴ软件是以ＭＷＳ—Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏ为核心， 以绑扎为一束，而不同类别的导线必须按照一定的 距离敷设。同时，根据机上不同的使用环境，使用 ７６ ２０１８年第２期 刘岩东，等基于ＣＳＴ软件仿真的线束隔离研究 在Ｍａｆｉａ软件基础上推出的三维高频电磁场仿真软 件。其电磁仿真平台不但能够对孤立器件进行优 化，还能够在全局层面上对整个系统的各个部件进 行协同优化设计，形成全新的系统组合仿真技术， 它将复杂的电磁系统分解为简单系统，并采用最优 的电磁或电路算法进行快速精确地仿真，从而对整 个系统进行高效的优化设计。 本研究采用多导体传输线法进行仿真分析，在 传输线上只传输横电磁波为假设条件，应用多导体 传输线方程，模拟传输线的分布参数对导线上传输 的信号的影响，从而计算出串扰的结果。该分析模 型求解步骤相对简单，易于计算机实现，得到的结 果也较为精确。 １．２构建模型 共地平行线缆如图１所示，有干扰源的称为发射 线缆，受影响的称为接收线缆。线缆长度为ｆ，线缆间 距为ｄ，线缆距地板高度为ｈ。发射线缆一端接激励 源 ，另一端接负载 ；接收线缆两端都接负载ｚ 图１ 平行共地线缆示意图 依据实际工程中大量使用的ＭＩＬ．Ｗ．２２７５９导线规 范，在软件数据库中生成仿真所需的ＡＷＧ８以及 ＡＷＧ２４线规的导线，满足ＮＥＭＡ ＷＣ２７５００规范的２４ 线规单芯屏蔽电缆、双扭绞电缆以及屏蔽双扭绞电缆等。 取线缆下模拟地的铝板长２ ｉｎ、宽０．４ １ＴＩ、厚度 ５ ｍｍ，发射线缆为ＡＷＧ８的单芯非屏蔽导线，接收 线缆为ＡｗＧ２４的单芯非屏蔽导线、双芯扭绞及单 芯屏蔽导线，导线长度Ｚ均为１ ＩＴＩ，距地板高度ｈ为 １０ ｍｉｌｌ，负载特性阻抗 为ｌ０ Ｑ。图２所示正弦交 流电激励信号，频率为４００ Ｈｚ，电压幅度为１１５ Ｖ。 一疆髓信普 图２正弦交流电激励信号 １．３三种构型的仿真 以ＡＷＧ８的单芯非屏蔽导线为发射线缆，分别 以ＡＷＧ２４单线芯非屏蔽线缆、ＡＷＧ２４双扭绞非屏 蔽线缆和ＡＷＧ２４单芯屏蔽线缆为接受端，取间距ｄ 分别为２ ｉｎ（１ ｉｎ＝２．５４ ｃｍ）和４ｉｎ时，接收线缆上串 扰电压值随线缆间距变化曲线如图３和图４所示。 一审执信号 ｝ ；；＾ ｙ＼ ：： ：： 奉 簿 三… ＼／ ＼Ｊ ： ： ： Ｖ ｉ Ｖ ｎ啦 Ｏ． ０．∞‘瓴Ｏ雌０．Ｏｌ ０．０ ０．０１４ ０．０１６ ０．０１８ ０．０２ Ｔ’憎，嵋 图３线缆间距２ ｉｎ时接收线缆串扰信号 一串执饱号 ； ｊ ； ｊ ； ……亨…… … …寸…… …‘ …。 。… …… …一 ……－｝…｝…手…－－－ 一 ～｝· …惜…－¨…－ ……。¨…… …．．。Ⅲ…０… …… …… 。ｌ…妊… ０ ０．懈０．００４ ｏ埘０ｍ ０眦０．０１２ ０．０１４ ００１６ ００１８ ０．０２ ＴｉＴｌｅ，Ｉ－ 图４线缆间距４ ｉｎ时接收线缆串扰信号 保持发射端线缆设置不变，间距ｄ取为４ｉｎ，分 别以ＡＷＧ２４双芯扭绞和ＡＷＧ２４单芯屏蔽线缆为 接收端，所得信号值及前述信号值见表１。 表１ 三种构型仿真串扰结果 从以上结果能够得出： １）相同发射、接受条件下，距离能够降低串扰 影响，如表中的０．６２１ Ｖ降为０．２１１ Ｖ； ２）同距离条件下，双芯扭绞形式导线可以大幅 降低串扰影响，如０．２１１ Ｖ降为０．００９ Ｖ； ３）同距离条件下，屏蔽形式导线可以几何量级 降低串扰影响，如０．２１１ Ｖ降为０．００１ ２５ Ｖ，当系统 对线缆的要求进一步提高，单芯导线和双扭绞导线 不能满足所需指标时，可以选择采用屏蔽导线。屏 蔽导线是具有高效屏蔽效能的传输线，不仅能有效 抑制对传输线路的串扰，也能够降低线缆内部传输 的信号对周围的电磁干扰。 ７７ 分析报道 第１２９期 ２典型ＥＷＩＳ隔离规范定义 ＥＷＩＳ隔离规范通常指如何按一定的规则区分 承载机上系统电源、信号的线路，定义线路隔离代 码，以此将这些线路设计成线束，同时各种线束之 间必须保持一定的隔离距离进行敷设，以防止ＥＭＣ 干扰和电弧的产生。如ＨＢ６５２４—９１规定将线路按 照信号分为Ｉ～ＶＩ类线路 ，但经过２０多年的发 展，此规定对于现代民用飞机的设计具有一定的局 限性。本研究对某型飞机线路特性和功能进行具 体分析，按照系统的功能、ＥＭＣ特性和冗余特性提 出了一种新型隔离规范，具体定义如下： １（ １ Ａ 系统功能代码 Ｍ（：ｆ 粥（见 ２） 图５典型隔离规范定义 不同系统功能代码、冗余的线束，按照其系统 本身特点，具有专门的物理隔离要求，其要求与 ＥＭＣ代码共同决定了线束的隔离，一般选择数值要 求大的为实际规定要求。本文不讨论系统功能及 余度代码对隔离的影响。 表２电磁兼容代码定义 ７８ 不同ＥＭＣ代码之间的隔离距离如表３所示。 表３ ＥＭＣ代码隔离距离（单位：ｉｎ） ＥＭＣ代码 １ ２ ３ ４ ３隔离距离规范的仿真验证 每条接收线缆上的串扰值都是其他发射线缆 共同作用的结果，即多对一耦合，因此需要对每条 发射线缆在干扰线缆上产生的耦合电压进行叠加。 叠加是分析串扰的一个重要原则。假设当接收线 缆上的电压为０ Ｖ时，５ Ｖ的方波差分信号在接收 线缆上产生的串扰噪声电压为３００ ｍＶ。当接收线 缆传输５ Ｖ的方波差分信号时，其上产生的串扰噪 声电压仍为３００ ｍＶ，此时接收线缆上的总电压为原 有的信号和串扰信号电压之和。如果有多条发射 线缆将噪声耦合到同一条接收线缆上，则接收线缆 上的总串扰电压为所有串扰电压之和。 依托所建立仿真分析方法，结合项目中ＥＷＩＳ 布线设计在ＥＭＣ方面分类，可针对每个ＥＭＣ分类， 各选用一种代表性信号，进行隔离距离验证。根据 对不同ＥＭＣ信号的定义，选取适当的典型信号及线 缆规格，如表４所示。 表４信号及线规选取 依据表４中对信号属性及表３中对ＥＭＣ隔离的 要求，每组仿真选用高发射功率和接受敏感的ＥＭＣ 代码分别作为接收线缆和发射线缆，以６ ｉｎ为距离进 行仿真验证，结果见表５。 表５分组仿真结果 ２０１８年第２期 刘岩东，等基于ＣＳＴ软件仿真的线束隔离研究 从仿真结果可以得出： １）１类对３类线的串扰电压最大幅值为０．０１１ Ｖ， 表明该敏感线路系统允许的串扰值应大于０．０１１ Ｖ， 否则应采用加大距离、使用屏蔽等防护措施； ２）２类对３类的串扰电压最大幅值０．００８ Ｖ，表 明该敏感线路系统允许的串扰值应大于０．００８ Ｖ， 否则应采用加大距离、使用屏蔽等防护措施； ３）１类信号对４类线的串扰电压最大压幅值为 ０．００４ ８ Ｖ，表明该线路系统允许的串扰值应大于 ０．００４ ８ Ｖ，否则应采用加大距离、使用屏蔽等防护 措施； ４）２类信号对４类线的串扰电压最大幅值为 ０．００２ ４ Ｖ，表明该线路系统允许的串扰值应大于 ０．００２ ４ Ｖ，否则应采用加大距离、使用屏蔽等防护 措施。 ４结论 经过非屏蔽导线平行线缆问、双扭绞导线平行 线缆和屏蔽导线串扰仿真，以及承载不同ＥＭＣ信号 线路隔离距离的验证，可以得出以下结论： １）距离对于平行线缆的串扰影响非常大，随间 距减小，干扰影响程度急剧上升； ２）使用扭绞和屏蔽保护材料是减少线缆串扰 影响的有效措施； ３）不同ＥＭＣ信号线路的隔离距离能够在很大 程度上影响系统的工作，如果系统本身允许的范围 小于干扰值，应采取增大隔离距离、使用屏蔽或扭 绞等措施进行保护。 在实际设计中，可以采用此原则进行初步隔离 设计，对民用飞机的ＥＷＩＳ设计具有一定的参考 意义。 参考文献： ［１］中国民用航空总局．运输类飞机适航标准：ＣＣＡＲ．２５一 Ｒ４—２０１０［Ｓ］．２０１０． ［２］刘岩东．ＥＷＩＳ设计中的适航要求分析［Ｊ］．沈阳航空航 天大学学报，２０１３，３０（４）：２３－２７． ［３］Ｆｅｄｅｒ￣Ａｖｉａｔｉｏｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ．Ｃｅｒｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｗｉｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｃａｔｅｇｏｒｙ ａｉｒｐｌａｎｅｓ： ＡＣ２５．１７０１．１＿２ｏ０７［Ｓ］．ＵＳ：２００７． ［４］中华人民共和国航空航天工业部．飞机电线、电缆电磁 兼容性分类及布线要求：ＨＢ６５２４—９１［Ｓ］．北京，１９９１． 作者简介 刘岩东 男，硕士，高级工程师。主要研究方向：民用飞机电 气设计；Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｕ．ｙａｎｄｏｎｇ＠ｓａｅｃ．ｃｏｍ．ｃｎ 刘洋 男，硕士，高级工程师。主要研究方向：民用飞机电 气设计；Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｕ．ｙａｎｇ３＠ｓａｃｃ．ｃｏｎ．ｅｎ ７９