航天器不同艙段一次母線接地設(shè)計

夏 輝，劉 靜

（1.北京衛(wèi)星制造廠；2.北京空間飛行器總體設(shè)計部：北京 100094）

航天器不同艙段一次母線接地設(shè)計

夏 輝1，劉 靜2

（1.北京衛(wèi)星制造廠；2.北京空間飛行器總體設(shè)計部：北京 100094）

隨著多艙段航天器的發(fā)展和航天器上供配電設(shè)備的增多，設(shè)備之間的相互干擾問題日益突出。文章對不同艙段的電源接地方式進行分析研究，給出航天器不同艙段的一次母線接地設(shè)計方案及實際應(yīng)用案例，為后續(xù)多艙段接地設(shè)計提供經(jīng)驗參考。

多艙段航天器；供配電設(shè)備；電磁兼容性；接地設(shè)計；一次母線；并網(wǎng)控制器

0 引言

接地設(shè)計是航天器自身和所有星上設(shè)備正常工作的基本要求之一，也是決定航天器電磁兼容（EMC）性能的關(guān)鍵因素[1]。接地設(shè)計的目的是建立航天器統(tǒng)一的基準地電位，提供設(shè)備靜電釋放通道，減少電磁干擾等。良好的接地設(shè)計可以抑制電磁噪聲，提高航天器電子設(shè)備的抗擾度；而不良的接地則是電磁干擾傳播的主要途徑，甚至接地本身也成為干擾源，導(dǎo)致航天器電子設(shè)備不能正常工作[1-3]。

隨著多艙段、多功能航天器的發(fā)展，航天器不同的艙段具有各自獨立的電源系統(tǒng)，各個電源系統(tǒng)既可獨立運行，也可通過并網(wǎng)設(shè)備連接起來并網(wǎng)運行。因此，航天器的電源系統(tǒng)越來越復(fù)雜，供配電設(shè)備也越來越多，設(shè)備之間的相互干擾問題日益突出，使得航天器不同艙段一次母線的接地設(shè)計顯得尤為重要。

本文依據(jù)航天器的接地策略，對航天器不同接地方式的優(yōu)缺點進行對比，著重對航天器不同艙段一次母線不同方式的接地設(shè)計進行分析，提出一種適用于多艙段的一次母線接地設(shè)計方案，并通過試驗測試方案的可行性。目前該方案已成功在軌應(yīng)用。

1 航天器接地方式分類

航天器供配電設(shè)備的接地有多種方式，包括單點接地、多點接地以及混合接地。

1.1 單點接地

單點接地是指電源回路僅在一點接地，所有接地引線都直接與同一接地點相連，然后再與結(jié)構(gòu)固定連接。單點接地減弱了接地感應(yīng)現(xiàn)象，通過避免形成接地電流環(huán)路可以有效地使輻射電磁干擾（EMI）最小化[4]。單點接地又可分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。圖1(a)所示為串聯(lián)單點接地，先將設(shè)備1、設(shè)備2和設(shè)備3的接地進行串聯(lián)后再通過設(shè)備1進行單點接地。圖1(b)所示為并聯(lián)單點接地，設(shè)備1、設(shè)備2和設(shè)備3直接并聯(lián)進行單點接地。串聯(lián)單點接地方式由于將各設(shè)備的地線串聯(lián)在一起，會帶來一定程度公共回線的共模干擾；相比較而言，并聯(lián)單點接地方式由于各設(shè)備的地線相互隔離，更能有效地消除電磁干擾的影響。

1.2 多點接地

多點接地是指每個設(shè)備的接地引線都與距離自身最近的接地導(dǎo)體連接。多點接地可以使設(shè)備間的接地阻抗最小，消除無線傳送和較高頻率的電磁干擾，一般用于線路長度超過工作信號波長15%的情況。但多點接地也會帶來共模電磁干擾，如圖2所示，由于沒有進行設(shè)備隔離，設(shè)備之間會通過結(jié)構(gòu)地形成接地回路，而回路上則會存在共模電流。導(dǎo)線的電感L一般約為80 nH/m，假設(shè)該導(dǎo)線上流過1 A電流所用時間為 1 ns，則根據(jù)感應(yīng)電動勢公式E=-L(dI/dt)，可求出導(dǎo)線的感應(yīng)電動勢約為80 V/m?？梢?，即使共模電流很小，在單位長度的導(dǎo)線上也會感應(yīng)出很高的感應(yīng)電壓，嚴重擾亂敏感電子元器件和控制線路[5-6]。

1.3 混合接地

混合接地結(jié)合了單點接地和多點接地的優(yōu)點，根據(jù)不同設(shè)備的不同工作頻率采用相應(yīng)的接地方式：頻率低于100 kHz或接地線的長度小于工作信號波長的 1/20時采用單點接地；頻率高于 l MHz或接地線的長度大于工作信號波長的 1/20時采用多點接地[7]。

一般來說，單點接地適用于簡單的電路、電子設(shè)備以及低頻（f＜1 MHz）電子線路。對于航天器來說，整器的一次電源必須要單點接地，其他不同功能供配電電路的接地要加以區(qū)分，當(dāng)設(shè)計高頻（f＞10 MHz）電路時就要用多點接地或者多層板（完整的地平面層）。隨著航天器上電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號頻率越來越高，信號之間的互擾等電磁兼容問題也日益突出，單一的接地方式已無法滿足目前航天器的設(shè)備需求，而接地不當(dāng)會嚴重影響系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。因此，目前我國的航天器基本上都使用混合接地的方式。

2 航天器一次母線接地策略

航天器系統(tǒng)級接地方案設(shè)計作為航天器總體電磁兼容性設(shè)計工作內(nèi)容之一，其主要目的是減小各設(shè)備之間或各分系統(tǒng)之間的電磁干擾。在航天器總體方案設(shè)計伊始就必須確定航天器系統(tǒng)的接地方案，通常包括電源、射頻接口和火工品等的接地，且方案的選取和實施必須結(jié)合所針對航天器的特點。

2.1 一般要求[8-10]

1）所有直接與航天器一次電源母線連接的設(shè)備要求一次電源母線地（回線）與設(shè)備殼體相隔離。

2）一次電源母線回線的接地一般采用通過配電器或電源控制器單端與航天器結(jié)構(gòu)地搭接的方式接地，對于使用多條一次電源母線的航天器也應(yīng)采用這種方式接地。

3）配電器安裝位置與航天器主接地樁應(yīng)盡量靠近。

4）對于二次電源來說，使用DC/DC變換器的低頻設(shè)備，DC/DC輸出回線與設(shè)備殼體相隔離；使用DC/DC變換器的高頻設(shè)備，DC/DC輸出回線與設(shè)備殼體相連。

5）高頻設(shè)備一般采用多點接地，即設(shè)備內(nèi)部的二次電源地和信號地都與設(shè)備的外殼相連，通過機殼及接地樁實現(xiàn)接地；一次電源母線回線與信號地和設(shè)備外殼地、二次電源地隔離。

6）當(dāng)某些低頻設(shè)備直接不加隔離地使用一次電源時，這些設(shè)備不能再另行接地，只能通過一次電源回流線實現(xiàn)間接接地。

2.2 航天器不同艙段一次母線的接地方式

不同艙段的一次母線供電電壓可能不同，一次供電母線的供電方式也可能不同。對于單母線一次供電的航天器，供配電系統(tǒng)的一次地是唯一的，只有一個單獨的接地點；而對于有2條不同電壓的一次母線供電的航天器，則會存在2種不同的接地方式，對于分艙段供電的方式可以分別接到各自用電的艙段。目前多艙段的航天器為了保證整體負載供電需求的可靠性，一般都采用并網(wǎng)控制器來連接2個不同的艙段，實現(xiàn)艙段之間的能量相互傳輸，如圖3所示。

此時，對于一次母線回線接地，通常有2種接地設(shè)計方式。

第1種接地方式為艙段1和艙段2的一次母線回線先各自單點接地，然后在艙段1和艙段2的連接處采用接地樁共同接地。該接地方式適用于艙段1和艙段2始終組合在一起、不進行分離的情況。

第2種接地方式以第1種接地方式為基礎(chǔ)，在與并網(wǎng)控制器相連的艙段1和艙段2的一次母線正線和回線上分別增加繼電器（或者接觸器）。當(dāng)2個艙段需要各自獨立運行、不相互傳遞能量時，讓并網(wǎng)控制器兩側(cè)的正線繼電器（或者接觸器）和回線繼電器（或者接觸器）均處于斷開狀態(tài)，實現(xiàn)2個艙段一次母線的隔離。此時，一次母線的接地方式為艙段1和艙段2的一次母線回線均為獨自單點接地，兩者各自獨立，互不干擾。當(dāng)2個艙段需要進行能量傳輸時，讓并網(wǎng)控制器兩側(cè)的正線繼電器（或者接觸器）和回線繼電器（或者接觸器）均處于閉合狀態(tài)，將艙段 1和艙段 2的不同母線電壓的一次母線回線進行連接，并通過連接器與主接地樁單點接地，此時的接地方式與第1種接地方式類似。

可見，第2種接地方式靈活性強，兼顧了第1種接地方式，既可以保證單個艙段獨立運行的一次母線接地需求，又能保證多個艙段連接時不同一次母線電壓的接地需求，因而更適用于不同艙段一次母線接地設(shè)計。

3 航天器不同艙段一次母線接地方式的實現(xiàn)

3.1 單個艙段的接地方案

圖4為某航天器單個艙段中一次母線回線、二次母線回線的接地實現(xiàn)，以及一次母線回線和二次母線之間的相互連接關(guān)系。從圖中可以看出：

1）一次電源、主配電器和一次電源直接用戶中的一次母線回線均與設(shè)備殼體進行了隔離；同時，所有的一次地（回線）都與信號地、設(shè)備外殼地和二次電源地進行了隔離，且都匯集在主配電器中單點接地，符合航天器一次母線回線的接地要求。

2）高頻設(shè)備1、高頻設(shè)備2和高頻設(shè)備3內(nèi)部的二次電源地和信號地都與設(shè)備的外殼地進行了連接，符合高頻設(shè)備的接地要求。

3）二次電源1、二次電源2和低頻設(shè)備1的一次電源輸入回線和二次電源輸出回線都進行了隔離，并且一次電源輸入回線均與設(shè)備外殼地隔離，符合二次電源和低頻設(shè)備的接地要求。

3.2 多艙段的接地方案

圖5為某多艙段航天器的一次母線接地示意圖。該航天器存在脈沖大電流的工作模式，電源干擾情況突出，整器工作頻率復(fù)雜，對EMC要求很高。因此，整個航天器結(jié)構(gòu)采用碳纖維蜂窩板，以及導(dǎo)電銅帶接地的接地方式。

如圖5所示，該航天器有2條一次供電母線，電壓分別為70 V和28 V。由于這2條一次母線的電壓不同，為了保證2個艙段連接時能量的可靠傳輸，在艙段之間設(shè)置了并網(wǎng)控制器；同時，為了保證2個艙段在各自工作時的可靠隔離，在并網(wǎng)控制器的 2條一次母線的正線和回線上均設(shè)置了開關(guān)繼電器（K1～K4）。其中，K1和K2分別為70 V一次母線的正線和回線繼電器；K3和K4分別為28 V一次母線的正線和回線繼電器。

當(dāng)艙段1和艙段2需要各自獨立運行時，將繼電器K1～K4全部斷開。此時，并網(wǎng)控制器不工作，2個艙段的電源控制器1和電源控制器2分別給各自的艙段獨立供電，同時將70 V一次母線回線在艙段1靠近電源控制器1就近單點接地，將28 V一次母線回線在艙段2靠近電源控制器2就近單點接地。

當(dāng)艙段1和艙段2需要組合運行時，將繼電器K1～K4全部閉合，通過并網(wǎng)控制器實現(xiàn)2個艙段間的能量傳輸。為了使整星一次電源有共同的參考地點，將圖5中電源控制器1的回線（70 V供電母線）匯集到電源控制器1，并通過一個單獨的電連接器將回線引出就近接地，由此將艙段1的70 V一次母線回線單點接地；同時，將電源控制器2的回線（28 V供電母線）匯集到電源控制器2，并通過一個單獨的電連接器將回線引出就近接地，由此將艙段2的28 V一次母線回線單點接地；最后將2個單點接地片并聯(lián)到整星的主接地樁。并網(wǎng)控制器的70 V一次母線回線通過電源控制器1進行接地連接，28 V一次母線回線通過平臺配電器與電源控制器2進行接地連接。此外，二次電源還設(shè)置了一個本地接地點，該接地點須良好搭接到航天器的結(jié)構(gòu)上。當(dāng)這些接地點與航天器結(jié)構(gòu)斷開時，它們應(yīng)是彼此隔離的。

3.3 測試結(jié)果

采用上述一次母線接地方案后，對艙段1獨立運行和艙段1與艙段2連接并網(wǎng)共地后的一次母線電壓及電流紋波均進行了測試，分別如圖6和圖7所示。

測試結(jié)果顯示，當(dāng)并網(wǎng)控制器斷開，艙段1獨立工作時，一次母線輸入電壓紋波為326 mV，電流紋波為8 mA；當(dāng)并網(wǎng)控制器接通，艙段1和艙段2連接共地帶載工作時，一次母線輸入電壓紋波為263 mV，電流紋波為9 mA。這表明，2個艙段獨立運行和共地運行時，一次母線輸入電壓紋波均未對一次回線形成瞬態(tài)浪涌干擾，所產(chǎn)生的紋波電流非常小，能夠有效避免航天器整器的電磁干擾，保證航天器上的電子設(shè)備正常工作。

4 結(jié)束語

本文所提供的航天器多艙段一次母線回線的接地方案滿足我國航天器接地的相關(guān)標準要求，并且已經(jīng)在航天器中得到了應(yīng)用。通過對實際應(yīng)用的航天器進行測試表明，該設(shè)計方案更適用于多艙段航天器的接地，能夠明顯改善航天器不同艙段之間的電磁干擾問題，有效避免接地回路引起的低頻干擾，并能將分布電容引起的高頻干擾最小化，可提高航天器上多艙段不同設(shè)備間的電磁兼容性，優(yōu)化航天器不同艙段之間接地系統(tǒng)的品質(zhì)，進一步保證航天器工作的穩(wěn)定性和可靠性，為今后我國發(fā)展多艙段組合大型航天器的接地設(shè)計提供了參考依據(jù)。

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（編輯：張艷艷）

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 輝（1984—），男，碩士學(xué)位，從事航天器供配電設(shè)計工作；E-mail: littlechild63@163.com。劉 靜（1962—），女，高級工程師，從事航天器供配電設(shè)計工作。

2016-07-07；

：2017-01-14

夏輝,劉靜.航天器不同艙段一次母線接地設(shè)計[J].航天器環(huán)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