機(jī)場(chǎng)目視助航燈光供電一次回路多點(diǎn)接地故障分析和預(yù)防

羅曉輝

（西部機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部）

0 引言

目視助航燈光是機(jī)場(chǎng)重要的助航設(shè)施之一，其中跑道（或滑行道）中線燈、邊燈、進(jìn)近燈等多數(shù)助航燈光回路的供電原理如圖1所示。交流電通過恒流調(diào)光柜升壓輸出恒定電流，電流通過機(jī)場(chǎng)助航燈光回路用埋地電纜（型號(hào)：DYJV-5KV-1×6簡(jiǎn)稱“一次纜”）和串聯(lián)在回路中的多個(gè)隔離變壓器（簡(jiǎn)稱“隔變”）組成供電回路，一次纜和隔變一次側(cè)采用單芯插頭插座連接器（簡(jiǎn)稱“一次插拔頭”，俗稱公、母插頭）連接，隔變二次側(cè)通過專用的兩芯插頭和線路連接助航燈具。由于回路中隔變參數(shù)相同，串聯(lián)分壓原理使得每個(gè)隔變的一次側(cè)工作電壓基本相同，隔變二次輸出電壓、電流也相同；受天氣影響，航空器起降過程中的能見度不同，故調(diào)光柜根據(jù)目視助航需要分5個(gè)亮度等級(jí)輸出恒定電流在2.80～6.6A之間，隔變二次輸出相應(yīng)電流改變燈具亮度，以滿足飛行員著陸和起飛時(shí)的需要。上述供電原理實(shí)現(xiàn)了在同一亮度等級(jí)下，回路內(nèi)任一盞燈的亮度基本相同，不受長(zhǎng)距離供電線路壓降的影響。串聯(lián)隔變實(shí)現(xiàn)了回路一二次測(cè)的隔離，其性能滿足次級(jí)開路和短路情況時(shí)繼續(xù)運(yùn)行的要求，確保了光源燈絲開路、短路等故障情況下，不影響隔變一次側(cè)和整個(gè)助航燈光供電回路正常工作。

1 目視助航燈光一次回路故障類型及查找

圖1 助航燈光回路供電原理圖

目視助航燈光一次回路常見故障類型有：?jiǎn)吸c(diǎn)接地故障；開路故障；開路和接地混合故障；兩點(diǎn)及以上接地故障（簡(jiǎn)稱“多點(diǎn)接地故障”）。其中，單點(diǎn)接地（按照相關(guān)運(yùn)行規(guī)程，總長(zhǎng)度大于5km時(shí)，絕緣電阻不得低于2MΩ）時(shí)，接地點(diǎn)無法形成電流通路，故助航燈光回路仍可正常工作，調(diào)光柜本身的絕緣監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能會(huì)提醒工作人員故障存在，故障查找采用“二分法”逐步縮小范圍并找到接地點(diǎn)；在單點(diǎn)低阻接地情況下，如果接地電阻穩(wěn)定，也可在該回路人為制作一個(gè)可靠的接地點(diǎn)，通過開燈觀察接地的兩點(diǎn)之間的燈具不亮或亮度明顯變暗定位故障點(diǎn)。開路故障發(fā)生時(shí)，調(diào)光器保護(hù)動(dòng)作并自動(dòng)切換至備用調(diào)光柜，若開路故障依舊，備用調(diào)光柜保護(hù)動(dòng)作跳閘，該助航燈光回路停止工作，此類故障影響大，但出現(xiàn)的頻次并不高，常見原因有外力破壞、電纜受損部位或一次接頭等處“打火”并逐步燒斷，有時(shí)也會(huì)因人為原因誤拔一次插拔頭造成開路，故障排除方法與單點(diǎn)接地故障排除方法類似，只不過要人為制作接地點(diǎn)來輔助判別。開路和接地混合型故障是上述故障的綜合，出現(xiàn)頻次不高，也不是本文討論的重點(diǎn)。兩點(diǎn)及以上接地（如圖1的a、b點(diǎn)）故障發(fā)生時(shí)，整個(gè)助航燈光供電回路仍能繼續(xù)工作，但故障區(qū)段的助航燈光可能不再正常亮起（兩點(diǎn)均為穩(wěn)定的低阻接地故障）或有明顯偏暗的變化，此類故障出現(xiàn)后，極易使助航燈光回路亮燈率（如跑道、滑行道中線燈一般為95%，且不允許有兩個(gè)相鄰燈具不亮）不滿足規(guī)范要求，該故障是本文討論的重點(diǎn)。

2 多點(diǎn)接地故障形成的原因

對(duì)于多點(diǎn)接地故障成因，筆者曾對(duì)國(guó)內(nèi)某干線機(jī)場(chǎng)助航燈光一次回路的絕緣情況進(jìn)行了一段時(shí)期的跟蹤，新投運(yùn)的回路在投運(yùn)的前1～2年內(nèi)，由一次插拔頭安裝質(zhì)量引起的多點(diǎn)絕緣降低故障基本呈多發(fā)狀態(tài)。通常集中于一次電纜和隔變連接的一次插拔頭處，多點(diǎn)接地故障因隔變和一次電纜引發(fā)的約占一成，插拔頭處的故障占到九成左右。后者是關(guān)鍵因素，通過統(tǒng)計(jì)和分析，形成此類故障的原因如下。

2.1 插拔頭處多點(diǎn)接地故障形成的內(nèi)因

插拔頭處的故障分為兩種。首先是安裝工藝及接地線的選用影響了電纜接頭的密封性。接頭的密封是通過熱收縮管，它是一種退熱后能均勻收縮的熱縮管，其材質(zhì)有交聯(lián)聚乙烯和硅橡膠兩大類，熱縮管是在外力作用下擴(kuò)張成型后強(qiáng)制冷卻而成的，因此當(dāng)再次加熱到130℃左右時(shí)，又會(huì)力圖恢復(fù)到原尺寸，熱縮時(shí)將管材套于預(yù)定黏合部位，并在黏合部位兩端涂上熱熔膠，當(dāng)加到上述溫度后，熱縮管收縮熱熔同時(shí)熔化，待自然冷卻后形成良好的密封層，熱熔膠在此起填充和密封兩個(gè)作用。圖2中，b處就是密封管熱縮，安裝前為保障其黏粘的緊密性，一次電纜外護(hù)套表面清潔和打磨不到位，或熱縮工藝加熱不均勻等，接頭的密封性就差，燈箱內(nèi)的潮氣和水分容易進(jìn)入接頭內(nèi)部。在安裝過程中，連接管至兩側(cè)的絕緣層表面要涂抹硅脂，其有耐高壓、防水、防爬電、密封潤(rùn)滑及防潮作用，對(duì)于新安裝的接頭，硅脂使用與否效果并不明顯，致使工人在安裝過程中經(jīng)常忽略硅脂的正確使用，不注意接頭安裝過程中的清潔，不按操作要求均勻涂抹硅脂等，使接頭后期運(yùn)行的密封性大打折扣。此外，接頭安裝時(shí)需要將帶屏蔽的單芯一次電纜和插拔頭相連，電纜的屏蔽層通過裸銅（鍍鎳紫銅材質(zhì)）多股軟接地線引出，燈箱內(nèi)的潮氣或水也會(huì)通過接地線“辮子”間的微小空隙滲透進(jìn)入連接頭內(nèi)部，加工工藝粗糙的接地線，防水性差。上述因素引發(fā)的多點(diǎn)接地故障（圖2的b點(diǎn)）約占插拔頭接地故障的六成。

二是隔變與一次電纜回路固有的插、拔連接方式易形成接地點(diǎn)。當(dāng)接頭運(yùn)行至一定年限，其接觸的緊密程度對(duì)密封性影響較大。這里有必要對(duì)一次電纜和隔變的連接進(jìn)行說明，如圖2所示，為了安裝拆卸方便，電纜和隔變通過一次插拔頭連接，公、母插拔頭接觸緊密性，實(shí)際上取決于材料和加工工藝的精密性，其決定了絕緣薄弱點(diǎn)是否易形成。運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，插拔頭材料隨運(yùn)行年限增加彈性減弱、卡箍損壞或未擰緊，都容易使插拔接觸處密封性下降。

圖2 電纜與隔離變壓器連接示意圖

2.2 插拔頭處多點(diǎn)接地故障形成的外因

燈箱進(jìn)水或潮氣的長(zhǎng)期持續(xù)存在是誘發(fā)插拔頭處多點(diǎn)接地故障的外因。當(dāng)燈箱中有大量水和潮氣時(shí)，熱縮接頭及連帶的插拔頭長(zhǎng)期浸泡在水中，前述第二種情況的公母頭接觸面有空隙存在，從插拔頭插針到外部水汽間易形成泄露電流通路。實(shí)際運(yùn)行中，維修人員查找到故障燈箱后，詳細(xì)檢查隔變、電纜終端接頭等均無明顯問題，只是插拔頭內(nèi)含有水分，通過多次“甩動(dòng)”和擦拭插拔頭，或通過輕微烘烤，故障排除，特別是運(yùn)行一定年限的插拔頭，此類現(xiàn)象比較普遍。

安裝時(shí)密封不好的接頭，中間壓接管和和接地線間易通過滲入的水分形成穩(wěn)定的泄露電流通路。

上述兩種情況下嚴(yán)重時(shí)，電流的熱效應(yīng)作用會(huì)使燈箱內(nèi)的積水發(fā)熱蒸騰，因?yàn)榻宦?lián)聚乙烯電纜接頭密封常采用的是聚氨酯膠黏劑，其耐熱性較差，在高溫、高濕下易水解而降低粘結(jié)強(qiáng)度，發(fā)熱和密封膠黏粘性下降形成惡性循環(huán)，使熱縮管口出現(xiàn)圖3所示（運(yùn)行不到兩年出現(xiàn)）的龜裂或開膠現(xiàn)象，加劇絕緣劣化，使回路的整體絕緣進(jìn)一步降低。

多點(diǎn)絕緣低故障在陰雨天易多發(fā)也間接證明，接頭的密封性是多點(diǎn)絕緣降低故障的主因，特別是正常情況下回路整體絕緣不高的線路，影響顯著。如下表所示，回路絕緣正常的滑行道中線燈1回路基本不受雨天影響，而標(biāo)記牌2回路在晴天和雨天的絕緣變化很大。

還有一種現(xiàn)象證明了水分和潮氣的“推波助瀾”作用，在由陰雨引發(fā)的助航燈光回路絕緣阻值整體降低問題的處理中，來不及處理時(shí)，維修人員將燈箱內(nèi)的隔變和插拔頭從有水的燈箱內(nèi)取出，晾曬一段時(shí)間，回路絕緣值很快就能提高許多。

造成燈箱內(nèi)多水和潮氣過多的原因，一是陰雨天排水不暢或受周圍土面區(qū)下陷等影響，當(dāng)燈箱整體性密封不好時(shí)，容易進(jìn)水；二是燈箱“身處”室外惡略環(huán)境，晝夜溫差大，隔變有工作和停用以及不同亮度等級(jí)情況下的發(fā)熱狀況，燈箱內(nèi)的溫差晝夜變化大，容易形成潮氣和冷凝水，日積月累使燈箱內(nèi)聚集大量水份。三是維修人員在“開箱”檢查的過程中，不能很好地堅(jiān)持“每開一次”更換密封圈或緊固箱蓋螺栓不對(duì)稱、不到位等。

表 助航燈光回路絕緣（單位：MΩ）

圖3 熱縮管口龜裂及開膠圖

2.3 多點(diǎn)接地故障頻發(fā)的其他因素

回路多點(diǎn)接地故障多發(fā)，也有其他客觀因素，其主要是易發(fā)故障點(diǎn)的基數(shù)很大，以長(zhǎng)度3000m，每15m有一盞燈的跑道中線燈回路為例，由于其重要性，采用兩回路隔燈供電的方式，所以單條回路隔變約100套，相應(yīng)的一次插拔頭達(dá)200個(gè)。每個(gè)插拔頭按上述分析對(duì)應(yīng)3個(gè)易發(fā)故障點(diǎn)，僅跑道中線燈單一回路就有600個(gè)易發(fā)點(diǎn)，以國(guó)內(nèi)某雙跑道機(jī)場(chǎng)的一條跑滑區(qū)域?yàn)槔?，助航燈光回路多達(dá)32條，隔變約2600套，插拔頭和故障易發(fā)點(diǎn)分別為5200個(gè)、15600個(gè)。僅2016年9月份機(jī)場(chǎng)燈光站處理的絕緣問題約60～70起。所以解決一次回路多點(diǎn)接地故障是設(shè)計(jì)人員、元器件廠家和各機(jī)場(chǎng)相關(guān)運(yùn)行部門技術(shù)人員共同的目標(biāo)。

3 多點(diǎn)接地故障的預(yù)防

近年來嘗試進(jìn)行的改進(jìn)辦法主要有以下幾種，一是產(chǎn)品改良方面，從材料入手，插拔頭材料采用優(yōu)質(zhì)橡膠模壓（或熱性彈塑體）作為外部封套材料，配以密封硅脂，結(jié)合緊密、提高了防水性能，使其耐受酸堿侵蝕性增強(qiáng)。同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，如圖4所示，接地線由a現(xiàn)場(chǎng)安裝改為b工廠熱塑成型；熱縮管口處由以前 c內(nèi)部密封膠單一作用，改為d外部增加鎖緊抱箍的改進(jìn)措施；采用特制插頭/插座保護(hù)套，有效防止初次級(jí)接頭不受潮氣和灰塵侵蝕。

圖4 接地線技術(shù)改進(jìn)示意圖

二是針對(duì)熱縮管口龜裂問題，在安裝工藝方面進(jìn)行改進(jìn)。2014年在筆者曾負(fù)責(zé)的一項(xiàng)助航燈光改造工程中，在所有熱縮一次插拔頭的熱縮管外，增加了如圖5所示的100mm的二次密封管，使原來的管口龜裂問題得到延遲甚至是避免，運(yùn)行3年來，多條助航燈光回路沒有發(fā)生一例因熱縮管龜裂而引發(fā)的多點(diǎn)接地故障。

圖5 熱縮管工藝改進(jìn)示意圖

三是提高安裝工人和維修人員的操作和技術(shù)水平，注意密封管熱縮之前一次電纜外護(hù)套通過打磨法，提高聚氨酯膠黏劑密封效果，接頭安裝時(shí)按要求清潔并使用硅脂，日常維護(hù)開啟燈箱后堅(jiān)持更換密封墊圈、用正確的方法緊固燈箱蓋螺栓等。此外，對(duì)運(yùn)行一定年限的插拔頭，在其對(duì)接處利用3M的J20#高壓自粘帶密封，提高插拔頭防水、防潮性能。

四是在積水治理方面改“堵”為“疏”，燈箱內(nèi)部一次電纜進(jìn)出口不再用環(huán)氧樹脂密封，使集聚的水可以及時(shí)從電纜出入口滲出（見圖6），此方法減少燈箱積水有效，對(duì)多點(diǎn)接地故障的降低作用尚需統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

五是從設(shè)計(jì)階段入手，將燈箱位置從土面區(qū)更改為混凝土道肩，避免了燈箱周圍下陷或排水不利情況下的積水入侵問題。此方案極大地提高了跑道和滑行道邊緣土面區(qū)的機(jī)械化割草效率及平整碾壓工作的便利性，避免了機(jī)械作業(yè)對(duì)燈箱的破壞。但也帶來燈箱內(nèi)一旦積水可能會(huì)向跑道基礎(chǔ)滲漏的潛在隱患，方案的優(yōu)缺點(diǎn)仍需要實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和比對(duì)。

圖6 電纜出入口設(shè)計(jì)改進(jìn)圖

4 結(jié)束語

針對(duì)目前大型樞紐機(jī)場(chǎng)航班起降時(shí)刻緊張，留給助航燈光運(yùn)行人員進(jìn)行燈具常規(guī)維護(hù)檢查的時(shí)間越來越難以保障，單點(diǎn)接地故障由于得不到及時(shí)檢修處理極易形成多點(diǎn)接地故障，通過助航燈光供電回路多點(diǎn)接地故障分析，提出可以從插拔頭等附件選擇、接頭安裝工藝改進(jìn)、安裝工藝的嚴(yán)格執(zhí)行和維護(hù)過程中按章操作、以及燈箱安裝位置變化、一二次電纜在燈箱出入口的密封處理方式改變等入手，有效預(yù)防和減少助航燈光回路多點(diǎn)接地故障的發(fā)生，相關(guān)措施在2014年西安咸陽國(guó)際機(jī)場(chǎng)北跑道“瀝青蓋被”助航燈光工程中使用，保障了助航燈光系統(tǒng)的正常率，保障了飛行安全，驗(yàn)證了這些方法和措施的有效性。

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