机场目视助航灯光供电一次回路多点接地故障分析和预防

罗晓辉

（西部机场集团有限公司机场建设指挥部）

0 引言

目视助航灯光是机场重要的助航设施之一，其中跑道（或滑行道）中线灯、边灯、进近灯等多数助航灯光回路的供电原理如图1所示。交流电通过恒流调光柜升压输出恒定电流，电流通过机场助航灯光回路用埋地电缆（型号：DYJV-5KV-1×6简称“一次缆”）和串联在回路中的多个隔离变压器（简称“隔变”）组成供电回路，一次缆和隔变一次侧采用单芯插头插座连接器（简称“一次插拔头”，俗称公、母插头）连接，隔变二次侧通过专用的两芯插头和线路连接助航灯具。由于回路中隔变参数相同，串联分压原理使得每个隔变的一次侧工作电压基本相同，隔变二次输出电压、电流也相同；受天气影响，航空器起降过程中的能见度不同，故调光柜根据目视助航需要分5个亮度等级输出恒定电流在2.80～6.6A之间，隔变二次输出相应电流改变灯具亮度，以满足飞行员着陆和起飞时的需要。上述供电原理实现了在同一亮度等级下，回路内任一盏灯的亮度基本相同，不受长距离供电线路压降的影响。串联隔变实现了回路一二次测的隔离，其性能满足次级开路和短路情况时继续运行的要求，确保了光源灯丝开路、短路等故障情况下，不影响隔变一次侧和整个助航灯光供电回路正常工作。

1 目视助航灯光一次回路故障类型及查找

图1 助航灯光回路供电原理图

目视助航灯光一次回路常见故障类型有：单点接地故障；开路故障；开路和接地混合故障；两点及以上接地故障（简称“多点接地故障”）。其中，单点接地（按照相关运行规程，总长度大于5km时，绝缘电阻不得低于2MΩ）时，接地点无法形成电流通路，故助航灯光回路仍可正常工作，调光柜本身的绝缘监测和报警功能会提醒工作人员故障存在，故障查找采用“二分法”逐步缩小范围并找到接地点；在单点低阻接地情况下，如果接地电阻稳定，也可在该回路人为制作一个可靠的接地点，通过开灯观察接地的两点之间的灯具不亮或亮度明显变暗定位故障点。开路故障发生时，调光器保护动作并自动切换至备用调光柜，若开路故障依旧，备用调光柜保护动作跳闸，该助航灯光回路停止工作，此类故障影响大，但出现的频次并不高，常见原因有外力破坏、电缆受损部位或一次接头等处“打火”并逐步烧断，有时也会因人为原因误拔一次插拔头造成开路，故障排除方法与单点接地故障排除方法类似，只不过要人为制作接地点来辅助判别。开路和接地混合型故障是上述故障的综合，出现频次不高，也不是本文讨论的重点。两点及以上接地（如图1的a、b点）故障发生时，整个助航灯光供电回路仍能继续工作，但故障区段的助航灯光可能不再正常亮起（两点均为稳定的低阻接地故障）或有明显偏暗的变化，此类故障出现后，极易使助航灯光回路亮灯率（如跑道、滑行道中线灯一般为95%，且不允许有两个相邻灯具不亮）不满足规范要求，该故障是本文讨论的重点。

2 多点接地故障形成的原因

对于多点接地故障成因，笔者曾对国内某干线机场助航灯光一次回路的绝缘情况进行了一段时期的跟踪，新投运的回路在投运的前1～2年内，由一次插拔头安装质量引起的多点绝缘降低故障基本呈多发状态。通常集中于一次电缆和隔变连接的一次插拔头处，多点接地故障因隔变和一次电缆引发的约占一成，插拔头处的故障占到九成左右。后者是关键因素，通过统计和分析，形成此类故障的原因如下。

2.1 插拔头处多点接地故障形成的内因

插拔头处的故障分为两种。首先是安装工艺及接地线的选用影响了电缆接头的密封性。接头的密封是通过热收缩管，它是一种退热后能均匀收缩的热缩管，其材质有交联聚乙烯和硅橡胶两大类，热缩管是在外力作用下扩张成型后强制冷却而成的，因此当再次加热到130℃左右时，又会力图恢复到原尺寸，热缩时将管材套于预定黏合部位，并在黏合部位两端涂上热熔胶，当加到上述温度后，热缩管收缩热熔同时熔化，待自然冷却后形成良好的密封层，热熔胶在此起填充和密封两个作用。图2中，b处就是密封管热缩，安装前为保障其黏粘的紧密性，一次电缆外护套表面清洁和打磨不到位，或热缩工艺加热不均匀等，接头的密封性就差，灯箱内的潮气和水分容易进入接头内部。在安装过程中，连接管至两侧的绝缘层表面要涂抹硅脂，其有耐高压、防水、防爬电、密封润滑及防潮作用，对于新安装的接头，硅脂使用与否效果并不明显，致使工人在安装过程中经常忽略硅脂的正确使用，不注意接头安装过程中的清洁，不按操作要求均匀涂抹硅脂等，使接头后期运行的密封性大打折扣。此外，接头安装时需要将带屏蔽的单芯一次电缆和插拔头相连，电缆的屏蔽层通过裸铜（镀镍紫铜材质）多股软接地线引出，灯箱内的潮气或水也会通过接地线“辫子”间的微小空隙渗透进入连接头内部，加工工艺粗糙的接地线，防水性差。上述因素引发的多点接地故障（图2的b点）约占插拔头接地故障的六成。

二是隔变与一次电缆回路固有的插、拔连接方式易形成接地点。当接头运行至一定年限，其接触的紧密程度对密封性影响较大。这里有必要对一次电缆和隔变的连接进行说明，如图2所示，为了安装拆卸方便，电缆和隔变通过一次插拔头连接，公、母插拔头接触紧密性，实际上取决于材料和加工工艺的精密性，其决定了绝缘薄弱点是否易形成。运行发现，插拔头材料随运行年限增加弹性减弱、卡箍损坏或未拧紧，都容易使插拔接触处密封性下降。

图2 电缆与隔离变压器连接示意图

2.2 插拔头处多点接地故障形成的外因

灯箱进水或潮气的长期持续存在是诱发插拔头处多点接地故障的外因。当灯箱中有大量水和潮气时，热缩接头及连带的插拔头长期浸泡在水中，前述第二种情况的公母头接触面有空隙存在，从插拔头插针到外部水汽间易形成泄露电流通路。实际运行中，维修人员查找到故障灯箱后，详细检查隔变、电缆终端接头等均无明显问题，只是插拔头内含有水分，通过多次“甩动”和擦拭插拔头，或通过轻微烘烤，故障排除，特别是运行一定年限的插拔头，此类现象比较普遍。

安装时密封不好的接头，中间压接管和和接地线间易通过渗入的水分形成稳定的泄露电流通路。

上述两种情况下严重时，电流的热效应作用会使灯箱内的积水发热蒸腾，因为交联聚乙烯电缆接头密封常采用的是聚氨酯胶黏剂，其耐热性较差，在高温、高湿下易水解而降低粘结强度，发热和密封胶黏粘性下降形成恶性循环，使热缩管口出现图3所示（运行不到两年出现）的龟裂或开胶现象，加剧绝缘劣化，使回路的整体绝缘进一步降低。

多点绝缘低故障在阴雨天易多发也间接证明，接头的密封性是多点绝缘降低故障的主因，特别是正常情况下回路整体绝缘不高的线路，影响显著。如下表所示，回路绝缘正常的滑行道中线灯1回路基本不受雨天影响，而标记牌2回路在晴天和雨天的绝缘变化很大。

还有一种现象证明了水分和潮气的“推波助澜”作用，在由阴雨引发的助航灯光回路绝缘阻值整体降低问题的处理中，来不及处理时，维修人员将灯箱内的隔变和插拔头从有水的灯箱内取出，晾晒一段时间，回路绝缘值很快就能提高许多。

造成灯箱内多水和潮气过多的原因，一是阴雨天排水不畅或受周围土面区下陷等影响，当灯箱整体性密封不好时，容易进水；二是灯箱“身处”室外恶略环境，昼夜温差大，隔变有工作和停用以及不同亮度等级情况下的发热状况，灯箱内的温差昼夜变化大，容易形成潮气和冷凝水，日积月累使灯箱内聚集大量水份。三是维修人员在“开箱”检查的过程中，不能很好地坚持“每开一次”更换密封圈或紧固箱盖螺栓不对称、不到位等。

表 助航灯光回路绝缘（单位：MΩ）

图3 热缩管口龟裂及开胶图

2.3 多点接地故障频发的其他因素

回路多点接地故障多发，也有其他客观因素，其主要是易发故障点的基数很大，以长度3000m，每15m有一盏灯的跑道中线灯回路为例，由于其重要性，采用两回路隔灯供电的方式，所以单条回路隔变约100套，相应的一次插拔头达200个。每个插拔头按上述分析对应3个易发故障点，仅跑道中线灯单一回路就有600个易发点，以国内某双跑道机场的一条跑滑区域为例，助航灯光回路多达32条，隔变约2600套，插拔头和故障易发点分别为5200个、15600个。仅2016年9月份机场灯光站处理的绝缘问题约60～70起。所以解决一次回路多点接地故障是设计人员、元器件厂家和各机场相关运行部门技术人员共同的目标。

3 多点接地故障的预防

近年来尝试进行的改进办法主要有以下几种，一是产品改良方面，从材料入手，插拔头材料采用优质橡胶模压（或热性弹塑体）作为外部封套材料，配以密封硅脂，结合紧密、提高了防水性能，使其耐受酸碱侵蚀性增强。同时，对产品进行技术改进，如图4所示，接地线由a现场安装改为b工厂热塑成型；热缩管口处由以前 c内部密封胶单一作用，改为d外部增加锁紧抱箍的改进措施；采用特制插头/插座保护套，有效防止初次级接头不受潮气和灰尘侵蚀。

图4 接地线技术改进示意图

二是针对热缩管口龟裂问题，在安装工艺方面进行改进。2014年在笔者曾负责的一项助航灯光改造工程中，在所有热缩一次插拔头的热缩管外，增加了如图5所示的100mm的二次密封管，使原来的管口龟裂问题得到延迟甚至是避免，运行3年来，多条助航灯光回路没有发生一例因热缩管龟裂而引发的多点接地故障。

图5 热缩管工艺改进示意图

三是提高安装工人和维修人员的操作和技术水平，注意密封管热缩之前一次电缆外护套通过打磨法，提高聚氨酯胶黏剂密封效果，接头安装时按要求清洁并使用硅脂，日常维护开启灯箱后坚持更换密封垫圈、用正确的方法紧固灯箱盖螺栓等。此外，对运行一定年限的插拔头，在其对接处利用3M的J20#高压自粘带密封，提高插拔头防水、防潮性能。

四是在积水治理方面改“堵”为“疏”，灯箱内部一次电缆进出口不再用环氧树脂密封，使集聚的水可以及时从电缆出入口渗出（见图6），此方法减少灯箱积水有效，对多点接地故障的降低作用尚需统计数据进行比对。

五是从设计阶段入手，将灯箱位置从土面区更改为混凝土道肩，避免了灯箱周围下陷或排水不利情况下的积水入侵问题。此方案极大地提高了跑道和滑行道边缘土面区的机械化割草效率及平整碾压工作的便利性，避免了机械作业对灯箱的破坏。但也带来灯箱内一旦积水可能会向跑道基础渗漏的潜在隐患，方案的优缺点仍需要实际运行数据的统计和比对。

图6 电缆出入口设计改进图

4 结束语

针对目前大型枢纽机场航班起降时刻紧张，留给助航灯光运行人员进行灯具常规维护检查的时间越来越难以保障，单点接地故障由于得不到及时检修处理极易形成多点接地故障，通过助航灯光供电回路多点接地故障分析，提出可以从插拔头等附件选择、接头安装工艺改进、安装工艺的严格执行和维护过程中按章操作、以及灯箱安装位置变化、一二次电缆在灯箱出入口的密封处理方式改变等入手，有效预防和减少助航灯光回路多点接地故障的发生，相关措施在2014年西安咸阳国际机场北跑道“沥青盖被”助航灯光工程中使用，保障了助航灯光系统的正常率，保障了飞行安全，验证了这些方法和措施的有效性。

[1]夏新民. 电力电缆头制作与故障测寻 [M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[2]高扬，张军营. 胶黏剂选用手册 [M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[3]戴礼晨. 浅议如何提高灯光跑道系统回路故障检修效率[J]. 江苏航空，2014（2）：23-24.