机场助航灯光回路电缆故障及诊断方法

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发布时间：2011-02-26 13:16:45  更新时间：2023-10-24 09:31:54

　　摘要：在助航灯光供电系统中，所有的电力设备都可能存在一些问题，诸如设计问题、安装问题、质量问题、运行问题、管理问题等等。助航灯光回路电缆作为一种输电的主要设备也毫不例外，会因种种原因出现的故障。本文论述了机场助航灯光回路中的故障，着重论述从故障检测的角度出发来分析助航灯光电缆的故障性质，并提出几种判断灯光回路中电缆、隔离变压器故障的诊断方法。
　　关键词：助航灯光回路、电缆、故障、接地点、电缆头、阻值、电压
　　一引言
　　随着民航事业的发展，机场客流量不断增大，跑道、滑行道使用时间愈来愈长，助航灯光出现故障组织抢修非常困难，不能满足助航灯光的使用要求。在现代民航运输业中，助航灯光系统为机场的安全正常运营提供了至关重要的保障。助航灯光系统大体由低压柜、调光器、升压变压器、隔离变压器、电缆、灯具和监控系统组成，由多条回路构成的整体布局，灯具有跑道中线灯、跑道边灯、入口灯、末端灯、PAPI灯、进近灯、滑行道灯等。灯光回路中最短回路的电缆有一千多米长，长回路的电缆超过10Km。各回路负载的灯数不尽相同。助航灯光全部设备都分散在几百万平方米的飞行区内，几千个位置，点多面广。回路接线性质是串联供电，出现故障将影响整条回路。受外界影响大，冬季时温度可达－30度，夏季时表面温度接近40度。下雨时整条回路浸泡水中可达十几个小时，环境极其恶劣。接插插件多在高电压大电流状态下工作容易产生过热和绝缘破坏现象。下面就助航灯光电缆故障有关的一些问题做粗浅的论述。
　　二助航灯光电缆的结构及组成
　　由于电缆的种类繁多，如按电压等级分类，有三大类：低压电缆、中压电缆、高压电缆；若按绝缘材料分类，有四大类：油浸纸介质电缆、塑料电缆、橡皮电缆、充油或充气电缆等，其结构组成也各不相同。而机场助航灯光电缆是根据我国民航事业的发展和民航机场建设水平的提高而研制开发的高新技术产品。它是应用工业电子加速器所产生的电子射线对高分子材料进行改性而获得的高机械强度、耐老化性能和优良的电性能作为该产品的绝缘材料，实现了产品的耐电压等级高、机械强度满足机场苛刻条件；使用寿命长达30年以上，确保了飞行的安全性和可靠性。
　　YJYD--6/6--3.6/6kV和6/6KV辐照交联机场助航灯光电缆，其主要由五部分组成：导体芯线、绝缘层、半导电层、金属屏蔽层、外护套层。因此，五部分中的那一部分出现问题都可以认为是该电缆有故障。不光是电缆，其它如隔离变压器质量，电缆施工中人为机械损坏，电缆头制作工艺以及在以后的使用过程中化学腐蚀等原因，可能会出现的阻值低的情况，使电缆线路故障的可能性大幅度增加。
　　三、造成灯光回路电缆故障的原因
　　电缆故障最直接原因是绝缘降低而被击穿。导致绝缘降低的因素很多，根据经验，归纳起来不外乎以下几种情况。
　　1）电缆生产质量问题
　　在我国，常用的中低压电缆其生产技术是非常成熟的，因此电缆的产品质量问题主要是生产管理和市场管理问题。如运行的XLPE电缆，出现故障才发现电缆中的铜屏蔽层不连续，甚至严重到了有一段电缆没有铜屏蔽层；有的出现一些生产的XLPE成品电缆没有半导电层，导体芯线易扭断等难已想象的质量问题。
　　2）电缆施工质量问题
　　电缆在安装及敷设施工过程中，没有严格按照有关电缆的安装要求施工，如电缆的扭曲，打折等。
　　3）外力损伤
　　由近几年的机场运行分析来看，相当多的电缆故障都是由于机械损伤引起的。比如：电缆敷设安装时不规范施工，容易造成机械损伤；在直埋电缆上搞土建施工也极易将运行中的电缆损伤等。有时破坏严重的可能发生短路故障，直接影响灯光设备及航空器运行安全。
　　4）绝缘受潮
　　这种情况一般发生在直埋或排管里的电缆接头处。比如：电缆接头制作不合格和在潮湿的气候条件下做接头，会使接头进水或混入水蒸气，时间久了，在电场作用下形成水树枝，逐渐损害电缆的绝缘强度而造成故障。由于南方多雨，空气湿度大，在电缆头制作中极易出现这种现象，使整个灯光回路绝缘降低。
　　5）化学腐蚀
　　电缆直接埋在有酸碱作用的地区，往往会造成电缆的铠装、铅皮或外护层被腐蚀，保护层因长期遭受化学腐蚀或电解腐蚀，致使保护层失效，绝缘降低，也会导致电缆故障。
　　6）长期超负荷运行
　　由于电流的热效应，负载电流通过电缆时必然导致导体发热，同时电荷的集肤效应以及钢铠的涡流损耗、绝缘介质损耗也会产生附加热量，从而使电缆温度升高。长期超负荷运行时，过高的温度会加速绝缘的老化，以至绝缘被击穿。尤其在炎热的夏季，电缆的温升常常导致电缆绝缘薄弱处首先被击穿。
　　7）电缆接头故障
　　电缆接头是电缆线路中最薄弱的环节，由人员直接过失(施工不良)引发的电缆接头故障时常发生。施工人员在制作电缆接头过程中，如果有接头压接不紧、加热不充分、外部施工自然条件、施工人员技术水平或粗心大意等原因，都会导致电缆头绝缘降低，从而引发事故。从以往的施工经验来看，大多数灯光电缆回路故障由于电缆头制作工艺不良引起的。
　　8）环境和温度。
　　电缆所处的外界环境和热源也会造成电缆温度过高、绝缘击穿，甚至爆炸起火。
　　9）电缆本体的正常老化或自然灾害等其他原因。
　　图一灯光回路系统图
　　因为电缆是串联回路（如图一），如果有一个点对地绝缘电阻低就会导致整个回路低，所以一般电缆绝缘电阻下降的回路都是因为老化，整条电缆到处都有造成绝缘电阻低的点。只要不把所有上述的点都消除掉，仍然不能完全解决问题。
　　这些问题中关键在电缆头的制作工艺。不同的人做出来的绝缘可能相差很远，所以规范电缆头的制作工艺意义重大。另外要做好灯箱的防水，包括灯箱盖和底部进线孔的。国外的隔离变压器根本不用隔离变压器箱的，直接埋在土里的。而我国还要把隔离变压器打在混凝土里，密封面或槽加工工艺粗糙、防锈蚀能力太差，维护极其不便，进水，水汽是家常便饭了！国外基本上使用的是钢板焊接或高强度塑料（或玻璃钢）灯箱。
　　四、判断灯光回路故障方法
　　1、电缆故障检测仪
　　声测定点法查找灯光电缆故障点的技巧，如图二所示，图中B为拾音器，其余各参数均为与冲击高压闪络法粗测距离时接线，图中的对应参数相同。
　　图二声测定点法基本原理图
　　基本原理：
　　如上图所示，声测定点法是利用直流高压设备，向电容器充电、储能，当电容器电压达到球间隙击穿值时，电容器通过球间隙放电，向被测电缆的故障线芯施加冲击电压，当故障点击穿时，电容器中储蓄的电能将通过等效故障间隙Ja或故障电阻R1放电。于此同时，将产生机械振动波和电磁波，然后利用拾音器，在粗测的故障距离附近，沿电缆进行听测，地面上振动最大、声音最响处，即为故障点的实际位置。声测定点法简便、易行，准确性好，其绝对误差不大于±0.4m。
　　1) 有时因为环境干扰大，土质或电缆具体损坏不同等因素，故障点闪络放电传给探头的机械振动波很弱（塑料电缆易发生这种情况），定点比较困难，这时可以利用电缆故障点闪络放电时即发射电磁波又有机械振动波这一现象，使用两台定点仪在同一时刻，都接收到“啪！啪！”的声响信号时，说明该音响信号确为故障点发出的放电信号（电磁波和机械振动波），在找出最响点，即可定出准确的故障点。
　　2) 寻找最响点的方法是：在定点过程中，如果听到有规律的“啪！啪！”的机械振动声（放电声）以后，故障点就在离此不远的地方，此时应沿电缆走向，前后移动定点仪进行比较测量，同时减小定点仪的输出音量，逐渐缩小听测范围，最后集中于一个最响点。
　　3) 对于极少数的（5%以下）金属性接地或故障电阻极低（Rm＜10Ω）的电缆故障，由于故障点根本不放电或放电能量太小，不产生机械振动波或机械振动波极其微弱，也就无法听到信号，此时用声测定点法以不能确定故障点，应改用音频感应法精测定点。
　　如果是用通用的电力电缆故障检测仪是很难查出灯光电缆的高阻接地的，检测仪的工作原理是在电缆导线加一个电压，碰到故障点会反射一个信号回来，在显示屏上是一个尖脉冲，芯片通过处理这个波的波速波长算出这个距离。问题是，检测仪碰到中间电缆接头也会传回一个尖脉冲，我们的灯光回路有多少中间接头啊！无法辨认故障脉冲，隔离变压器在主电路上改变了电缆的容性也是造成测量不准确的主要原因。实在要用仪器检测最好调高试验电压击穿故障点，变成低阻接地故障，这样好查，但对电缆损伤很大。
　　2、利用接地方法判断灯光回路是否有一点接地故障
　　在灯光回路中一点接地的情况下，由于调光器输出与大地不构成回路，因此对灯光回路没有影响，只是存在安全隐患。但是，如果一点接地排除不及时，当出现第二点或多点接地情况下，就会造成较多相连灯具同时不亮。特别是当夜间突然发生回路故障，将会严重影响到飞行安全。
　　目前，大连电子研究所已研制出了绝缘电阻监测系统及高压切换柜。如将该设备接装在灯光回路上，基本可以避免发生多点接地故障。
　　在做灯光回路阻值摇测时，经常会发现该灯光回路的阻值虽然很低，但未影响回路的正常运行。造成这种情况的原因可能是由于电缆质量问题或电缆绝缘部分老化导致回路中有一点接地。
　　对回路阻值近似为零时如何确定是否有一点接地呢？我们的方法是将该灯光回路升压变压器的两个输出端分别接地后开灯，记录调光器的电压值。如两次的电压值相同，可以确定该灯光回路没有一点接地故障；如两次的电压值不同，就可以确定该灯光回路有一点接地故障。
　　3、电桥法
　　电桥法就是用双臂电桥测出电缆芯线的直流电阻值，再准确测量电缆实际长度，按照电缆长度与电阻的正比例关系，计算出故障点。该方法对于电缆芯线间直接短路或短路点接触电阻小于1Ω的故障，判断误差一般不大于3m，对于故障点接触电阻大于1Ω的故障，可采用加高电压烧穿的方法使电阻降至1Ω以下，再按此方法测量。
　　图三
　　图四
　　测量电路如图三所示，首先测出芯线a与b之间的电阻R1，则R1=2Rx+R，其中Rx为a相或b相至故障点的一相电阻值，R为短接点的接触电阻。再就电缆的另一端测出a′与b′芯线间的直流电阻值R2，则R2=2R(L-X)+R,式中R(L-X)为a′相或b′相芯线至故障点的一相电阻值，测完R1与R2后，再按图四所示电路将b′与c′短接，测出b、c两相芯线间的直流电阻值，则该阻值的1/2为每相芯线的电阻值，用RL表示，RL=Rx+R(L-X)，由此可得出故障点的接触电阻值：R=R1+R2-2RL，因此，故障点两侧芯线的电阻值可用下式表示：Rx=(R1-R)/2，R(L-X)=(R2-R)/2。Rx、R(L-X)、RL三个数值确定后，按比例公式即可求出故障点距电缆端头的距离X或(L-X)：X=(RX/RL)L，(L-X)=(R(L-X)/RL)L，式中L为电缆的总长度。
　　采用电桥法时应保证测量精度，电桥连接线要尽量短，线径要足够大，与电缆芯线连接要采用压接或焊接，计算过程中小数位数要全部保留。
　　4、利用接地方法诊断灯光回路开路故障
　　日常工作中，经常会遇到电缆挖断，电缆头烧断等原因造成的灯光回路开路故障。此类故障又多发生航班保障过程中，不能轻易关闭电源，给查找故障点造成一定的困难。
　　如何解决此类故障呢？我们是将升压变压器一个输出端接地，将其设为A点，如C点为开路点，可先在B点二次接地。如图五所示：
　　图五诊断灯光回路开路故障灯光回路图
　　沿BC方向做接地检测，如调光器电压值低，说明该点至升压变压器段无开路，恢复B点正常（拆除地线）。继续查找，直到C点，开启该灯回路时，发生开路报警,即就可确定该开路地点。再采取相应的修复方法,恢复灯光回路的正常运行。
　　对于灯光回路故障另外一种判别方法就是应用低压脉冲法测量。通过用脉冲法测量电缆的相对长度及脉冲反射波形来判断电缆是否存在开路故障，此时无需将电缆另一端短接。此方法对芯线及金属屏蔽层都可非常有效地检测。
　　5、利用接地方式诊断损坏隔离变压器位置
　　灯光回路一般由灯具、电缆、隔离变压器组成，以串联接方式连接。回路中的灯具个数不等，有时有十几个灯具，有时有几十个灯具，甚至会有上百个灯具。与这些灯具相连的24V隔离变压器由于长时间运行或者自身质量问题，会使初级线圈对地放电，产生大于6.6A的电流。调光器有过流保护性能，每当发生线圈放电、电流增大情况时，该灯光回路就会关闭，部分助航灯光熄灭，严重影响飞行安全。
　　此类故障表现出不确定性并且用摇测阻值方式测量阻值往往又正常。如何才能有效诊断隔离变压器的故障呢？如图所示：
　　图六诊断损坏隔离变压器灯光回路
　　我们首先将升压变压器输出端做接地，然后沿BC方向分别做接地。在每次接地后，都打开该回路灯并观察电流、电压表现。如调光器显示电流值稳定，电压值低，说明未接地输出端——B点，无隔离变压器放电。以此方法，查到C点时会出现电流值不稳定或E01表现，甚至关机现象，这样即可确定发生故障的隔离变压器。而后，更换相同型号隔离变压器，即可排除隐患；如无相同隔离变压器，可暂时用电缆连接。
　　还有其它方法可以直接或间接检测出电缆线路的故障，这里不再一一赘述。
　　五、结束语
　　电缆故障测试技术水平的提高，应针对不同的故障性质采取不同的方法，还要不断引进新技术、新设备，同时也要在新设备上摸索经验，开发新的功能，直接找到故障点进行处理，提高了故障测寻的效率。运用上述方法确定助航灯光回路故障点的方法，是通过多年实践经验，结合相关理论总结出的。对灯光电缆故障点进行分析，其主要目的还是怎样快速地查找出故障点的位置，用科学的态度、发展的观点和实际应用出发，应该以行波反射理论为依据来全面分析灯光电缆故障，掌握相关的技术，从而确实的保障助航灯光安全可靠的运行。
　　参考资料：
　　《电力电缆适用技术手册》
　　国际民用航空组织，国际民用航空公约附件十四，2004
　　《农村电气化》