免维护智能化航标灯及外设防雷击研究与应用(正式稿).doc

免维护智能化航标灯及其外设防雷击研究与应用基金项目：湖北省科技型中小企业技术创新基金项目支持（立项代码：09C26214204870）。项目名称：基于GPSGIS和GPRS的船载导航监控设备与管理终端。陈 柱（江苏省交通运输厅苏北航务处，江苏 淮安 223002）摘 要京杭运河苏北段免维护智能化航标灯及其外设遥测终端大范围被雷电干扰失常、损坏，通过现场取样剖析、室内雷电干扰模拟实验等方法，查明了原因，并对免维护智能化航标灯器、遥测终端的电气设计有针对性的进行了技术改进，研制出免维护智能化航标灯抗雷电干扰的重大科技成果，并适用于内河所有航标灯及相关电器设备。关键词 航标灯 雷电干扰 屏蔽 浪涌保护免维护智能化航标灯集灯座、透镜、太阳能板、蓄电池、闪光器、LED光源阵列于一体，并与遥测终端相连实现智能化，是近年来我国航标管理机构与相关厂家共同研制开发的新型航标灯科技成果。由于其具有体积小、重量轻、光效高、性能好、外形美、智能化、免维护、多功能等优点，极大地满足了航标管理机构现代化航标管理的需要，在全国推广应用，开创了我国内河航标免维护、智能化管理的新时代。由于当初研发这种航标灯时没有考虑配置有效的防雷电干扰措施，加之全球天气异常，强雷电突发天气增多等因素，雷击航标事故呈频发趋势，这不仅给正常的航标养护管理带来很多困难，而且威胁过往船舶的航行安全。2009年6月3日，一夜之间，京杭运河苏北段404公里航道上约41盏新安装的免维护智能化航标灯和外接式遥测装置，在雷雨中先后失常而停止工作。事故发生后，在相关机构组织专家们的共同努力下，通过现场调查取样、电路设计剖析、模拟雷电干扰试验等方法，查明了航标灯失常原因，研制出免维护智能化航标灯抗雷电干扰的重大科技成果，有效解决了航标灯与外接设备连接后雷电干扰的技术问题，并在全国推广应用。一、现场调查取样与专家剖析（一）现场调查取样1、对京杭运河苏北段长江六圩口至徐州蔺家坝404公里航道上的100多座航标灯逐一进行检测，发现损坏的航标灯共计41盏，航标遥测终端10多个，另有20多盏航标灯出现系统死机等不正常现象。打开损坏的航标灯发现电路中的单片机均有被电流击穿的小孔，少数单片机爆裂，电路板发黑，电池电压降至正常值以下。2、航标灯及其遥测终端均安装在柱形或杆形航标标体之上，航标标体上专门配置的避雷装置与航标灯器距离为0.6米。经检测，避雷装置的接地良好，各项参数基本符合要求。3、没有安装避雷装置的航标灯器，发现少数会出现死机现象，重新启动后仍能够恢复正常工作。4、航标灯器和遥测终端之间采用较长的普通导线相连，无屏蔽保护措施，两设备相距较远，大于1米，不在同一个接地之上。（二）专家剖析得出如下结论1、法定的航标灯设置位置将不可避免遭受雷击或雷电干扰航标是供船舶安全航行的重要的助导航设施，根据国家标准和有关规定，必须设置在江、河、湖泊、水库及沿海通航水域的叉河口、弯曲河段、水下浅滩、岛屿等处，以标示航道的界限，揭示与船舶安全航行的航道信息，向过往船舶提供安全、便捷的航行水域。航标设置的地理位置大都在荒郊野外的水面上，或者在地势较高的岸边。因此，从理论上讲其本身都处在易于被雷击的位置。如果航标灯及其相关设备的本身不进行特殊的技术处理，采取有效的避雷设施，其遭受雷击损坏的可能性非常之大。京杭运河苏段的航标配布与设置地点位置都具备上述易遭雷击的客观条件。2、航标灯器及相关设备的损坏自南向北，贯穿全线，具有共性特征，说明其损坏的原因基本相同，并很有可能与灯器设备的电路设计或安装使用有一定的联系。3、从航标灯器及其遥测终端电路损坏程度看，通过航标灯及遥测设备电路系统的电流值并不大，可以排除直接雷所至。避雷针0.6m遥测终端1.3m4、避雷装置虽然接地良好，但由于航标操作平台直径只有1.3米左右，避雷针距离灯器只有0.6米左右，灯器设备完全处在强电场范围之内，因此，其避雷装置不仅没有起到防雷电的作用，反而将周边雷电引入灯器身边，这可能是造成航标灯器及其遥测终端损坏的重要原因。5、航标灯器和遥测终端之间大于2米（有的大于3米不等）的较长导线没有作屏蔽处理，线与线之间处于不等电位状态，在雷击时，由于避雷装置将雷电引入，并在两设备之间可形成直径大于4米的强电场，两设备之间的导线自然会产生较强的感应电，从而形成共模、差模干扰（即通常所说的“跨步电压”），加之灯器和终端都基本没有抗雷电干扰的保护措施，从而造成感应雷电传导损坏灯器设备或终端产品。因此，外接设备线路传电应该是导致灯器损坏的主要原因。6、灯器电压为6V，电路虽然采用了7805稳压设计，起到一定的限压的作用，但由于外接设备引入雷电，稳压作用就会显得不够。上述结论大多数只是专家们的一种表面的现场分析，为了进一步查明原因，研制对应措施，专家们认为需要做模拟雷击实验进行论证。二、模拟雷击航标灯实验模拟雷击航标实验的设计原理，是将灯器与遥测终端对接后放置在一个平台之上，让灯器与遥测终端处于正常的工作状态，然后将灯器、遥测终端及连接导线分别放入高压电场之中，观察高压电场对灯器及遥测工作状态的影响。具体方法与结果如下：1、将不加稳压装置的航标灯与遥测终端连接放置在同一个平台上，同时打开进入正常工作状态。然后，将25万伏高压电场加到导线上，并靠近灯器端一则。结果，灯器瞬间熄灭、损坏。拆开灯器后，发现单片机爆裂，单片机座烧焦，电路板局部发黑，电池电压陡降0.5V。此现象与灯器遭雷击的损坏状况完全相同。2、将灯器控制电路上的单片机安装稳压装置后使灯器进入工作状态，再将 25万伏和50万伏高压电场加到灯器、连接导线及遥测终端周围，结果发现灯器瞬间熄灭、乱闪、定光、电池电压陡降和遥测终端关机停止工作等现象。但重新启动后都能正常工作，此实验结果验证了雷击航标灯后出现的死机现象。3、对灯器控制电路的单片机采用稳压电路的电路板，在遥测终端不改变的条件下，将遥测终端两根大于2M导线中的一根采用屏蔽电缆并接地（另一根没有屏蔽），再其上加25万伏高压电场大于30秒，这时灯器熄灭，遥测终端停机，出现轻度损坏。然后，再将电缆分别换成一根小于2米和1米的屏蔽电缆并接地，电缆一端接遥测终端，另一端与灯器接口相插，再分别加上25万伏和50万伏的电场，发现灯器与遥测终端偶尔发现停机现象。此结果验证了接线长短与是否有效屏蔽对灯器及相关设备抗雷电干扰影响很大。三、对应方法及成果鉴定1、航标灯与遥测终端的连接由原来大于2m非屏蔽电缆线改为小于0.7m的屏蔽电缆线，从而尽量减少电缆线引入电流的干扰。2、航标灯、遥测终端安装在同一块金属板上，金属板与大地相连，避免发生各设备因不供地而发生跨步电压。3、航标灯、遥测终端、屏蔽电缆线的金属屏蔽网均通过灯柱与大地相连，以保证可靠接地。4、改进稳压电路、增加雷击浪涌防护电路、为单片机增加外部“看门狗”电路，改进复位电路。（1）、稳压电路的改进由于一般航标灯器均为采用电池直接供电，且为单独工作，故最初的电路中没有稳压电路的设计，也很少发现问题。后更换的电路是采用原12V的灯器上的电路，该电路采用7805稳压，但在6V的灯器上使用时，只起到限压的作用，不能起到较好的稳压作用，在雷电干扰中出现损坏。改进后的电路采用LDO稳压块SPX2954，将单片机电压稳定在3.3V，使灯器在3.5V12V之间稳定工作，由于灯器额定工作电压为6V，因此，灯器的工作电压加宽，稳定性将变的更好。稳压电路改进后，灯器上发光二极管的电流变化范围变小（接近于恒流），有利于延长灯泡的使用寿命；（2）新增雷击浪涌防护电路和接地电路, 采用三级防护结构设计,同时将灯器的接地与灯柱相连接，可将12V以上的雷击浪涌干扰信号予以吸收，具有最大吸收1KA浪涌脉冲的能力。（3）、新增“看门狗”电路 改进复位电路，有效解决传统的阻容复位电路易受干扰，导致单片机复位不可靠，以及单片机在运行过程中，受到强干扰后，易“跑飞”，或进入死循环，甚至死机停止工作等问题。5、成果鉴定及应用免维护智能化航标灯与外接式遥测装置对接方法通过改进后，具备了较好的抗雷电干扰功能，通过地方政府技术监督部门组织检验和科技局组织相关专家进行成果鉴定，符合国家相关技术标准，在抗雷电干扰性能方面达到50万伏电场直接施加至航标灯器接口、联接线等外部任何部位都不会造成其损坏和停机的技术要求。该成果被专家确定为（航标灯器防雷电干扰技术）国内首创，技术领先，免维护智能化航标的研制项目通过不断完善，也先后获得了国家实用新型专利证书、湖北省重大科技成果证书和湖北省人民政府科技进行三等奖，并在全国推广应用。由于目前国内没有发现直接雷雷击航标的案例，也无法做相关的模拟实验，因此航标灯抗雷击成果，在技术应用过程中只限于抗雷电干扰和设备自身保护。如果航标设置地点处在位