Метод диагностирования по ультрафиолетовому излучению

Диагностирование изоляторов по ультрафиолетовому (УФ) излучению основано на выявлении поверхностных частичных (ПЧ) разрядов и короны, возникающих на изоляторах в месте появления дефекта. Для этого используется зависимость силы света ПЧ-разрядов в УФ-диапазоне спектра от приложенного напряжения. При напряжении, большем порогового значения, соответствующего возникновению разрядов, сила света пропорциональна пятой степени величины приложенного напряжения. Этим объясняется высокая чувствительность метода диагностирования по УФ-излучению (УФ-метода). Небольшие перераспределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов, связанные с наличием нулевых изоляторов, приводят к резкому увеличению силы света ПЧ-разряда или к возникновению таких разрядов. Для изоляторов контактной сети, работающих в атмосферных условиях, возникновение короны и ПЧ-разрядов исключить полностью невозможно.

Интенсивность разрядных процессов увеличивается по мере снижения изолирующей способности изолятора вследствие появления дефектов (сколы, повреждение глазури, трещины, нарушение цементной заделки пестика, наличие открытой микроскопической пористости и др.), загрязнения и увлажнения внешних поверхностей. Возникновение или увеличение интенсивности короны и ПЧ-разрядов можно использовать для косвенной оценки изолирующей способности и УФ-дефектоскопии изоляторов контактной сети.

Метод диагностирования, основанный на визуализации электромагнитного излучения при возникновении ПЧ-разрядов и короны в УФ-диапазоне спектра, хорошо известен и применяется для выявления в эксплуатации повреждений высоковольтного электрооборудования и ЛЭП. По производительности, наглядности диагностической информации УФ-метод имеет несомненные преимущества перед ультразвуковым радиолокационным и другими методами функциональной дистанционной диагностики изоляторов контактной сети.

До настоящего времени аппаратная реализация этого метода в основном базировалась на отечественном электронном оптическом УФ-дефектоско-пе типа «Филин 6», который имеет ряд существенных недостатков, определяющих его достаточно ограниченное применение. К ним относятся прежде всего низкая чувствительность, невозможность работы в дневное время, недостаточно наглядная информация. Дефектоскоп можно использовать применительно к оборудованию, работающему на напряжении 50 - 100 кВ и выше, что неприемлемо для диагностирования изоляторов КС. Кроме того, прибор «Филин 6» не позволяет проводить скоростные цифровые УФ-измерения на базе вагона для испытаний контактной сети (ВИКС).

Двухспектральная УФ-камера DayCorll. В 2002 г. на мировом рынке диагностического оборудования появилась двухспектральная (со встроенными УФ- и видеоканалами) камера DayCorll (OFIL Ltd., производство Израиль) последнего поколения (далее по тексту УФ-камера). Камера получает питание от аккумулятора напряжением 12 В, продолжительность работы которого составляет 3 ч.

Основные технические характеристики УФ-камеры DayCorll

Подавление солнечного света в УФ-канале Полное

Поле зрения H-V, град................................................ 5-3,75

Разнесение УФ и видимого изображения, мм,

при расстоянии от камеры до объекта 50 м.... 50

Фокусное расстояние, м.............. от 3 до бесконечности

Минимальная интенсивность УФ-излучения, Вт/см² 3-10~^|!

Минимальный разряд, пКл, фиксируемый камерой

на расстоянии 8 м.......................................................... 1,5-2

Рекомендуемое напряжение объекта, кВ более 15

Видеостандарты............................................ PAL или NTSC

Возможное увеличение видимого изображения;

оптическое................................................... двукратное

программное................................................... восьмикратное

Рабочая освещенность в сумерки, лк................. 1

Размер ПЗС матрицы видеокамеры, мм............... 752-582

Дисплей LCD:

разрешение, пиксель...................................... 320-234

яркость, Кд/м^{2........................................................................................} 320

Число градаций усиления УФ-канала (ручное регулирование).. 25

Объем памяти съемной карты для записи изображений, Гб 1

Потребляемая энергия, Вт......................................... 16

Масса, кг................................................................... 5,5

Габариты L-W-H, мм................................... 250-170150

Рабочая температура, °С................... от -20 до +55

Камера DayCorll комплектуется универсальным адаптером АС/12V DC, двумя аккумуляторными батареями NiMH мощностью 50 Вт, интенсивным зарядным устройством для четырех аккумуляторов; в комплект входят также жилет для переноски с сумкой для батарей и специальный чемодан для камеры.

Предусмотрены автоматическая и ручная фокусировка видимого и УФ-каналов, автоматическая и ручная экспозиция.

По техническим и эксплуатационным характеристикам УФ-камера является наиболее современной и чувствительной к УФ-излучениям короны при дневном свете. За рубежом ее успешно используют для диагностирования изоляторов ЛЭП с вертолета, при осмотрах трансформаторов, обмоток электромашин на напряжение от 6 кВ и выше; она находит применение и в других отраслях промышленности. УФ-камера позволяет производить диагностирование как при полном дневном, так и при ночном освещении, а также в условиях плохой погоды: туман, слабый дождь.

Следует отметить, что УФ-дефектоскоп «Филин 6» не обеспечивает получения четкого изображения объекта и разрядов в условиях дневного освещения и при атмосферных осадках даже при напряжении 100 кВ. Это объясняется тем, что его чувствительность в 700 - 1000 раз меньше, чем камеры DayCorll.

Камера DayCorll является биспектральной: она содержит УФ- и видеокамеры, каждая из которых работает в своем оптимальном диапазоне. Для УФ-камеры выбран оптимальный диапазон 0,24 - 0,28 мкм, поскольку ему соответствует максимальная интенсивность излучения ПЧ-разрядов и короны. Обеспечение высокой чувствительности датчика камеры в этом диапазоне достигается применением высокоэффективных оптических фильтров. Диапазон работы встроенной видеокамеры составляет 0,45- 0,75 мкм. Отличное качество изображения обеспечивается совмещением (наложением) УФ- и видимого изображений изолятора в цвете. Наличие видеовыхода PAL (NTSC) позволяет после оцифровки сигнала в АЦП компьютера получить диагностическую информацию в реальном масштабе времени в виде цифрового видеофильма. Наглядность, быстродействие (частота работы УФ-камеры — 24 Гц), отстройка (фильтрация) от световых шумов, широкий диапазон изменения экспозиции, пространственное разрешение и высокая чувствительность обеспечивают достоверность диагностической информации и надежное распознавание дефектных изоляторов.Разработка диагностической системы. Создаваемая на базе камеры DayCorll быстродействующая компьютеризированная система диагностирования изоляторов КС будет установлена в вагоне-лаборатории для испытаний контактной сети (ВИКС ЦЭ). При ее разработке был использован опыт создания компьютеризированной тепловизионной системы диагностирования арматуры КС на базе ВИКС ЦЭ. Предусматривается решение следующих исследовательских и организационно-технических задач:

Формирование аппаратной части высокоскоростного измерительно-информационного УФ-ком-плекса, состоящего из биспектральной камеры DayCorll, интерфейса для ее сопряжения с бортовым компьютером и измерительно-вычислительным комплексом (ИВК) вагона-лаборатории, кварцевого иллюминатора и кронштейна для установки камеры.Разработка алгоритмов компьютерной обработки (первичной и вторичной) совмещенных видео- и УФ-изображений изоляторов, оценки технического состояния изоляторов, прогнозирование сроков службы, определения вида и содержания осмотров и ремонтов, корректировки графиков осмотров и ремонтов контактной сети, оценки возможности продления ресурса изоляторов;

Формирование специальных и прикладных программ ввода и обработки измерительной информации по данным УФ-аппаратуры, создание системы мониторинга технического состояния изоляторов с учетом информационных потоков, получаемых от бортового измерительно-вычислительного комплекса ВИКСа;

Разработка организации и методики контроля и диагностических обследований изоляторов, создание регламента и сценария проведения УФ-съемки с учетом внешних условий (время суток, состояние атмосферы, скорость электроподвижного состава, номенклатура, характеристики, условия эксплуатации изоляторов и др.) и обработки измерительной информации; разработка методических рекомендаций по оценке технического состояния изоляторов, определению причин, вызвавших неисправности (загрязнение, увлажнение, повреждение,покрытия, трещины и др.), а также по мерам устранения дефектов, восстановления эксплуатационных свойств или замене изоляторов.

УФ-камера устанавливается на вышке ВИКС ЦЭ аналогично тепловизионной камере. Наблюдения производятся через специальный иллюминатор, выполненный из кварцевого стекла КУ-1, пропускающего УФ- и видимый спектральный диапазоны (0,20- 0,75 мкм) с коэффициентом пропускания 0,95 - 0,99. Предусматривается расположение в двух секторах, по ходу и против движения поезда (в зависимости от внешних световых шумов), с ориентацией в направлении опор контактной сети и под углом 15 - 25° к горизонту.

УФ-система обеспечивает возможность диагностирования следующих изоляторов контактной сети переменного тока напряжением 27,5 кВ: фарфоровых тарельчатых подвесных и фиксаторных; фарфоровых секционных стержневых и фиксаторных стержневых; стеклянных тарельчатых подвесных.

В ходе проведения научных и практических работ перечень изоляторов КС, для которых может быть применено УФ-диагностирование, будет уточнен.

Комплекс программного обеспечения. Программный комплекс системы диагностирования должен обеспечивать следующее:

- первичную обработку информации с частотой сканирования, задаваемой оператором в зависимости от скорости движения ВИКСа в составе поезда;

- статистическую обработку УФ изображения с оценкой достоверности измерительной информации;

- получение совмещенных УФ и видимых изображений изоляторов в реальном масштабе времени в виде полноцветного цифрового фильма с последующей записью на жесткий диск бортового компьютера;

- управление с компьютера по интерфейсу RS232 фокусом и экспозицией камеры;

- количественную оценку относительной яркости ПЧ-разрядов и короны с указанием места их нахождения на поверхности изолятора;

- определение места дефектных изоляторов в гирлянде, оценку степени развития дефекта и выдачу рекомендаций по принятию решений о дальнейшей эксплуатации дефектного изолятора;

- внесение дефектных изоляторов в память компьютера с привязкой к номеру опоры и участку КС, выделение необходимых фрагментов, их масштабирование и редактирование;

- распечатку цифровых цветных диагностических изображений изоляторов на принтере;

-обмен данными по интерфейсу бортового ИВК вагона-лаборатории; - цветное представление совмещенных УФ- и видеоизображений изоляторов на экранах дисплея компьютера и монитора, возможность просмотра цифровых фильмов, их редактирование, выделение и запись необходимых фрагментов с дефектными изоляторами;

- возможность записи УФ- и видеоизображений изоляторов на видеомагнитофон;

- архивация данных УФ-обследований изоляторов, составление электронной документации и получе­ние твердой копии с диагностической информацией в виде отчета;возможность записи фрагментов цифровых фильмов с изображениями дефектных изоляторов в УФ и видеодиапазонах с привязкой к номерам опор на компакт-диск и съемный жесткий диск компьютера и последующую передачу в записи в дорожную электротехническую лабораторию и в службу электроснабжения железной дороги;

- обеспечение работы на IBM совместимых компьютерах в среде Windows версии 2000 и выше;

- использование удобных графических диалоговых моделей, обеспечивающих пользователю максимальный сервис и простоту работы.

Примеры диагностирования изоляторов УФ-системой. Пробные обследования изоляторов контактной сети проводились специалистами фирмы OFIL (Израиль) с помощью камеры DayCorll путем обхода в дневное время. На рисункахчетко просматривается корона на гирлянде из четырех изоляторов в кронштейне консоли, зафиксирована большая корона на гирлянде изоляторов в тяге консоли; кроме того, на гирлянде изоляторов кронштейна консоли наблюдаются сильные ГГЧ-разряды, видны сильные ПЧ-разряды на первом и втором изоляторах (со стороны опоры) гирлянды в тяге консоли. Все упомянутые изоляторы после фактической проверки контактными методами были признаны дефектными и впоследствии заменены.Необходимо отметить, что на всех трех изображениях в УФ-диапазоне просматриваются белые точки, что объясняется наличием световых шумов и ионизацией воздуха под действием напряжения в контактной сети (рассматриваются как помехи). Необходимо отметить, что наряду с УФ-методом диагностирования изоляторов КС целесообразно использовать тепловизионный метод с помощью инфракрасной системы диагностирования КС, установленной ООО «НИИЭФА-Энерго» на большинстве ВИКС ЦЭ [2]. При этом осуществляется комплексное диагностирование изоляторов с использованием широкого диапазона оптического спектра электромагнитного излучения: от 0,21 до 8,3 мкм. Это обеспечивает высокую достоверность результатов диагностирования и устойчивость системы к внешним условиям (время суток, состояние атмосферы, перепад температур воздух и т. д.), большую наглядность и простоту восприятия диагностической информации.