СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Методы и средства повышения достоверности ультрафиолетовой диагностики изоляции контактной сети

Автор: Плотников Ю.И., докт. техн. наук Федоришин Ю.М., Железнов Ф.Д.

Обеспечение надежности контактной сети (КС)электрифицированных железных дорог наряду со значительной выработкой ресурса ее основных элементов в значительной степени зависит от выбора и реализации стратегии технического обслуживания и ремонта (ТО и Р). Существенную роль здесь имеют мобильные системы технического диагностирования КС, в т.ч. оценки технического состояния изоляции по ультрафиолетовому (УФ) излучению [1]. Опыт эксплуатации показывает, что использование систем УФ диагностики на базе двухспектральных камер типа DayCorII позволяет уменьшить число перекрытий изоляции в несколько раз [2]. При этом существенно сокращаются трудовые, временные и финансовые ресурсы, связанные с обслуживанием и ремонтом изоляции электрифицированных линий.

Однако, как показывает опыт эксплуатации мобильных УФ систем диагностики на базе вагонов лабораторий для испытаний КС (ВИКС), основной показатель их эффективности – достоверность оценки технического состояния изоляции, еще не достаточно высок. Это связано с целым рядом причин методического, аппаратного и организационно-технического характера.

Достоверность и чувствительность метода УФ диагностики.

Под достоверностью принято понимать вероятность соответствия результатов диагностики истинному (фактическому) техническому состоянию объекта [3]. При этом здесь характерны две ошибки. Ошибка первого рода -α , когда исправный изолятор принимается за неисправный (ложный дефект), и второго рода - β , когда неисправный изолятор принимается за исправный (пропуск дефекта). С точки зрения надежности КС, наиболее опасен второй вариант, который в самом крайнем случае может привести к перекрытию изоляции со всеми вытекающими отсюда тяжелыми последствиями.

Однако даже менее развитый дефект, сопровождающийся поверхностными частичными разрядами (ПЧР)или короной, приводит к электрохимической коррозии и постепенному разрушению элементов изоляции в связи с выделением из воздуха азота, его реакцией с влагой и получением азотной кислоты. Кроме того, наличие разрядов и короны приводит к потерям энергии, радиопомехам и ухудшению качества радиосвязи. В практике эксплуатации изоляции КС принято считать, что отсутствие ПЧР или короны является одним из признаков нормального состояния изоляции, а их наличие, напротив, говорит о наличии дефектов или загрязнении изоляции. Недостатки существующих в настоящее время мобильных УФ систем на базе камер DayCorII и ВИКС, связанные с ошибками β (пропусками дефектной изоляции), иллюстрирует график, представленный на рис.1. По данным Горьковской железной дороги, в 2007 г. с ВИКС обнаружено лишь 12 из 227 дефектов или всего 5,3%, а в 2008 г. 41 из 170 или 24,1% соответственно. Остальные дефектные изоляторы были обнаружены путем пеших обходов КС и использованием УФ камер в автономном варианте. Этому есть причины объективного и субъективного характера. К первой группе причин можно отнести следующие: наблюдение изоляции с ВИКС производится только в одном ракурсе («тыльная» сторона изоляторов не наблюдается); отсутствие возможности использования режима накопления и усиления сигнала (работа камеры с пониженной частотой 050; 1,0; 5/4 сек), в связи с движением ВИКС со скоростью 60-80 км/час и более. К субъективным факторам, снижающим достоверность УФ диагностики изоляции с ВИКС, можно отнести: недостаточную чувствительность камеры DayCorII; малые углы поля зрения, не позволяющие одновременно наблюдать как подвесную, так и консольную, фиксаторную изоляцию и линии ДПР; отсутствие возможности оперативной и адаптивной подстройки камеры в зависимости от внешних условий наблюдения; отсутствие непосредственного цифрового интерфейса; использование устаревшего программного обеспечения и др. Проведенные в 2006г. натурные испытания УФ системы показали [1],

Рис. 1. Количество выявленных УФ системой дефектных изоляторов в 2007 и 2008 гг. на Горьковской железной дороге

что из 53 дефектов изоляции КС, выявленных УФ системой на базе DayCorII, контактными способами измерения было подтверждено 52 дефекта или 98%. Однако на практике это означает лишь то, что экспериментально была проведена оценка только ошибки первого рода α – вероятности ложного отказа. Она составила около 2%. Для выявления ошибки второго рода β – пропуска отказов на практике требовалось бы проверить контактными способами более 1000 изоляторов, попавших в поле зрения УФ системы диагностики на многокилометровом обследуемом участке КС. В связи с сопутствующими большими трудовыми, временными и финансовыми затратами этого в процессе эксперимента сделано не было.

Основной характеристикой, определяющей качество УФ системы диагностики, является ее чувствительность. Она характеризуется минимальной плотностью энергии УФ излучения E_min ПЧР или короны, которую улавливает детектор камеры. Для DayCorII E_min = 3• 10⁻¹⁸ Вт/см² при наблюдении изоляции с дистанции 8 м. Оценка технического состояния изоляции и принятие решения о ТО и Р производится исходя из наличия или отсутствия ПЧР или короны. Чем выше плотность энергии излучения и чем на большую величину она превышает минимальный порог E_min , тем выше вероятность принятия правильного решения по ТО и Р изоляции и тем выше достоверность УФ диагностики. Покажем влияние чувствительности УФ системы E_min на достоверность УФ диагностики-Д.

Определим достоверность контроля Д как вероятность принятия правильного решения о техническом состоянии изоляции по результатам контроля. Достоверность контроля лежит в пределах 0 ≤ Д≤1 и определяется суммой ошибок первого и второго рода

Д ≅1−(α +β ) . (1)

С другой стороны, достоверность зависит от вероятности нахождения диагностического параметра Е в поле допустимых значений

Д ≅ P(Е>E_min ), (2)

где P(Е>E_min ) – вероятность нахождения диагностического параметра E в поле допуска; E, E_min – текущее значение плотности потока УФ излучения и чувствительность детектора камеры соответственно. Причем E_min , чувствительность детектора, должна быть меньше порогового значения, при котором возникают ПЧР или корона. Так, для фарфоровой изоляции пороговое значение Emin определяется минимальной напряженностью электрического поля, составляющей 25-30 кВ/см. Диагностический параметр E является случайной величиной вследствие случайного характера внешних воздействий и внутренних факторов. Следуя центральной предельной теореме теории вероятности, примем нормальный закон распределения параметров и соответствующих внешних воздействий. Вероятность нахождения нормально распределенной случайной величины E в поле допуска определяется выражением [3]

P (E>E_min ) = exp(-z²)dz (3)

или

P (E>E_min ) =0, 5[1 -Ф (Z_Н)] , (4)

где Ф – функция Лапласа. Приведенное значение диагностического параметра Z_Н для нижней границы поля допуска определяется с помощью выражения:

Z_Н = (E_min – E_cр)/( √2⋅ σ_E ), (5)

где E_ср, σ_E - текущее среднее значение и оценка среднеквадратического отклонения (флуктуация) энергии излучения E, соответственно. Значение функции Лапласа табулировано и увеличивается от 0 до 1 при изменении Z от 0 до + ∞ . Однако уже при Z=0,50, Ф (Z) ≅ 0,52; при Z=1, Ф (Z) ≅ 0,84; при Z=2, Ф (Z) ≅ 0,995, а при Z=3, Ф (Z) ≅ 1,000.

Анализ функции Лапласа и выражения (5) показывает, что вероятность нахождения случайной величины E в поле допуска тем выше, чем шире граница интервала (Ecр - Emin) и меньше дисперсия 2 E σ . На практике мощность энергии излучения E, характеризуется косвенной величиной – площадью пятна Sуф от УФ излучения на экране дисплея УФ камеры. Практика УФ диагностики изоляции КС показывает, что средне квадратические отклонения Sуф примерно постоянны и составляют 0-35%. При фиксированном значении E σ вероятность попадания в односторонний интервал (Ecр - E_min) случайной величины E тем выше, чем меньше E_min (выше чувствительность УФ камеры) и чем мощнее текущая средняя энергия излучения E_cр. Иными словами, достоверность УФ диагностики Д тем больше, чем больше разность (E_cр - E_min).

Проведенные исследования, стендовые, натурные эксперименты и многолетний опыт эксплуатации системы УФ диагностики изоляции КС показал [1, 2], что средняя мощность излучения ПЧР и короны E_ср зависит от большого числа факторов. При прочих равных условиях она значительно увеличивается с ростом напряжения и частоты в КС, температуры, влажности воздуха, при небольших атмосферных осадках, загрязнении изоляции. Мощность энергии излучения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от УФ камеры до изолятора и при увеличении атмосферного давления воздуха. Перечисленные выше факторы, в основном, не поддаются практическому управлению.

При УФ диагностике КС приходится, главным образом, подстраиваться под внешние условия и проводить обследования преимущественно во влажную и жаркую погоду при небольших атмосферных осадках. Что касается дистанции, с которой ведется наблюдение изоляции, то ее минимальная величина ограничивается необходимостью более полного одновременного наблюдения всех видов изоляции (подвесной, фиксаторной, консольной, ДПР) при одном проходе ВИКС. При этом, как показали расчеты [2], эффективная дистанция составляет 8-10 м при использовании оптики с оптимальными углами поля зрения 7,5-10 град.

Рис. 2. Фрагмент спектрограммы солнечного излучения и спектр излучения короны

Важнейшей характеристикой, определяющей величину интервала (Ecр - Emin), а, следовательно, и достоверность УФ диагностики Д, является чувствительность детектора камеры Emin. Рассмотрим эту характеристику более подробно. УФ диапазон спектра электромагнитного излучения лежит левее видимого диапазона и составляет примерно от 400 до 200 нм. На рис. 2 представлены фрагмент спектрограммы солнечного излучения и спектр излучения короны [4]. Последний показан с увеличением масштаба в 1000 раз и выделен синим цветом. Спектр излучения короны соответствует электромагнитному излучению атмосферного азота при его ионизации. Механизм данного процесса показан в [1] и, в частности, может возникать вследствие наличия дефекта или загрязнения изоляции. Как следует из рис. 2, спектр короны имеет два ярко выраженных максимума, приходящихся на 340 и 360 нм. Вместе с тем, в этих диапазонах мощность излучения солнца также велика.

Для того, чтобы иметь возможность диагностировать изолятор при дневном свете, в современных УФ электроннооптических дефектоскопах используется диапазон 240-280 нм, соответствующий т. наз. диапазону UVc. В этом диапазоне солнечная радиация практически полностью поглощается молекулами атмосферного озона и наблюдение изоляции возможно практически без помех. Для выделения указанного спектрального диапазона на практике в УФ канал камеры перед детектором устанавливается специальный оптический фильтр (рис. 3).

Рис. 3. Упрощенная блок-схема двухспектральной УФ камеры: верхний канал – видео; нижний – УФ красным обозначен оптический фильтр

В свою очередь, УФ детектор рассчитывается и изготавливается таким образом, чтобы обеспечить наибольшую спектральную чувствительность именно в диапазоне 240-280 нм. При этом максимальная чувствительность соответствует 260 нм. На рис. 4 представлен примерный график спектральной плотности распределения энергии, воспринимаемой УФ детектором двухспектральной УФ камеры [4]. Величина энергии показана в относительном виде от 0 до 1.

Совместный анализ графиков на рис. 2 и 4 показывает следующее. В рабочем диапазоне камеры 240-280 нм влияние солнечной радиации минимально, однако и мощность УФ излучения короны достаточно мала. Особенно по сравнению с диапазоном от 320 до 360 нм, где мощность излучения короны в несколько раз выше, чем при 240-280 нм. Вместе с тем, график на рис. 4 показывает, что детектор камеры при длине волны от 280 до 320 нм (т. наз. расширенный УФ диапазон спектра UVb) имеет хотя и низкую, но все же вполне определенную чувствительность. Оценки показывают, что с учетом многократного увеличения мощности короны в этом диапазоне полезный сигнал с УФ детектора камеры может быть увеличен примерно в 2-3 раза по сравнению с сигналом при наблюдении изоляции в принятом «рабочем» диапазоне 240-280 нм [4]. При этом для исключения влияния солнечной радиации УФ диагностику следует проводить в условиях вечерних и утренних сумерек, а также ночью с использованием прожектора подсветки, работающего в видимом диапазоне при длине волны более 400 нм. Для практической реализации предлагаемого метода повышения чувствительности УФ канала необходимо в камере конструктивно предусмотреть автоматическое отключение (вывод из УФ канала) солнечного фильтра (см. рис. 3).

Рис. 4. Спектральная плотность распределения энергии E, воспринимаемая детектором УФ камеры в зависимости от длины волны L, мкм

Поскольку диагностика КС с ВИКС, включая тепловизионные обследования арматуры КС, оценку положения контактного провода, величины зигзага и т.п., производится как днем, так и ночью, то расширение суточных временных рамок применения метода УФ диагностики изоляции КС вполне логично и целесообразно.

Проиллюстрируем взаимосвязь чувствительности E_min и достоверности УФ диагностики Д на числовом примере. Примем исходные условия для расчета Д, применительно к дефекту изоляции на самой ранней стадии его развития. Зададим чувствительность УФ детектора E_min =3• 10⁻¹⁸ Вт/см² , что соответствует параметрам камеры DayCorII фирмы Ofil (Израиль) при наблюдении изоляции с расстояния 8 м [1]. Среднюю энергию излучения Ecр примем на 10% выше Emin, что соответствует работе камеры на пределе ее чувствительности. Среднеквадратическое отклонение энергии примем по статистическим данным и опыту эксплуатации σ_E=35%. Используя выражения (4) и (5), получим

Д=0,5{1-Ф[(3-3,3)/(3,3 ⋅0,35⋅ √2 )]}=

=0,5{1-Ф[-0,184]}=0,605.

На практике это означает, что из 100 дефектных изоляторов, попадающих в поле зрения УФ системы диагностики, наиболее вероятно будет выявлено лишь 60.

Естественно, для практики эксплуатации изоляции КС этого явно недостаточно.

Предположим, что при всех прочих равных условиях, чувствительность камеры E_min =1,5• 10⁻¹⁸ Вт/см², т.е. увеличилась в 2 раза. Будем иметь

Д=0,5{1-Ф[-1,105]}=0,945.

Таким образом, при заданных начальных условиях, увеличение чувствительности детектора в 2 раза с E_min = 3• 10⁻¹⁸ до E_min =1,5• 10⁻¹⁸ Вт/см² повышает достоверность УФ диагностики изоляции с 60,5 до 94,5%. Иными словами, из 100 дефектов будет выявлено 94, т.е. подавляющее большинство. Из выражения (1) следует, что с ростом достоверности Д уменьшаются суммарные ошибки диагностики, в т.ч. наиболее опасные для эксплуатации изоляции КС ошибки второго рода β – пропуски отказов, связанные, в конечном итоге, с перекрытием изоляции.

Используя формулы (4) и (5), можно получить выражение в общем виде для оценки необходимой чувствительности детектора E_min , обеспечивающей заданную достоверность Д при фиксированных значениях E_cр и σ_E

1-E_min / E_ср >Ф (Z_Д^н ) √2 σ_E , (6)

 где Ф (Z_Д^н ) – функция Лапласа, соответствующая заданной достоверности Д и определяемая выражением (4).

Предложенный подход к оценке достоверности и увеличению чувствительности УФ метода способствует повышению эффективности мобильной диагностики изоляции КС и выравниванию количественного дисбаланса выявляемых дефектов с ВИКС и путем пеших обходов.

Многоспектральные электронно-оптические дефектоскопы последнего поколения

В статье [2] были рассмотрены основные направления модернизации находящейся в эксплуатации ОАО «РЖД» УФ системы диагностики изоляции КС. За последние 1,5-2 года на мировом рынке приборов неразрушающего контроля появились новейшие мобильные двух- и трехспектральные дефектоскопы фирмы CSIRUVIRCO (ЮАР) типа CoraCAM и MultiCAM. Их основное отличие от УФ камер более раннего поколения типа DayCorII фирмы Ofil (Израиль) заключается в повышенной чувствительности, увеличенных углах поля зрения, наличии развитых цифровых портов, автономности цифровой записи информации с оптических и аудиоканалов.

Малые масса и габариты, низкое энергопотребление и эргономичность дают возможность использования дефектоскопов фирмы CSIR-UVIRCO для диагностирования изоляции КС как с ВИКС, так и путем пеших обходов.

На рис. 5 показан внешний вид двухспектральной ультрафиолетовой камеры CorоCAM504. В табл. 1 представлены ее основные характеристики. Для сравнения здесь же показаны основные характеристики УФ камеры DayCorII. По своему внешнему виду ультрафиолетеовая камера CorоCAM504 напоминает малогабаритную видеокамеру. Сравнительный анализ характеристик показывает, что реализация в ультрафиолетовой камере CorоCAM504 вышеизложенного метода повышения чувствительности увеличивает ее в 3 раза по сравнению с DayCorII: с 3•10^–18 до 1•10^–18 Вт/см² в условиях ночного режима. При этом есть все основания полагать, что достоверность диагностики может быть увеличена в 1,5-2 раза, особенно при выявлении зарождающихся дефектов изоляции и работе камеры на пределе своей чувствительности. Ультрафиолетовая камера CorоCAM504 имеет углы поля зрения 8.6 град., увеличенные на 60% по сравнению с DayCorII. Это существенно повышает производительность УФ системы за счет увеличения количества одновременно наблюдаемых изоляторов с эффективной дистанции 8 м при одном объезде ВИКС. Ультрафиолетовая камера CorоCAM504 имеет цифровые интерфейсы USB2.0, RS232, RS485 в отличие от DayCorII, которая имеет только аналоговый интерфейс. Это дает возможность увеличить скорость обработки данных, исключить из состава системы аналого-цифровой преобразователь (АЦП), дистанционно управлять камерой с компьютера для оперативной и адаптивной ее подстройки с учетом внешних условий.

Рис. 5. Внешний вид двухспектральной УФ камеры CorоCAM504

а – вид спереди; б – вид сзади

Таблица 1. Сравнительные характеристики двухспектральных УФ камер CoraCAM504 и DayCorII для мобильной диагностики изоляции КС на базе ВИКС

Наряду с установкой на ВИКС CoroCAM504 может использоваться и в автономном варианте для обследования изоляции путем обходов КС. Камера имеет встроенный цифровой регистратор УФ, видео- и аудиоинформации, оптическое масштабирование УФ канала. У DayCorII эти функции отсутствуют. CoraCAM504 более чем в 3 раза легче, чем DayCorII. Встроенный в CoraCAM504 малогабаритный Li-ion аккумулятор не требует отдельной сумки с жилетом для переноски громоздкого и тяжелого Ni-Cad аккумулятора, как у DayCorII. Одной из важнейших характеристик УФ камер является их надежность и безотказность. Шестилетний опыт эксплуатации DayCorII в ОАО «РЖД» показал, что из 16 закупленных камер 3 из них (на Горьковской, Красноярской и Иркутской железных дорогах) имели отказы, требующие серьезного заводского ремонта. Оценка вероятности безотказной работы при этом составляет около 80%, что явно недостаточно для обеспечения надежности эксплуатации КС. CoraCAM504 из 46 серийных единиц имела лишь один несущественный дефект, который был устранен на месте. При этом оценка ее вероятности безотказной работы значительно выше и составляет 97%. В значительной степени это объясняется новейшей элементной базой и современными технологиями изготовления CoraCAM504 ее разработчиком и производителем.

Рис. 6. Внешний вид малогабаритной двухспектральной УФ камеры CoraCAM6D

а – вид спереди; б – вид сзади

Несмотря на возможность использования CoraCAM504 как на ВИКС, так и в режиме пеших обходов изоляции КС, фирма CSIR-UVIRCO предлагает для автономного использования малогабаритную модель CoraCAM6D. Внешний вид камеры представлен на рис. 6. CoraCAM6D более удобна и эргономична для ручного использования, имеет откидной цветной ЖК дисплей. В табл.2 представлены основные характеристики камеры. Здесь же, для сравнения, представлены характеристики камеры UVolley фирмы Ofil.

Сравнительный анализ данных табл. 2 показывает, что чувствительность CoraCAM6D в 10 раз (на порядок) выше, чем UVolley: 3•10 −18 и 3•10 ⁻¹⁷ Вт/см² соответственно. Это объясняется тем, что CoraCAM6D имеет идентичный по своим характеристикам и конструкции CoraCAM504 УФ канал и детектор с несколько упрощенными опционными функциями. Камера UVolley имеет совершенно иную конструкцию и характеристики оптического тракта и УФ детектора в отличие от DayCorII, так как массогабаритные характеристики последней не позволили скомпоновать ранее отработанную конструкцию в новый малогабаритный корпус.

Десятикратное снижение чувствительности UVolley привело к тому, что эта камера пригодна практически только для выявления развитых дефектов изоляции высоковольтных линий от 110 кВ и выше и практически «не видит» дефектов изоляции на КС 27,5 кВ.

Важнейшим преимуществом способа УФ диагностики изоляции путем пеших обходов КС по сравнению с ее объездами на ВИКС является возможность использования режима накопления (усиления и осреднения) сигнала за счет его суммирования по кадрам УФ съемки. В отличие от режима работы камеры в реальном масштабе времени с частотой 24 кадра в 1 с, в режиме накопления камера может работать с частотой 0,5; 1,0 или 5/4 кадра в 1 с. При этом УФ пятно от ПЧР или коро- ны на дефектном изоляторе, отображенном на экране дисплея, многократно увеличивается. Поскольку при работе с УФ камерой в автономном варианте дефект изоляции выявляется только визуально оператором, то величина площади УФ пятна является важнейшим диагностическим признаком и определяет разрешение УФ камеры. На рис. 7 представлены двухспектральные (наложение УФ и видео) изображения гирлянды из 3 изоляторов ПФ70. И в первом и втором случае коэффициент усиления камеры максимален (G140).

Рис.7. Практическая иллюстрация эффекта режима накопления

а – режим накопления выключен (LI0S) дефект не наблюдается;

б – режим накопления включен (LI1S), на среднем изоляторе проявляется УФ корона от дефекта цементной заделки стержня изолятора

На рис. 7, а режим накопления выключен (LI0S). Дефект изоляции не наблюдается. На рис. 7, б при том же коэффициенте усиления камеры (G140) режим накопления включен и составляет 1 с (LI1S), сигнал суммируется с 24 кадров. На среднем изоляторе гирлянды отчетливо проявляется УФ корона в районе дефекта цементной заделки стержня изолятора.

Сравнительный анализ характеристик, представленных в табл. 2, показывает, что камера UVolley в отличие от CoraCAM6D функцией режима накопления не обладает. Наряду с низкой чувствительностью UVolley, более низким разрешением дисплея - 320•240 pc и его размером 3,5”, по сравнению с 640•480 pc и 5,7” цветным дисплеем у CoraCAM6D, преимущество камеры CSIR-UVIRCO становится очевидным. Широкий спектр цифрового интерфейса, наличие встроенного цифрового регистратора информации, оптического увеличения изображений и длительности автономной работы делает камеру CoraCAM6D особенно привлекательной в первую очередь для ЭЧ железных дорог и масштабного УФ диагностирования изоляции КС на 27,5 кВ, не наблюдаемой с ВИКС, трансформаторных и тяговых подстанций, воздушных линий электропередачи на 110 и 220 кВ.

Таблица 2. Сравнительные характеристики двухспектральных УФ камер CoraCAM6D и UVolley для пеших обходов изоляции КС

Помимо УФ метода диагностирование изоляции КС возможно методом тепловизионных обследований [3].

Изменение сопротивления изоляции, наличие токов утечки вследствие структурных дефектов и загрязнения изоляции приводят к нагреву и перепаду температур шапок отдельных изоляторов в гирлянде. Особенно это характерно для КС постоянного тока, где токи утечки в несколько раз больше, чем для КС переменного тока.

Однако в большинстве случаев разности температур достаточно малы и соизмеримы с пределом чувствительности даже самых современных инфракрасных (ИК) камер. Одновременная реализация УФ и ИК методов диагностики изоляции КС имеет существенные преимущества, особенно при выявлении дефектов на ранней стадии развития. Появление ПЧР или короны, а также перепадов температур носит случайный характер. Использование диагностических сигналов в УФ и ИК диапазонах спектра, их корреляционного анализа и формирование комплексного критерия технического состояния – все это способствует повышению чувствительности и достоверности диагностирования изоляции КС. Особенно это актуально для изоляции КС 3,3 кВ постоянного тока, где напряженность электрического поля значительно ниже, чем для КС переменного тока 27,5 кВ и условия возникновения УФ излучения от дефекта изоляции значительно хуже. Нагрев же изоляторов КС постоянного тока при прочих равных условиях существенно выше, чем для КС переменного тока.

Аппаратная реализация одновременно УФ и ИК методов диагностики изоляции КС с визуальной оценкой ее состояния становится возможной с появлением на рынке трехспектральной камеры MultiCAM фирмы CSIR-UVIRCO, ЮАР.

В отличие от двухспектральных УФ камер MultiCAM имеет 2 объектива. Верхний – германиевый, для наблюдения в ИК диапазоне, нижний – кварцевый, для оптического тракта УФ и видимого диапазонов. По своим массогабаритным показателям MultiCAM практически такая же, как двухспектральная УФ камера CoraCAM504. Основные характеристики MultiCAM представлены в табл. 3. УФ и видеоканалы по своим характеристикам практически идентичны соответствующим характеристикам CoraCAM504. ИК канал MultiCAM работает в диапазоне от 8 до 12 мкм, чувствительность микробалометрической матрицы ИК детектора составляет 0,05^оC. Все три канала оптически совмещены с высокой точностью и имеют углы поля зрения 8•6 градусов. Оцифрованные изображения в УФ, ИК и видеодиапазонах могут накладываться друг на друга в различных комбинациях. Высокая чувствительность, развитой цифровой интерфейс, встроенный цифровой регистратор УФ, ИК, видео- и аудиоинформации, малые масса и габариты, низкое энергопотребление – все это дает возможность для использования MultiCAM как для обследования изоляции КС с ВИКС, так и в варианте пеших обходов. На рис. 8 в качестве примера представлены результаты трехспектральных обследований изоляции КС постоянного тока 3,5 кВ, проведенные в ноябре 2010 г. в районе железнодорожной станции Tswana, Претория, ЮАР. Дефект подвесного фарфорового изолятора на термограмме (рис. 8, б) проявляется характерным избыточным нагревом (показан желтым цветом). В УФ диапазоне наблюдается ярко выраженная корона, показанная красным цветом.

Съемка КС в видимом и (УФ+ИК) диапазонах производилась в различных ракурсах. После наружного осмотра изолятора обнаружено его сильное загрязнение с характерными следами электрохимической коррозии в районе заделки стержня изолятора вследствие УФ короны и образования азотной кислоты.

Рис. 8. Фрагменты результатов диагностирования изоляции КС постоянного тока 3,5 кВ с помощью MultiCAM (район железнодорожной станции Tswana, Претория, ЮАР)

а – видеоизображение;

б - наложение двух изображений дефектного изолятора в УФ и ИК диапазонах спектра (УФ корона показана красным цветом, ИК нагрев - желтым).

Практическая иллюстрация возможности применения трехспектральной камеры MultiCAM позволяет рассчитывать на ее успешное применение для диагностирования, и в первую очередь, изоляции КС 3,3 кВ постоянного тока, а также для комплексных многоспектральных обследований изоляции КС 27,5 кВ переменного тока как с ВИКС, так и путем пеших обходов.

Таблица 3. Основные характеристики трехспектральной камеры MultiCAM

Выводы и рекомендации

1. Опыт эксплуатации системы УФ диагности-ки изоляции КС показывает, что основное коли-чество дефектов изоляции обнаруживается путем пеших обходов КС. На долю ВИКС приходится в среднем менее 25% от всего числа обнаружива-емых дефектных изоляторов. Одной из основных причин недостаточной достоверности мобильной диагностики является низкая чувствительность УФ системы при отсутствии возможности использо-вания режима накопления диагностического сиг-нала при движении ВИКС.

2. Одним из путей повышения достоверности УФ системы диагностики на базе ВИКС и снижения количества пропущенных дефектов является рас-ширение спектрального диапазона наблюдения с 240-280 до 240-320 нм. Многократное повышение чувствительности системы в этом случае достига-ется за счет увеличения полезного сигнала на УФ детекторе камеры в связи с объективным ростом мощности потока УФ излучения от ПЧР и короны в расширенном УФ диапазоне спектра UVb. Техни-ческая реализация данного подхода заключается в автоматическом выключении солнечного фильтра из оптического тракта УФ камеры. Диагностические обследования при этом следует проводить в утрен-ние и вечерние сумерки, а также ночью с исполь-зованием прожектора подсветки, работающего в видимом диапазоне при длине волны более 400 нм.

3. Повышение достоверности диагностирова-ния достигается и за счет использования благо-приятных внешних факторов, значительно уве-личивающих мощность потока излучения ПЧР и короны на дефектных изоляторах. В этом случае эффективность диагностирования существенно повышается при проведении УФ обследований в жаркую влажную погоду, в условиях тумана, не-больших дождевых и снежных осадков.

4. Аппаратная реализация расширенного спектрального диапазона реализована в УФ ка-мере CoraCAM504 фирмы CSIR-UVIRCO (ЮАР). По своей чувствительности, которая при ночном режиме составляет min E_min =1,0*10 ^-18 Вт/см ², она в 3 раза превышает чувствительность камеры Day-CorII. Данная характеристика значительно повы-шает достоверность УФ диагностики изоляции КС, особенно с мобильного носителя – ВИКС. Cora-CAM504 имеет встроенный объектив с увеличен-ными углами поля зрения до 8*6⁰. Это позволяет повысить производительность УФ обследований за счет наблюдения одновременно всех изоля-торов на каждой опоре КС с эффективной дис-танции 8-10 м. Камера имеет развитый цифровой интерфейс, включая RS485 для ее дистанционно-го управления с компьютера, встроенный цифро-вой регистратор УФ, видео- и аудиоинформации.CoraCAM504 высоконадежна, энергоэкономична и эргономична.  По  своим  характеристикам  камера полностью отвечает всем требованиям по модер-низации УФ системы [2].

5.  Обследования  изоляции  КС,  трансформа-торных,  тяговых  подстанций  и  воздушных  линий электропередачи,  не  попадающих  в  поле  зрения при  обследованиях  с  ВИКС,   выполняются  в  ре-жиме  пеших  обходов.  Для  этого  наиболее  целе-сообразно  использовать  малогабаритную  камеру CoraCAM6D,  которая  имеет  основные  характери-стики CoraCAM504  и  несколько  упрощенный  ин-терфейс. В отличие от камеры UVolleyфирмы OfilCoraCAM6D имеет  большую  чувствительность, оптический zoom, опции режима накопления сиг-нала,   аудиозаписи,  в  4  раза  большую  автоном-ность  по  энергопитанию.  Все  это  делает Cora-CAM6Dнаиболее предпочтительной для широкого использования  в  масштабах  ЭЧ  железных  дорог. Кроме  того,  камера  имеет  сравнительно  низкую стоимость, существенно зависящую от масштаба серийной закупки.

6. Трехспектральная камера MultiCAMимеет в своем  составе  УФ,  ИК  и  видеоцифровые  каналы. По  своим  характеристикам  MultiCAM на  сегод-няшний день является потенциально единственно возможным  средством  мобильной  диагностики изоляции КС постоянного тока 3,3 кВ. Иллюстра-ция  ее  практических  возможностей  показана  на примере  обследований  подвесной  фарфоровой изоляции КС постоянного тока 3,5 кВ в районе же-лезнодорожной  станции Pretoria(Tswane),  ЮАР. Рост количества в ОАО «РЖД» высокоскоростных магистралей с КС постоянного тока дает основа-ние считать использование MultiCAMдля диагно-стирования изоляции особенно актуальным.

7. В отличие от камер DayCorIIи UVolleyкамеры типа CoraCAMи MultiCAMимеют широкий набор цифровых  интерфейсов,  что  позволяет  вывести УФ  систему  диагностики  на  новый  программно-алгоритмический  уровень.  Появляется  возмож-ность  исключить  из  состава  системы  АЦП,  повы-сить  быстродействие  и  достоверность  программ автоматической  обработки  УФ  измерительной информации.  Сокращается  участие  оператора  в «ручном» трудоемком и длительном процессе об-работки  больших  объемов  диагностической  ин-формации.

8. Практическая аппаратно-программная и ор-ганизационно-техническая  реализация  представ-ленных методов и средств УФ диагностики будет способствовать дальнейшему повышению надеж-ности и эффективности эксплуатации электроизо-ляции  оборудования  и  систем  в  хозяйстве  элек-троснабжения ОАО «РЖД».