СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

ПОЛУЧЕНИЕ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ УФ-ДЕФЕКТОСКОПИИ

Милованов С.В., Петроченко И.В. (ООО «ПАНАТЕСТ»)

Химическая техника №9, 2016

Для своевременного прогнозирования выхода из строя элементов электроэнергетического оборудования и контроля его состояния наиболее производительным и эффективным методом является дистанционный оптический контроль в УФ и ИК спектрах. 85% критических отказов оборудования высокого и среднего напряжения связаны с действием частичных разрядов, наблюдение и измерение интенсивности которых возможно именно в УФ диапазоне. Следует отметить, что все нормативные акты, ранее ссылавшиеся на методику [1], базировались на визуально интуитивной оценке процесса, не оценивая его количественно и качественно. Приборы отечественного производства «Филин», с помощью которых предполагалось проводить эту диагностику (в конце 1990-х годов), по принципу своего действия не предоставляют возможности выполнять такую оценку, так как не были укомплектованы ни фотометрическим счетчиком, отображающим количественную оценку УФ сигнала, ни портами коммуникации, обеспечивающими какую-либо документацию и сохранение информации о объекте и результатах инспекций. Кроме того, эти приборы были неработоспособны при солнечном свете. По этой причине развитие метода не нашло подтверждения в последующей редакции нормативных актов [2].

Для адекватной работы метода нужна высокочувствительная измерительная техника, работающая в дневных условиях, имеющая современную коммуникацию, дающую количественную оценку процессов (т.е. должна быть сертифицированной измерительной системой), и обеспечивающая комфортную работу оператору на протяжении полного рабочего дня. Сейчас есть ряд разработок, полностью отвечающих этим требованиям, в частности приборы Uvirco (ЮАР), камеры CoroCAM, преобразующие УФ сигналы в видимое изображение. Необходимость применения этого метода обусловлена тем, что электрофизические процессы, сопровождающие наличие коронных разрядов в оборудовании, приводят к негативным последствиям:

• потере напряжения;
• повреждению изоляции и возникновению аварийных ситуаций;
• помехам радио- и телефонной связи.

Наличие электрических разрядов указывает на следующее:

• повреждение узлов электрического оборудования;
• загрязнение поверхности;
• неправильную конструкцию узлов.

Электрический разряд представляет собой физическое явление (образование электронов), при котором электроны передаются от одного объекта к другому, когда проводящий канал образуется между двумя объектами, имеющими достаточную разность потенциалов. Разряды могут образоваться:

• в пустотах твердых изоляционных материалов (внутренние разряды);
• вдоль границ между различными многослойными твердыми изоляционными материалами (внутренние разряды);
• в газовых пузырьках жидкой изоляции (внутренние разряды);
• вокруг электродов в газовой среде (внешние разряды).

Существует три вида частичных разрядов: внутренние; разряды в газовой среде (коронные, дуговые) и поверхностные.

Внутренний разряд возникает внутри твердых и жидких изоляционных материалов. Пустоты в этих материалах при превышении напряжения пробоя приводят к возникновению разряда, соединяющего их поверхности. Разряд в пустотах приводит к локальному обгоранию изоляции. Размер пустот увеличивается, и создается древовидный пробой, который в конечном итоге приводит к разрушению изоляции.

Особое место занимают разряды в газовых средах – коронные и дуговые, которые присутствуют на всех элементах электроизоляции ВЛ, энергетическом оборудовании распределительных устройств и подстанций. Коронные и дуговые разряды возникают вокруг электродов с острыми концами, находящимися под высоким напряжением. Коронные разряды можно рассматривать как совокупность процессов частичных разрядов в воздухе, возникающих в местах образования электрических полей высокой напряженности и лавинной ионизации воздуха, который в результате преобразуется в плазму. При деионизации плазмы избыточная излучаемая энергия фотонов наблюдается в виде коронного разряда. Коронные разряды на изоляторах являются показателем ионизации в данной точке в связи с наличием загрязнений или повреждения, которые могут привести к поверхностному пробою. Обычно данное явление наблюдается в виде голубоватого свечения при высокой интенсивности, в состоянии, близком к пробою, видимое невооруженным глазом (при низкой интенсивности, различимое приборами УФ диагностики). Коронные разряды сопровождаются характерным акустическим сигналом «характерным треском».

Кроме этого, разряды ионизируют воздух, вследствие чего образуется озон с выделением тепла. Суммарное воздействие ионной бомбардировки и химических веществ, образующихся во время коронного разряда, приводит к разрушению элементов конструкции линии электропередачи. Выделение тепла столь незначительно, что практически не выявляется с помощью теплового метода контроля (ИК-термография), однако горячие точки не всегда расположены в местах образования разрядов. Протекающие разрядные процессы сопровождаются рядом химических реакций, катализатором которых является ионизация газов воздушной среды. В условиях высокой влажности окружающего воздуха окислы азота, образующиеся при ионизации, соединяются с водой и образуют азотную кислоту – очень коррозионно-активное вещество, которое растворяет гальваническое покрытие на металлических деталях. Отложения азотной кислоты выглядят как полосы белой пыли на высоковольтном оборудовании (рис. 1).

Рис. 1. Отложения азотной кислоты на высоковольтном оборудовании.

Повреждению подвержены металлические детали, провода и юбки изоляторов. Детали из фарфора и стекла стойки против воздействия кислоты.

В результате процесса разрушения полимерных изоляторов образуется щавелевая кислота H₂C₂O₄ (в виде бесцветных кристаллов, растворимых в воде). Щавелевая кислота воздействует на металлические детали, вызывая их постепенное разрушение. По степени своего воздействия кислота является достаточно сильной. В условиях высокой влажности окружающего воздуха ионизированные молекулы H₂О могут соединяться с диоксидом углерода и образовывать угольную кислоту. Опыт эксплуатации композитных изоляторов показал, что если химические агенты проникают в тело изолятора вплоть до стеклопластикового стержня, то на нем начинается процесс коррозии, а также развитие тока утечки на поверхности раздела стержня и оболочки.

Коронные и дуговые разряды проявляются следующим образом:

• в диапазоне акустических волн;
• в виде ультразвука в частотном диапазоне 37…43 кГц;
• в видимом спектре частот;
• в УФ-спектре частот, в частотном диапазоне 240…400 нм (флуоресценция N₂ и O₂), оптическое спектральное излучение образуется, когда ионизированный воздух деионизируется, передает свою избыточную энергию в виде фотонов и возвращается к своему стабильному уровню энергии. Такое излучение может быть зафиксировано специализированными оптическими детекторами:
• в спектре гамма-излучения;
• в виде выделяемого тепла, которое можно обнаружить тепловым методом при достаточной интенсивности процесса.

При этом надо учитывать, что горячие точки не всегда расположены в местах образования разрядов (Рис. 2.).

Рис. 2. Сопоставление ИК и УФ снимков одного объекта.

Поверхностные разряды возникают вдоль границы между двумя диэлектрическими материалами. Образование поверхностного разряда обычно предваряет значительный поверхностный ток утечки при наличии влаги, загрязненности и дефектов поверхности.

Перечисленный ряд физико-химических процессов создает условия для постепенного разрушения элементов оборудования и электроизоляции и требует мероприятий для контроля его состояния. Идентификацию дефектов, выявленных при УФ диагностике (по большому числу единиц обследуемого оборудования), рекомендуется производить в рамках специального контроля, предусматривающего использование тепловизионных средств и средств визуального контроля с кратностью увеличения не менее ×12.

Совпадение выявленных при УФ и ИК диагностике дефектов свидетельствует о более поздних (предаварийных) стадиях их развития, так как электроразрядные процессы, инициируемые в дефектах на начальной и средней стадиях их развития, имеют недостаточный для эффективного применения инфракрасных средств диагностики уровень тепловыделения. УФ диагностика позволяет производить диагностирование именно на ранних стадиях образования дефекта.

Рис. 3. Дефект полимерного изолятора.

Получение УФ изображений заключается в данном случае в создании записи визуальной информации о УФ событиях с визуальной привязкой к элементам конструкции и ее координатам, а также оцифровке интенсивности УФ событий, выраженных в количестве фотонов или импульсов, зафиксированных камерой в единицу времени, характеризующем интенсивность наблюдаемого процесса. Число разрядов пропорционально степени критичности дефекта, сопутствующего излучению.

С помощью специализированных камер СоroCAM, чувствительных к УФ излучению, кроме указанных измерений, возможна запись речевых комментариев на микрофон в процессе детализированного осмотра объекта с большим оптическим увеличением.

Получение изображений предусматривает правильную настройку устройства регистрации изображений, УФ фокусировку, правильную работу с ним и последующую обработку данных записанных в определенном формате, и оценку состояния оборудования. Перед дефектоскопистами стоят следующие задачи:

• поиск электрических разрядов и выявление их источника;
• определение степени критичности электрического разряда и причины его образования;
• принятие решения о проведении ремонтно-эксплуатационных мероприятий (замена, промывка).

Основной перечень объектов контроля должен содержать:

• изоляторы (полимерные, фарфоровые/стеклянные провода);
• линейную арматуру;
• арматуру подстанции;
• ошиновку и шинодержатели;
• электрические конденсаторы.
• арматуру распределительной подстанции (связки проводов, трещины на штыревых линейных изоляторах, незаземленные и ненадежные соединения); двигатели и генераторы (обмотка, изоляция).

Большую часть арматуры следует контролировать в условиях сухой погоды. Отдельные виды контроля следует выполнять в условиях тумана или непосредственно после выпадения росы или дождя, так как в этих условияx электроразрядные процессы наиболее интенсивны [8] (для определения увлажнения поверхности полимерных изоляторов, наличия открытых участков стержня у полимерных изоляторов, трещин в юбках фарфоровых изоляторов, коронных разрядов на влажных проводах; загрязнений гирлянд изоляторов).

Процесс интерпретации полученных снимков разрядной активности значительно более сложный, чем просто подсчет интенсивности УФ событий, и требует тщательного анализа ситуации, конкретного класса оборудования и его элементов. Например, разрядная активность даже в несколько тысяч фотонов в минуту на концевых заделках кабеля не приведет к серьезным последствиям в виде аварий или отказов, а будет вызывать только радиопомехи, а такая же активность на полимерных изоляторах может свидетельствовать о серьезных процессах, приводящих к разрушению элементов электроизоляции и возможности выхода из строя оборудования, на стеклянных и фарфоровых изоляторах – о наличии загрязнений и необходимости их промывки или замены. Срок службы полимерных стержневых изоляторов резко сокращается при образовании на поверхности изолятора проводящей науглероженной дорожки – трека или эрозионных трещин. После образования трека или трещины отказ изолятора неизбежен, при этом отрезок времени от момента их образования до пробоя изолятора невелик. В табл. 1 приведена оценка технического состояния изоляции трансформаторов по уровню ЧР.

Имеется большой положительный опыт использования УФ диагностики подвесной электроизоляции на РЖД, с обширной статистикой за период 2005…2010 гг. Сейчас большинство электрифицированных переменным током железных дорог обслуживаются измерительными системами УФ диагностики. На рис. 4 приведен пример обнаружения дефекта (Станция Вековка, опора 13ПГ, пункт группировки секция 24П, гирлянда из четырех изоляторов ПФ70, фарфор, контактная сеть 27,5 кВ).

Рис. 4. Сильная корона в районе шапки третьего (от напряжения) изолятора (512 имп./с). При измерении в лаборатории были получены сопротивления 0,9 и 3,5 Мом соответственно на первом и третьем изоляторе, что свидетельствует о дефектности гирлянды [5].

Используемая в концерне «Росэнергоатом» классификация технического состояния изоляции трансформаторов по результатам контроля ЧР [7] представлена в табл. 1.

Камеры CoroCAM могут обнаруживать и измерять излучение от источника от 1 пКл с расстояния 15 м, а сигналы порядка 100…500 пКл будут достоверно определены. Практическое подтверждение данных критериев (табл. 1) [7] осуществлено в ООО «ЭнергонефтьТомск» [8]. На приведенной на рис. 5 фотографии виден скол проходного изолятора (диагностика проводилась камерой CoroCAM-504).

Таблица 1. Оценка технического состояния изоляции трансформаторов по уровню ЧР.

Результаты диагностики энергетического оборудования с использованием ИК и УФ средств диагностики оформляются в виде отчетов при полной диагностике объекта или протоколом при единичной диагностике элементов энергетического оборудования в соответствии с РД 13-04–2006 «Методические рекомендации о порядке проведения теплового контроля технологических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производительных объектах»). На рис. 5 показан типичный отчет, полученный при диагностике оборудования подстанции в ЗАО «РН-Энергонефть». Критерием для предварительной оценки дефектности как критического состояния было наличие сигналов более 3000 имп./мин, что и было подтверждено большим количеством статистического материала [8].

Рис. 5. Отчет по результатам обследования ТП.

Результаты применения метода ультрафиолетового обследования электрооборудования в ООО «Энергонефть Томск» приведены в табл. 2. Как видно, в 2013 г. на 87 исследованных объектах было выявлено 35 дефектов, требующих устранения.

Таблица 2. Выявленные УФ методом критические дефекты (ООО «Энергонефть Томск»).

Кроме предложенных российскими энергетиками количественных критериев оценки УФ сигнала существует последовательность оценки по важности объекта, которая требует периодического наблюдения за объектом и его состоянием и при этом не исключает количественную оценку интенсивности УФ излучения от разрядных процессов (рис. 6).

В перспективе требуется иметь более точные количественные оценки дефектности различных элементов оборудования на основе энергетической оценки детектируемого УФ сигнала, но это требует значительных по объему исследований в сертифицированных центрах, наличие приборов диагностики и достаточного объема проведенных полевых и лабораторных испытаний, и, как результат, утверждение соответствующих отраслевых нормативных актов.

Рис. 6. Степень серьезности дефектов в соответствии с классификацией ESKOM Научно-исследовательского института электроэнергетики США (EPRI).

Внедрение оптоэлектронных приборов инфракрасной и ультрафиолетовой диагностики в энергетику является одним из основных направлений развития высокоэффективной системы технической диагностики, которая обеспечивает возможность контроля состояния электрооборудования и электроустановок без вывода их из работы, выявление дефектов на ранней стадии их развития, сокращает затраты на техническое обслуживание за счет прогнозирования сроков и объемов ремонтных работ.

Список литературы

1. РД 34.45-51.300–97. Объем и нормы испытаний электрооборудования. 6-е изд. М.: ЭНАС, 1998.
2. РД 34.45-51.300–97. Объем и нормы испытаний электрооборудования», 6-е изд. с изм. и доп. по состоянию на 01.03.2001. М.: НЦ ЭНАС, 2003.
3. Лосев В.Г., Плотников Ю.И. и др. Мобильная система диагностики изоляторов контактной сети по ультрафиолетовому излучению//Локомотив. 2012. №9. С. 40–42.
4. Плотников Ю.И., Железнов Ф.Д. и др. Повышение достоверности ультрафиолетовой диагностики изоляции контактной сети//Железные дороги мира. 2011. №4. С. 60–68.
5. Плотников Ю.И., Демидов С.В. и др. Опыт использования портативного УФ-дефектоскопа CoroCAM6D в хозяйстве электроснабжения железных дорог//Железные дороги мира. 2013. №4.
6. Ильина Е.В., Растегняев Д.Ю. Опыт применения приборов ультрафиолетового контроля в электросетевой компании//Энергоэксперт. 2014. 4.
7. МД 1.3.3.99.041. Методические рекомендации по раннему выявлению дефектов внешней изоляции токоведущих частей электрооборудования АЭС с использованием средств УФ-контроля. ОАО «Концерн Энергоатом». 2009. 8. Методические указания ЗАО «РН-ЭНЕРГОНЕФТЬ». Методы неразрушающего контроля и технической диагностики (инфракрасной и ультрафиолетовой) с применением оптикоэлектронных приборов. М.: ЗАО «РН-Энергонефть», 2014.