▼ Задать Вопрос

ОТПРАВКА СООБЩЕНИЯ


СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Методы и средства ультрафиолетовой диагностики изоляции контактной сети. Часть 1.

Авторы: Ф.Д. Железнов, В.А. Акулов, Ю.И. Плотников, С.В. Демидов, С.В. Милованов.

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.

Количество выявленных УФ системой дефектных изоляторов

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

По данным Горьковской железной дороги, в 2007 году с ВИКС обнаружено лишь 12 из 227 дефектов или всего 5,3%, а в 2008 году 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 2006 году натурные испытания УФ системы показали [1], 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 Emin ПЧР или короны, которую улавливает детектор камеры. Для DayCorII Emin = 3·10-18 Вт/см при наблюдении изоляции с дистанции 8 метров. 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 Emin, тем выше вероятность принятия правильного решения по ТО и Р изоляции и тем выше достоверность УФ диагностики. Покажем влияние чувствительности УФ системы Emin 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 > Emin),                    (2)

где P(Е > Emin) – вероятность нахождения диагностического параметра E в поле допуска;

E, Emin - текущее значение плотности потока УФ излучения и чувствительность детектора камеры, соответственно.

Причем Emin , 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 > Emin) = ,    (3)

или

P(E > Emin) = 0, 5[1 -Ф(ZH)].       (4)

где Ф – функция Лапласа.

Приведенное значение диагностического параметра ZH для нижней границы поля допуска определяется с помощью выражения:

ZH = (Emin-Eср)/(√2·σE),            (5)

где Eср, σE - 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 (Eср - Emin) и меньше дисперсия σE 2. 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 среднеквадратические отклонения Sуф примерно постоянны и составляют 30-35%. При фиксированном значении σE, вероятность попадания в односторонний интервал (Eср - Emin) случайной величины E тем выше, чем меньше Emin (выше чувствительность УФ камеры) и чем мощнее текущая средняя энергия излучения Eср. Иными словами достоверность УФ диагностики Д тем больше, чем больше разность (Eср - Emin).

Проведенные исследования, стендовые, натурные эксперименты и многолетний опыт эксплуатации системы УФ диагностики изоляции КС показал [1, 2], что средняя мощность излучения ПЧР и короны Eср 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 обследования проводить 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 градусов.

Важнейшей характеристикой, определяющей величину интервала (Eср - 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 рисунка, спектр короны имеет два ярко выраженных максимума, приходящихся на 340 и 360 нм. Вместе с тем, в этих диапазонах мощность излучения солнца также велика.

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

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

Для того чтобы иметь возможность диагностировать изолятор при дневном свете, в современных УФ электроннооптических дефектоскопах используется диапазон 240-280 нм, соответствующий так называемому 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 (см. рис. 3).  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.

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

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 (так называемый 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 диапазона, 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). 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 Emin 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 Emin=3·10-18Вт/см2, что соответствует параметрам камеры DayCorII фирмы Ofil (Израиль) при наблюдении изоляции с расстояния 8 м [1]. Среднюю энергию излучения Eср примем на 10% выше Emin, что соответствует работе камеры на пределе ее чувствительности. Среднеквадратическое отклонение энергии примем по статистическим данным и опыту эксплуатации σE = 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 Emin = 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 Emin = 3·10-18 до Emin = 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 Emin, обеспечивающей заданную достоверность Д при фиксированных значениях Eср и σE:

1 - Emin / Eср > Ф(ZнД)√2σE,                      (6)

где Ф(ZнД) – 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.



Продолжение статьи:

Методы и средства повышения достоверности ультрафиолетовой диагностики изоляции контактной сети. Часть 2.

Методы и средства повышения достоверности ультрафиолетовой диагностики изоляции контактной сети. Часть 3.

Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика

©2000-2014, ООО "ПАНАТЕСТ", г. Москва, Ул. Авиамоторная 12, офис 405; тел. +7 (495) 789-37-48, +7 (495) 587-82-98, +7 (985) 803-70-73.