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.

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 E_min ПЧР или короны, которую улавливает детектор камеры. Для DayCorII E_min = 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 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 E_min 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) = ,    (3)

или

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

где Ф – функция Лапласа.

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

Z_H = (E_min-E_ср)/(√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 (E_ср - E_min) и меньше дисперсия σ_E ². На практике мощность энергии излучения E, характеризуется косвенной величиной - площадью пятна S_уф от УФ излучения на экране дисплея УФ камеры. Практика УФ диагностики изоляции КС показывает, что среднеквадратические отклонения S_уф примерно постоянны и составляют 30-35%. При фиксированном значении σ_E, вероятность попадания в односторонний интервал (E_ср - E_min) случайной величины E тем выше, чем меньше E_min (выше чувствительность УФ камеры) и чем мощнее текущая средняя энергия излучения E_ср. Иными словами достоверность УФ диагностики Д тем больше, чем больше разность (E_ср - 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 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 (E_ср - E_min), а, следовательно, и достоверность УФ диагностики Д, является чувствительность детектора камеры E_min. 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.

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.

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 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^-18Вт/см², что соответствует параметрам камеры DayCorII фирмы Ofil (Израиль) при наблюдении изоляции с расстояния 8 м [1]. Среднюю энергию излучения E_ср примем на 10% выше E_min, 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_ср и σ_E:

1 - E_min / E_ср > Ф(Z_н^Д)√2σ_E,                      (6)

где Ф(Z_н^Д) – 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.