СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Система диагностики изоляции контактной сети по ультрафиолетовому излучению

Авторы: Канд. техн. наук В.Г. ЛОСЕВ, начальник Управления электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры (ЦЦИ) ОАО «РЖД»;
Ф.Д. ЖЕЛЕЗНОВ, главный специалист технического отдела ЦЭ-ЦДИ ОАО «РЖД»;
д-р техн. наук Ю.И. ПЛОТНИКОВ, профессор, главный специалист НПП ООО «HANSE»;
канд. техн. наук Ю.М. ФЕДОРИШИН, генеральный директор ООО «МСД Холдинг»;
С.М. ШЕВЯКОВ, заместитель генерального директора ООО «МСД Холдинг»;
С.В. ДЕМИДОВ, начальник ДЭЛ Горьковской дороги.

При постоянно растущих объемах перевозок на электротяге в хозяйстве электрификации и электроснабжения число нарушений, влияющих на безопасность движения поездов, уменьшается. За 2006 - 2010 гг. достигнуто снижение на 32%. Это результат многосторонней работы, включающей внедрение новых технических средств и технологий. Известно, что протяженность контактной сети со сверхнормативным сроком эксплуатации устройств к началу этого года составила более 45%. «Старение» элементов контактной подвески, в том числе высоковольтной изоляции, потребовало модернизации ее технического обслуживания и ремонта.

Диагностирование изоляторов, основанное на наблюдении за поверхностными разрядами и короной при их электромагнитном излучении в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, хорошо известно при эксплуатации высоко-вольтного электрооборудования. По производительности и наглядности ультрафиолетовая дефектоскопия превосходит ультразвуковой метод, радиолокацию и др. и используется на базе отечественного электронно-оптического дефектоскопа «Филин-6». Однако он имеет ряд серьезных недостатков: низкую чувствительность, не может ис-пользоваться в дневное время, не дает полной информации о состоянии изоляции. Это и стало причиной его ограниченного применения.

Напомним, диагностирование изоляторов по УФ-излучению основано на выявлении поверхностных частичных разрядов (ПЧР) и короны, возникающих в месте дефекта изолятора. Методика их диагностики основана на зависимости силы света ПЧР от величины приложенного напряжения. При напряжении выше порогового значения, соответствующего возникновению разрядов, сила света пропорциональна пятой степени напряжения. При изменении напряжения на 1%, сила света изменяется на 5%. Этим и объясняется наглядность диагностирования Даже небольшие перераспределения напряжения вдоль гирлянды, связанные с наличием «нулевых» изоляторов, приводят к возникновению или резкому увеличению силы света.

Применительно к изоляторам, работающим на открытом воздухе, возникновение короны и разрядов исключить полностью невозможно. В этих случаях интенсивность разрядных процессов увеличивается по мере снижения изолирующей способности изолятора из-за появления в них дефектов (сколы, повреждение глазури, трещины, нарушение цементной заделки стержня и шапки, поджоги, наличие открытой микроскопической пористости и др.) или загрязнения и увлажнения внешних поверхностей. Таким образом, возникновение или увеличение интенсивности короны и ПЧР можно использовать для косвенной оценки качества изоляции.

Прибор «Филин-6» применяется при диагностировании оборудования, работающего на напряжении от 110 кВ и выше, поэтому не может эффективно использоваться для контроля изоляции контактной сети. К тому же, он не может применяться при цифровых измерениях, которые ведутся с вагона-лаборатории испытаний контактной сети (ВИКС).

Ультрафиолетовая система диагностики была разработана в 2004 - 2005 гг ООО «МСД Холдинг» (в то время одно из подразделений ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО) и ООО «HANSE» в Санкт-Петербурге, при активной поддержке Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД».

Система может выполнять дефектировку следующих изоляторов напряжения 27,5 кВ переменного тока: фарфоровых тарельчатых подвесных; фарфоровых тарельчатых фиксаторных; фарфоровых секционных стержневых; фарфоровых фиксаторных стержневых; стеклянных тарельчатых подвесных; полимерных стержневых. Программное обеспечение системы диагностирования решает следующие вопросы:

• первичную обработку информации с частотой сканирования, задаваемой оператором а зависимости от скорости движения ВИКС;
• статистическую обработку изображений с оценкой достоверности измерительной информации;
• получение совмещенных УФ и видимых цифровых изображений изоляторов в реальном масштабе времени в виде цветного цифрового фильма с последующей записью на HDD бортового компьютера;
• получение количественных значений относительной яркости поверхностных разрядов и короны с указанием места их нахождения на поверхности изолятора;
• оценку места дефектных изоляторов в гирлянде и степени развития дефекта с последующими рекомендация-ми по принятию решений о дальнейшей эксплуатации дефектного изолятора;
• запись дефектных изоляторов в память компьютера с привязкой к номеру опоры и участку с выделением не-обходимых фрагментов, их масштабированием и редактированием;
• архивацию данных обследований изоляторов, составление электронной документации и получение твердой копии диагностической информации в виде отчета;
• возможность записи фрагментов цифровых фильмов с изображениями дефектных изоляторов с привязкой к номерам опор на CD и съемный HDD компьютера с последующей передачей обслуживающему персоналу, в том числе и через Интернет;
• обеспечение работы на компьютерах в среде Windows ХР и выше, использование удобных графических диалоговых моделей, обеспечивающих пользователю максимальный сервис и простоту работы.

Рис. 1. Установка УФ-системы на ВИКС: а - внешний вид камеры DayCorll на вышке ВИКС; б - рабочее место оператора в машинном зале.

В 2004 г. на Горьковской дороге система дефектировки изоляции по ультрафиолетовому излучению была успешно испытана на базе двухспектральной (со встроенными УФ и видеоканалами) камеры DayCorll, производства израильской фирмы OFIL ltd. (рис. 1). Основные технические характеристики камеры представлены в таблице.

Характеристики двухспектральных УФ-камср, устанавливаемых на ВИКС ЦЭ

Корона и поверхностные разряды выявляются специальным высокочувствительным детектором этой камеры, обнаруживаются на экране в виде белых пятен и точек и накладываются на цветное видеоизображение гирлянды изоляторов с привязкой к области возникновения дефекта. Камера может работать в дневное и ночное время, в туман и дождь. В ней используются два встроенных канала: ультрафиолетовый и видео, работающие в своих диапазонах 0,24 - 0,28 и 0,45 - 0,75 мкм соответственно.

Первый диапазон характеризуется тем, что в нем солнечное излучение полностью поглощается молекулами атмосферного озона. Поэтому канал реагирует только на источники излучения от ПЧР или короны, и диагностика изоляции может производиться в яркий солнечный день. Обеспечение высокой чувствительности датчика камеры в этом диапазоне достигается благодаря применению системы высокоэффективных оптических фильтров.

Наглядность диагностики обеспечивается совмещением (наложением) ультрафиолетового и видимого изображений изоляции в цвете. Кроме того, наличие видеовыхода PAL (NTSC) камеры позволяет после оцифровки сигнала в АЦП компьютера получить диагностическую информацию в реальном масштабе времени в виде цифрового видеофильма. Высокая наглядность, быстродействие (частота работы камеры - 30 Гц), высококачественная фильтрация от световых шумов, широкий диапазон изменения экспозиции обеспечивают достоверность диагностической информации и надежное распознавание дефектных изоляторов.

Камера устанавливается на вышке вагона ВИКС аналогично тепловизионной камере инфракрасной диагностики арматуры контактной подвески. Наблюдение производится через специальный защищенный от дождя и снега иллюминатор из кварцевого стекла КУ-1 с пропускной способностью не хуже 95%. Камера устанавливается в секторах по ходу или против движения поезда, с ориентацией в направлении опор и под углом 15 - 25 градусов к горизонту.

Рис. 2. Количество дефектных гирлянд изоляторов (штук), выявленных УФ-системой в 2007 - 2011 гг.

В 2005 - 2008 гг. мобильная система диагностики изоляции была установлена на вагон-лабораториях всех дорог ОАО «РЖД» и на одном ВИКС Республики Беларусь. Опыт эксплуатации показал ее достаточно высокую эффективность. По данным Дорожной электротехнической лаборатории (ДЭЛ) Горьковской дороги с 2007 по 2011 гг. число перекрытий изоляции КС было снижено примерно в 2 - 2,5 раза (рис. 2). Анализ диаграммы показывает, что каждый год система позволяла выявить более 100 дефектов.

Поскольку после обнаружения дефектная изоляция заменялась, число обнаруженных мест постоянно снижалось: с 228 в 2007 г. до 103 в 2011-м. Как показал опыт эксплуатации, вероятность ложных срабатываний системы составляет 5 - 6%.

Рис. 3. Дефектная гирлянда из трех фарфоровых изоляторов ПФ70: а — двухспектральное изображение гирлянды: б — внешний вид дефекта нижнего изолятора (скол фарфора в районе стержня).

Анализ повреждаемости по видам и типам изоляторов показал, что основная доля повреждений приходилась на подвесную фарфоровую (более 50%) и подвесную стеклянную (20 - 25%) изоляцию (рис, 3).

Опыт эксплуатации этой диагностической системы выявил и ее недостатки: узкие углы поля зрения камеры; отсутствие возможности цифрового дистанционного управления камерой с компьютера: недостаточную чувствительность.

Углы поля зрения камеры DayCorll в горизонтальной и вертикальной плоскостях составляют 5 х 3,75 градусов (см. табл.). При этом на расстоянии 8 м, где чувствительность камеры максимальна и составляет 3x10 ^-18 Вт/см², площадь обзора составляет всего 0.60x0,50 м. Этого достаточно лишь для обзора одного типа гирлянды изоляторов.

Чтобы повысить производительность системы и наблюдать одновременно подвесную, консольную, фиксаторную изоляцию и линию ДПР при одном проходе ВИКС, необходимо как минимум увеличить в два раза углы и площадь обзора.

Камера DayCoril не имеет цифрового интерфейса для управления ею с компьютера. При работе системы необходимо постоянно подстраивать коэффициент усиления (чувствительность) камеры. В районе с малой интенсивностью внешних ионизационных помех (при движении ВИКС в лесной зоне), чувствительность камеры необходимо увеличивать до максимальной.

При прохождении станций, промышленных зон, где ионизация атмосферы высокая, посторонние шумы «забивают» изображение и мешают распознаванию ПЧР и короны, излучаемых собственно дефектными изоляторами, чувствительность камеры нужно уменьшать. Поскольку оператор находится внизу, в машинном зале, а камера установлена на вышке ВИКС, то своевременная подстройка чувствительности производится недостаточно оперативно.

Дефекты изоляции, проявляющиеся в виде поверхностных разрядов и короны, не всегда расположены на самой по-верхности изоляции Внутренние дефекты (раковины, трещины, открытая микроскопическая пористость фарфора и т.д.) на поверхности проявляются в виде слабого сигнала, меньшего чувствительности камеры. Для повышения достоверности диагностики нужна была более чувствительная аппаратура. И она была найдена. Модернизированный двухспектрапьный дефектоскоп фирмы CSIR-UVIRCO (ЮАР) типа СогoСАМ504, имеющий более высокую чувствительность, большие углы поля зрения, развитые цифровые порты. Он может автономно вести цифровую запись информации с оптических и аудиоканалов. Малые масса и габариты, низкое энергопотребление и эргономичность позволяют использовать дефектоскоп при работе с ВИКС и с рук при пеших обходах. Основные характеристики ультрафиолетовой камеры СогoСАМ504 представлены в таблице.

По своему внешнему виду она напоминает малогабаритную видеокамеру. Сравнительный анализ характеристик показывает, что реализация функции автоматического вывода из оптического тракта солнечного фильтра, позволяет повысить чувствительность в три раза, т.е. до 1 х 10^-18 Вт/см² в условиях ночного режима. При этом достоверность диагностики может быть увеличена в 1,5 раза, особенно при выявлении зарождающихся дефектов изоляции и работе камеры на пределе своей чувствительности.

Камера имеет углы поля зрения 8x6 градусов, увеличенные на 60 - 70 % в сравнении с предыдущим вариантом. Это повышает производительность системы за счет возрастания количества одновременно обследуемых изоляторов с расстояния 8 м при объезде ВИКС. Ультрафиолетовая камера СогoСАМ504 имеет цифровые интерфейсы USB2.0, RS232, RS485. Это увеличивает скорость обработки данных, исключает из состава системы аналого-цифровой преобразователь, дает возможность дистанционно управлять камерой с компьютера при ее подстройке с учетом внешних условий. Камера имеет встроенный цифровой регистратор видео- и аудиоинформации, оптическое масштабирование канала. Она более чем е три раза легче, чем DayCoril. А встроенный в нее малогабаритный литий-ионный аккумулятор не требует отдельной сумки с жилетом для переноски громоздкого и тяжелого аккумулятора.

Важнейшими характеристиками камеры является надежность и безотказность. Шестилетний опыт эксплуатации израильской камеры показал, что из 16 установленных на дорогах три (на Горьковской, Красноярской и Иркутской) имели отказы, требующие серьезного заводского ремонта. Это очень высокий процент. По данным фирмы-производителя ультрафиолетовой камеры СогoСАМ504, из 46 серийных единиц, выпущенных к этому времени, был лишь один несущественный дефект, который устранили на месте. Надежность их достигается использованием новейшей элементной базы и современными технологиями изготовления. С 2011 г. новые камеры установлены и успешно эксплуатируются на шести дорогах из 16.

Однако достоверность системы ультрафиолетового диагностирования на базе ВИКС еще не достаточно высока. Производительность и быстродействие мобильной системы на 2 - 3 порядка выше, чем при пеших обходах, но результативность намного ниже, По данным ДЭЛ Горьковской дороги, в 2008 г. с помощью ВИКС была выявлена 41 дефектная гирлянда, а при пеших обходах - 125.

Причиной этого является большая вероятность пропуска дефектов из-за того, что изоляция с вагона наблюдается только с одной стороны, а при обратном объезде наблюдение ведется с большего расстояния; с соседней колеи. Тыльная сторона изоляции остается не обследованной. Условно можно сказать, что полноценно обследуется только каждый второй изолятор. При пеших обходах можно осмотреть изоляцию со всех сторон.

Рис. 4. Схема УФ-сканирования изоляции: а — обзор изоляции с ВИКС; б — стороны обзора изолятора (желтый сектор); I — фронтальная наблюдаемая сторона; II — тыльная ненаблюдаемая сторона.

На рис. 4 представлена схема наблюдения (сканирования) изоляции мобильной системой с вышки ВИКС, Желтым цветом изображен сектор обзора ультрафиолетовой камеры СогаСАМ504, ориентированной по ходу ВИКС, На рис 4,б показан штыревой фарфоровый изолятор с двумя характерными участками; I - попадающий в поле зрения УФ-камеры (передняя половина изолятора) и II - не попадающий (задняя половина выделена белым цветом). Красными точками показаны наиболее характерные места появления ПЧР и короны. Как следует из рисунка, тыльная часть изолятора с вагона не наблюдается

Одним из путей решения этой проблемы может стать установка на ВИКС второй камеры. Первая ориентируется по ходу, а вторая - против хода движения. Тогда изоляторы будут обследованы со всех сторон при одном объезде, а вероятность пропуска дефектов снизится в 2 раза. На рис. 4,а сектор обзора второй камеры, сориентированной в противоположном направлении движения ВИКС, показан белым цветом. В этом случае, тыльную сторону изолятора (рис 4,б) просканирует вторая камера после прохождения вагоном соответствующей опоры.

Наряду с «тыльной» стороной изоляции, в поле зрения системы, установленной на вагоне, не попадает и изоляция тяговых подстанций, воздушных линий электропередачи, соседних путей станций. Восполнить эти пробелы необходимо пешими обходами с камерами, временно снятыми с вагона. Опыт Горьковской дороги, где имеются две камеры, показал высокую эффективность такой диагностики. Однако оснащение всех дорог дополнительными ультрафиолетовыми камерами СогoСАМ504 как для ВИКС, так и для пеших обходов, требует соответствующего увеличения финансирования.

Такая модернизация мобильной системы ультрафиолетовой диагностики изоляции будет способствовать дальнейшему повышению надежности и эффективности эксплуатации контактной сети и усилению безопасности движения поездов.