Мобильная компьютеризированная система диагностики арматуры и изоляции контактной сети по инфракрасному и ультрафиолетовому излучениям

Анализ ранее проведенных исследований и опыт эксплуатации показывает, что нарушение технического состояния контактной сети (КС) электрифицированных железных дорог (число отказов) представляется следующим образом: провода и тросы — 22,8%, изоляторы — 24,5%, зажимы и детали — 16,3%, воздушные стрелки — 10,4%, поддерживающие конструкции — 9,5%, струны — 5,1%. Отсюда следует, что отказы, приходящиеся на арматуру и изоляторы, составляют более 40% от отказов всех элементов КС.

По данным специалистов Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» появление неисправностей КС, включая дефектные арматуру и изоляторы, в значительной степени объясняется недостаточностью предупредительных мер со стороны работников дистанций электроснабжения, низкой эффективностью использования современных технических средств диагностирования.

Повышение надежности и эффективности работы КС, как и всего остального электрооборудования системы электроснабжения железных дорог, в значительной степени зависит от научно обоснованного перехода к стратегии технического обслуживания и ремонта электрооборудования по его фактическому состоянию. Особенно актуальной эта проблема становится в связи с тем, что в настоящий период идет интенсификация перевозочного процесса, растет протяженность электрифицированных железных дорог, организуются перевозки поездами большой массы и повышенной скорости, что в значительной степени увеличивает нагрузку на КС. При этом наряду с новыми участками электрифицированных железных дорог сохраняются и такие, на которых часть электрооборудования выработала свой ресурс на 60— 70% и более. Следует также учитывать, что происходящее обновление парка оборудования связано с внедрением новых технических средств и систем с высокой степенью автоматизации, не предусматривающих, в отдельных случаях, их непосредственное оперативное техническое обслуживание.

Тепловизионный (ИК) метод диагностирования электрооборудования контактной сети и тяговых подстанций (ТП) в последнее время находит все большее применение в ОАО «РЖД» вследствие ряда его преимуществ. Метод дистанционный, бесконтактный и высокопроизводительный, позволяет получать наглядную диагностическую информацию в реальном масштабе времени при штатных режимах функционирования оборудования как в статических, так и в динамических режимах тепловизионной съемки. Постоянное совершенствование аппаратных и программных средств получения и обработки тепловизионной информации о состоянии элементов КС и ТП способствует дальнейшему росту мобильности, степени автоматизации и производительности процесса диагностирования. Применение метода регламентировано отраслевым руководящим документом [1], однако основные работы по тепловизионным обследованиям связаны либо с аналоговыми приборами, не имеющими мощной компьютерной поддержки, либо с отсутствием соответствующего программного обеспечения по распознаванию образов (объектов диагностирования) в процессе мобильной диагностики в реальном масштабе времени с одновременной оценкой их технического состояния.

Метод ультрафиолетового (УФ) диагностирования изоляторов КС, основанный на визуализации электромагнитного излучения при возникновении коронных (КР) и поверхностных частичных разрядов (ПЧР) в УФ-диапазоне спектра хорошо известен и практически реализуется в эксплуатации высоковольтного электрооборудования как на ЛЭП, так и на КС. По своей производительности, наглядности представляемой диагностической информации УФ-метод имеет несомненные преимущества перед такими методами функциональной дистанционной диагностики изоляторов КС как ультразвуковой, радиолокационный и др. Однако, до настоящего времени аппаратная реализация УФ-метода в основном базировалась на отечественном электронно-оптическом дефектоскопе типа «Филин 6». Данный прибор имеет ряд существенных недостатков, которые объясняют его достаточно ограниченное применение. В основном это касается его низкой чувствительности, невозможности работы в дневное время суток, недостаточной четкостью и наглядностью представляемой информации. Прибор практически эффективен применительно к оборудованию, работающему на напряжении от 50 кВ и выше, что неприемлемо для диагностирования изоляторов КС. Кроме того, прибор «Филин 6» не позволяет проводить скоростные цифровые УФ-измерения, что является обязательным условием для организации мобильной диагностики изоляторов КС на базе вагона испытания контактной сети (ВИКС). Появление УФ-дефектоскопов нового поколения типа ОауСогН, обладающих высокой чувствительностью, быстродействием, полным подавлением солнечного света в УФ-канале, создает техническую основу для реализации УФ-метода в системе мобильной диагностики изоляторов КС.

Целью настоящего исследования является: разработка методического, алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения мобильной системы диагностирования арматуры и изоляции контактной сети в составе цифровых ИК и УФ подсистем на базе ВИКС для обеспечения перехода к стратегии технического обслуживания и ремонта КС по ее фактическому состоянию, дальнейшему повышению ее надежности и эффективности эксплуатации электрифицированных железных дорог РФ.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

Выводы по главе 5.

1. Мобильная система диагностики арматуры и изоляции КС по ИК и УФ излучениям конструктивно и информационно введена в состав диагностического оборудования ВИКС ЦЭ производства ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО».

2. Испытания системы диагностирования арматуры КС по ИК-излучению, проведенные на Свердловской ж.д., показали ее высокую эффективность, подтвердили работоспособность принятых диагностических параметров ЛТ и Кд. Достоверность результатов диагностики составила величину 0,83 на первом и 0,91 на втором этапе испытаний.

3. Испытания системы диагностирования изоляции КС по УФ-излучению, проведенные на Горьковской ж.д., подтвердили возможность использования УФ-метода для диагностики изоляторов КС и его преимущества по чувствительности, разрешающей способности и наглядности представления диагностической информации перед ультразвуковым и электромагнитным методами. Достоверность результатов диагностики составила 0,96.

4. Проверка результатов УФ-диагностики с помощью контактных методов, выполненная специалистами Горьковской ж.д., показала, что наиболее надежно состояние изоляторов определяется по измерению тангенса угла диэлектрических потерь (100% соответствия). Измерение пробивного напряжения дает 96% соответствия, измерение сопротивления изоляции — 56%, использование дефектировочных штанг — 94%, что полностью согласуется с выводами, полученными в главе 3.

5. Эксплуатация систем диагностирования арматуры КС по ИК-излучению, внедренных на всех железных дорогах РФ, доказывает их высокую производительность и эффективность, возможность обнаруживать не только дефектную арматуру, но и дефектные разъединители, гирлянды изоляторов, ошибки в монтаже контактной подвески.

6. Испытания дефектных зажимов КС, переданных с железных дорог в лабораторию контактной сети ОАО ЦНИИС, показали, что основными дефектами в контактных соединениях являются ослабление момента затяжки болтов зажимов, коррозия поверхности плашек зажимов и проводов, поджоги жил проводов внутри зажимов, некачественный монтаж зажимов (использование плашек разных производителей, отсутствие плакировочной пластины, использование зажимов в непредназначенных для них узлах, незачищенные провода перед установкой нового зажима).

7. Результаты эксплуатации системы диагностирования изоляции КС по УФ-излучению на Горьковской ж. д. демонстрируют высокую эффективность системы для определения состояния фарфоровых изоляторов (достоверность более 90%), а также показывают возможность диагностирования изоляторов, выполненных из стекла и полимерных материалов.

8. Для уточнения критериев дефектировки применительно к стеклянным и полимерным изоляторам необходим набор статистических данных и проведение специальных стендовых испытаний.

9. Экономический эффект от применения мобильной системы диагностики арматуры и изоляции КС, связанный только с изменением технологии обслуживания КС на одной железной дороге может составить 3 362 280 рублей в год, срок окупаемости системы составляет приблизительно 1,5 года без учета экономического эффекта от исключения аварийных ситуаций, связанных с пережогами КС и перекрытием изоляции.

Заключение

.

1. Анализ существующей технологии диагностики арматуры и изоляции КС, показал, что она преимущественно ориентирована на проведение ручных измерений, трудоемких, малоэффективных и не удовлетворяющих потребностей железных дорог РФ в надежной и безаварийной работе оборудования КС. Имеющийся опыт диагностики энергетического и электротехнического оборудования свидетельствует о том, что наиболее перспективными для задач дистанционной диагностики соединительной арматуры и изоляции КС являются цифровые приборы и системы, обеспечивающие мобильную оперативную регистрацию и обработку ИК и УФ излучений объектов диагностирования с одновременным получением их видеоизображений.

2. В диссертации разработаны аналитические и методические основы мобильных тепловизионных обследований арматуры КС с учетом нестационарности термических процессов, оценкой влияния внешних и внутренних факторов. Показано, что при мобильной диагностике арматуры КС процесс измерения температур объектов диагностирования не синхронизирован по времени с процессом их нагрева, поэтому целесообразно различать только два состояния арматуры: исправное и дефектное. При этом следует учитывать, что при прекращении токовой нагрузки на арматуру КС разность температур диагностируемых поверхностей и окружающего воздуха (А^ будет уменьшаться с темпом, зависящем от материала арматуры КС и внешних условий. Для зажима из алюминиевого сплава при скорости ветра 4 (20) м/с величина Ж уменьшится на 25% приблизительно через 4,5 (3) минуты, для зажима из бронзы через 3,2 (2,2) минуты, а для зажима из латуни через 3 (2.1) минуты. На 50% разность температур для указанных зажимов уменьшится приблизительно через 11 (7,4), 8 (5,3) и 7 (5) минут соответственно, а на 75% через 21,8 (14,7), 15,4 (10,5) и 14,5 (9,9) минуты. Указанную динамику изменения Аг необходимо учитывать для достоверной оценки технического состояния арматуры КС по ИК-излучению.

3. Разработаны диагностические модели в малых отклонениях с дифференцированным анализом влияния тепло и электротехнических параметров на точность и достоверность тепловизионного диагностирования арматуры КС. Показано, что для обеспечения точности косвенного измерения диагностических параметров AT и Кд не хуже 10% и достоверности результатов контроля Д не менее 80% следует учитывать влияние абсолютного значения температуры поверхности провода КС twnp (для параметра AT) и абсолютного значения температуры воздуха | tf | (для параметра Кд). При этом в 1-ом интервале изменения 0 °C < twnp < 10 °C значение диагностического параметра АТ должен быть не менее 1 °C, во 2-ом 10 °C < twnp < 20 °C — не менее 2 °C, в 3-ем 20 °C < twnp < 30 °C — не менее 3 °C, в 4-ом 30 °C < twnp < 40 °C — не менее 4 °C, в 5-ом 40 °C < twnp < 50 °C — не менее 5 °C. Граничные значения диагностического параметра АТгр для выделенных 5-ти интервалов изменения twnp соответственно составят: АТгр1 = 1,07°САТгр2 = 2,14°САТгр3 = 3,21°САТгр4 = 4,28°САТгр5 = 5,35°С. Для параметра Кд в 1-ом интервале изменения 0 °C <| tf |< 10 °C превышение температуры контактного соединения Atw3 должно быть не менее 1 °C, во 2-ом 10 °C < tf | < 20 °C — не менее 2 °C, в 3-ем 20 °C < tf | < 40 °C — не менее 4 °C, в 5-ом 40 °C < tf < 50 °C — не менее 5 °C. Граничное значение коэффициента дефектности должно составлять не менее Кдгр=1,64, что обеспечит достоверность контроля Д ^ 80%.

4. Исследованы возможности диагностирования изоляторов КС и ТП по УФ-излучению КР и ПЧР, выявлены взаимосвязи интенсивности УФ-излучения от состояния изоляторов, проведена оценка зависимости УФ-диагностического сигнала от температуры, влажности атмосферного воздуха, наличия загрязнений на поверхности изоляторов. Показано, что при увеличении падения напряжения на изоляторе на 1%, УФ-сигнал от КР или ПЧР увеличивается на 5,6%. Проведена оценка достоверности УФ-метода диагностики.

5. Показано, что мобильные обследования изоляции КС по УФ-излучению на базе камеры DayCorll возможно проводить практически в любых погодных условиях в любое время суток и в любое время года, когда сохраняются условия визуального наблюдения объектов диагностирования. Наибольшую чувствительность УФ-диагностика имеет в условиях повышенной температуры и влажности окружающего воздуха при наличии атмосферных осадков в виде дождя и мокрого снега средней интенсивности. Установлено, что при изменении температуры воздуха от +10 до +38°С, интенсивность УФ-излучения увеличивается в 4,5 раза, при увеличении относительной влажности воздуха от 60 до 100% интенсивность УФ-излучения увеличивается в 31 раз, а при загрязнениях поверхности изолятора с удельной электрической проводимостью g= 56 мСм/см, интенсивность УФ-излучения увеличивается в 65 раз. В качестве критерия для оценки состояния гирлянд изоляторов КС на базе ВИКС целесообразно использовать относительный размер пятна УФ-излучения дефекта в виде коэффициента отношения площадей Ks—=Syff/Su, где Su эквивалентная площадь поверхности по максимальному диаметру тарелки изолятора.

6. На основе анализа условий ИК и УФ диагностики КС на базе ВИКС, возможностей современной измерительной и вычислительной техники сформированы аппаратные средства мобильной системы диагностики арматуры и изоляции КС по ИК и УФ излучениям с использованием в качестве чувствительных элементов ИК-камеры ТН7102 (фирма NEC, Япония) и УФ-камеры Day Corll (фирма Ofil, Израиль) последнего поколения. В соответствии с выбранными и обоснованными диагностическими параметрами и критериями дефектировки разработаны алгоритмы и пакеты программ ИК-диагностирования арматуры и УФ-диагностирования изоляторов КС, обеспечивающие надежное распознавание образов (объектов диагностирования) в процессе мобильной диагностики с одновременной оценкой их технического состояния.

7. Испытания мобильной системы диагностирования арматуры КС по ИК-излучению на базе ВИКС Свердловской ж.д. на скоростях 40 — 90 км/ч показали ее высокую эффективность, подтвердили работоспособность принятых диагностических параметров AT и Кд, алгоритмического и программного обеспечения. Достоверность оценки результатов диагностики составила величину Д=0,85-Ю, 91. В работе проведено теоретическое и экспериментальное обоснование практической возможности обнаружения с помощью разработанной тепловизионной системы оборванных внутренних жил несущего троса по его ИК-излучению.

8. Испытания системы диагностирования изоляции КС по УФ-излучению на базе ВИКС Горьковской ж.д. подтвердили возможность использования УФ-метода для мобильной диагностики изоляторов КС и его преимущества по чувствительности, разрешающей способности и наглядности представления диагностической информации перед ультразвуковым и электромагнитным методами. Результаты эксплуатации системы диагностирования изоляции КС по УФ-излучению показали, что система высокоэффективна для определения состояния фарфоровых изоляторов (достоверность Д= 0,96) при движении ВИКС на скоростях до 80 км/ч, а также обеспечивает возможность диагностирования изоляторов, выполненных из стекла и полимерных материалов.

9. Проверка результатов УФ-диагностики с помощью контактных методов, выполненная независимыми специалистами Горьковской ж.д. показала, что наиболее надежно состояние изоляторов определяется по измерению тангенса угла диэлектрических потерь (практически 100% соответствия). Измерение пробивного напряжения дает 96%, использование дефектировочных штанг — 94%, а измерение сопротивления изоляции дает только около 56% соответствия с действительным техническим состоянием изоляторов КС.

10. Цифровые ИК-подсистемы диагностирования арматуры КС внедрены на ВИКС ЦЭ 14-ти ж.д. РФ, а цифровые УФ-подсистемы диагностирования изоляции КС внедрены на 3-х ВИКС ЦЭ: Горьковской, Красноярской и ВосточноСибирской ж.д. Мобильная система диагностики арматуры и изоляции КС в составе ИК и УФ подсистем внедрена на ВИКС республики Беларусь.

11. Оценка годового экономического эффекта от применения мобильных ИК и УФ подсистем на базе ВИКС, связанного с изменением технологии обслуживания КС (без учета экономического эффекта от предотвращения аварий, связанных с пережогами КС и перекрытием изоляции) составляет 3 362 280 рублей, срок окупаемости системы около 1,5 лет.

12. Проведенные исследования и эксперименты показали, что технические решения, заложенные в систему мобильной диагностики арматуры и изоляции КС по ИК и УФ излучениям, достаточно универсальны и пригодны для построения мобильных диагностических систем других энергетических и электротехнических объектов: для проведения тепловизионного обследования оборудования, размещенного в тоннелях Петербургского метрополитена [94, 95, 96, 97, 98], исследования нагрева элементов коммутационного оборудования, разрабатываемого и выпускаемого ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО», входят в состав комплекта диагностической аппаратуры вагона-электротехнической лаборатории (ВЭТЛ) [101].

13. Наряду с совершенствованием отдельных подсистем ИК и УФ диагностирования, наиболее значимой перспективой развития данной системы представляется одновременное и совместное получение и обработка информации о состоянии арматуры и изоляции КС в ИК, УФ и видимом, т. е. оптическом диапазоне спектра. Использование обоих методов в комплексе, вместе с обоснованием и количественной оценкой комплексного диагностического критерия в перспективе позволит повысить достоверность контроля, расширить номенклатуру и увеличить глубину поиска дефектов арматуры и изоляции КС.