Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 9
1.1 Обзор литературы и электронной информации по теме диссертации 9
1.2 Анализ арматуры и изоляции КС как объектов диагностирования. Статистическая оценка отказов элементов КС 16
1.3 Оценка традиционных и перспективных методов и средств технического диагностирования элементов КС 22
1.4 Цель и задачи исследования 29
2 CLASS Физические и методические основы мобильных тепловизионных обследований К CLASS С 32
2.1 Анализ физических основ ИК-излучения, базовых теплотехнических и электротехнических уравнений, лежащих в основе ИК-диагностирования арматуры КС 32
2.2 Влияние нестационарности теплообмена на оценку технического состояния арматуры КС 36
2.3 Дифференцированный анализ влияния внешних и внутренних факторов на процесс диагностирования. Результаты стендовых испытаний по ИК-диагностированию арматуры КС, получение экспериментальных данных 45
2.3.1 Влияние внешних и внутренних факторов на ИК-диагностические параметры 46
2.3.2 Анализ результатов стендовых тепловизионных испытаний арматуры КС 49
2.3.3 Оценка возможности ИК-диагностирования обрыва внутренних жил несущего троса 54
2.4 Формирование диагностических параметров для оценки состояния арматуры КС. Основные положения методики ИК-диагностирования арматуры КС 63
3 Принципы функционирования и методические основы системы диагностирования изоляции КС по УФ-излучению 79
3.1 Физические основы и основные уравнения УФ-излучения применительно к изоляции КС 79
3.2 Оценка влияния внешних условий на интенсивность УФ-излучения изоляции КС. Стендовые испытания гирлянд изоляторов, получение экспериментальных данных 86
3.3 Построение математической модели УФ-диагностирования. Критерии дефектировки гирлянд изоляторов. Основы методики диагностирования 95
4 Аппаратно-программные средства цифровой диагностической системы 107
4.1 Аппаратные средства мобильной системы диагностики арматуры и изоляции КС по ИК и УФ излучениям 107
4.2 Требования к программному обеспечению системы и коммуникациям 113
4.3 Пакет программ ИК-диагностирования элементов КС. Модули обработки первичной (измерительной) и вторичной (в автоматическом режиме) собственно диагностической информации 117
4.3.1 Модули обработки первичной (измерительной) информации 117
4.3.2 Модули обработки вторичной (собственно диагностической) информации 119
4.4 Идентификация технического состояния изоляции КС с использованием метода геометрической вероятности 127
4.5 Аппаратные и программные компоненты автоматической привязки ИК и УФ диагностической информации к электронному паспорту железнодорожного пути 133
5. Результаты эксплуатационных испытаний системы диагностирования арматуры и изоляции КС по ИК и УФ излучениям на базе ВРЖС Свердловской и Горьковской железных дорог 139
5.1 Компоновка аппаратных и вычислительных средств системы ИК и УФ диагностирования на ВИКС ЦЭ 139
5.2 Результаты испытаний ИК-диагностической системы и обследования арматуры КС Свердловской железной дороги 141
5.3 Результаты испытаний системы диагностирования изоляторов по УФ излучению на Горьковской железной дороге 153
5.4 Оценка достоверности и технико-экономической эффективности мобильной диагностической системы на базе ВИКС ЦЭ 163
5.4.1 Тепловизионная система диагностирования арматуры КС 163
5.4.2 УФ-система диагностирования изоляторов КС 168
5.4.3 Оценка технико-экономической эффективности системы диагностирования арматуры и изоляции КС 170
Заключение 176
Список использованных источников 181
Приложения
- Анализ арматуры и изоляции КС как объектов диагностирования. Статистическая оценка отказов элементов КС
- Влияние нестационарности теплообмена на оценку технического состояния арматуры КС
- Оценка влияния внешних условий на интенсивность УФ-излучения изоляции КС. Стендовые испытания гирлянд изоляторов, получение экспериментальных данных
- Требования к программному обеспечению системы и коммуникациям
Введение к работе
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 DayCorll, 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.
В первой главе проведен обзор литературы и электронной информации по теме диссертации. По материалам печати и электронной информации рассмотрены традиционные и перспективные методы и средства технического диагностирования арматуры и изоляции КС. На основе публикаций и опыта эксплуатации рассмотрена статистика отказов элементов КС, выполнен анализ арматуры и изоляторов КС как объектов диагностирования, сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе выполнен анализ физических основ ИК-излучения, базовых теплотехнических и электротехнических уравнений, лежащих в основе ИК-диагностирования арматуры КС. Проанализировано влияние внешних и внутренних факторов на процесс РЖ-диагностирования. На основе проведенного анализа и построения модели арматуры КС как объекта тепловизионной диагностики, а также результатов стендовых испытаний и полученных экспериментальных данных, сформированы диагностические параметры и представлены основы методики диагностирования арматуры КС по ИК-из лучению.
В третьей главе рассмотрены основные принципы УФ-излучения применительно к изоляции КС, проанализировано влияние изменения изоляционных характеристик материала изолятора и внешних условий на интенсивность УФ-излучения гирлянд фарфоровых изоляторов. На основе проведенного анализа и построения модели гирлянды изоляторов КС как объекта УФ-диагностики, результатов стендовых испытаний, сформулированы критерии и основы методики диагностирования изоляции КС по УФ-излучению.
В четвертой главе рассмотрены вопросы формирования аппаратных средств мобильной системы диагностики арматуры и изоляции КС по ИК и УФ излучениям, сформулированы требования к программному обеспечению системы и коммуникациям. Описаны алгоритмы и пакеты программ ИК-диагностирования элементов КС и УФ-диагностирования изоляции КС, рассмотрены аппаратные и программные компоненты автоматической привязки диагностической информации к электронному паспорту железнодорожного пути.
В пятой главе представлена компоновка аппаратных и вычислительных средств системы ИК и УФ-диагностирования на ВИКС ЦЭ. Приведены результаты испытаний ИК-диагностической системы и обследования арматуры КС на Свердловской железной дороге, результаты испытаний головного образца системы диагностирования изоляторов по УФ-излучению
на Горьковской железной дороге. Проведена оценка достоверности и технико-экономической эффективности мобильной диагностической системы на базе ВИКС ЦЭ.
В заключении содержатся выводы, отражающие основные результаты выполненного исследования, и рекомендации для эффективного применения системы по осуществлению мобильной диагностики арматуры и изоляции КС.
Настоящее исследование является дальнейшим развитием работ таких ученых и специалистов, как Перетокин Б.П., Мрыхин С.Д., Мрыхин Д.С., Petrausch D., Бурков А.Т., Плакс А.В., Бажанов С.А., Герасимов В.П., Плотников Ю.И., Завидей В.И., Мизинцев А.В.
Общий объем работы составляет 192 страницы, из них страниц машинописного текста 150, рисунков 27, таблиц 5, приложений 9 на 38 страницах. Список использованных источников состоит из 104 наименований.
Анализ арматуры и изоляции КС как объектов диагностирования. Статистическая оценка отказов элементов КС
На КС электрифицированных железных дорог применяется большое количество разнообразной арматуры, обеспечивающей механическое и электрическое соединение как самих проводов, так и электрическое соединение между различными проводами КС (продольные, поперечные и обходные соединители), а также изоляторов, с помощью которых реализуется электрическая схема КС.
Зажим рессорноготроса и косойструнысоединительный. Крепление медных сечением 25-35 мм и сталемедных проводов диаметром 6 ммрессорных тросов к несущему тросусечением 70-120 мм , а также креплениемедных сечением 25-35 мм и сталемедныхпроводов диаметром 4 и 6 мм косых струн кунесущему тросу сечением 70-120 мм . 049-1 Зажим фиксирующий. Фиксация контактного провода. 056 Зажим стыковой болтовой для несущего троса. Стыкование медных и сталемедных несущих тросов сечением 95-120 мм . 053 Зажим питающий. Соединения медных проводовэлектрических соединителей сечением 70-120 мм2 с контактным проводом. 064 Зажим питающий. Соединения алюминиевых и сталеалюминиевых проводов сечением 150-185 мм2. 051 Зажим средней анкеровки. Крепление троса средней анкеровки сечением 70 мм2 к контактному проводу. 059-3 Зажим стыковой контактного провода. Стыкование контактных проводов сечением 85-100 мм2. 059-6 Зажим стыковой контактного провода. Стыкование контактных проводов сечением 100-120 мм2. 054 Зажим соединительный. Соединение многопроволочных медных исталемедных проводов сечением 50-70 мм2 и70-95 мм2. 055-1 Зажим соединительный. Соединение многопроволочных медных и сталемедных проводов сечением 70-120 мм2. 069(типПАМ) Зажим переходной Соединение медных и сталемедныхпроводов сечением 70-120 мм2 салюминиевыми и сталеалюминиевымипроводами сечением 150-185 мм2. таблице, для соединения несущего троса и проводов воздушных линий используется соединение проводов с помощью клинового зажима, соединение проводов трубчатыми соединителями (обжатием), соединение бандажом, а также соединение многопроволочных проводов сваркой взрывом.
Изоляторы, используемые на КС электрифицированных железных дорог, по конструктивному исполнению разделяются на тарельчатые и стержневые, а по функциональному назначению - на подвесные, анкерные, фиксаторные, секционные и консольные [58, 59]. Виды изоляторов КС, находящиеся в настоящее время в эксплуатации, приведены в таблице 1.2.
Изоляторы типа НСФ70-25/0,95 предназначены для изоляции поперечных несущих, верхних и нижних фиксирующих тросов жестких и гибких поперечин КС переменного тока напряжением 25 кВ.
Изоляторы ПСФ70-3/0,5-06 - для изоляции и крепления нижних фиксирующих тросов, жестких и гибких поперечин (кроме изоляторов у опор) КС постоянного тока напряжением 3 кВ; КСФ70-25/0,95 - для изоляции подкосов и консолей КС переменного тока напряжением 25 кВ; ФСФ70-3,0/0,5, ПСФ70-3,0/0.5-01 - для изоляции и крепления основных стержней фиксаторов КС постоянного тока напряжением 3 кВ; ПСФ70-3/0,5-05 - для изоляции и подвески питающих, усиливающих, отсасывающих линий и несущих тросов КС постоянного тока напряжением 3 кВ. Полимерные стержневые изоляторы используются в качестве натяжных, фиксаторных, консольных изоляторов, а также как элемент изолирующий. Изоляторы ЭСФт70-25/1,0 применяются для секционирования КС переменного тока напряжением 25 кВ; изоляторы КСК120-6-3/0,6 — для изоляции подкосов и консолей КС постоянного тока напряжением 3 кВ; изоляторы ФСК 120-3/0,6 -для изоляции и крепления основных стержней фиксаторов КС постоянного тока напряжением 3 кВ.
Элемент изолирующий. и монтажа, стойкостью к температурным, механическим, химическим и другим внешним воздействиям. Нормативными документами ОАО «РЖД» [60] в качестве объектов диагностирования рассматриваются все зажимы, установленные на электрических соединителях (детали К-053, К-054, К-055, К-057, К-064, К-069), места электрического стыкования проводов (все типы овальных трубчатых соединителей и места сварки многопроволочных проводов, деталь стыкования контактных проводов К-059 или К-321). Не подвергаются диагностированию места соединений проводов термитной или аргонно-дуговой сваркой, а также соединения многопроволочных проводов, концы которых соединены в виде петли термитной сваркой, сваркой взрывом или соединительным зажимом, и образуют шунт стыковому соединению.
Изоляторы являются одним из ответственных элементов КС. Повреждение изоляторов может приводить к снятию напряжения с участка КС и прекращению подачи электрической энергии. Как и для арматуры КС, надежность изоляторов определяется качеством их изготовления, стойкостью к температурным, механическим, химическим воздействиям используемого изоляционного материала, а также к загрязнению поверхности изоляторов. В виду важности этого элемента КС в качестве объектов диагностирования следует рассматривать все виды изоляторов, а также изоляционные конструкции, выполненные на их основе (гирлянды изоляторов).
Несмотря на то, что по отдельности каждый конкретный соединительный зажим или изолятор являются достаточно надежным элементом, большое общее количество этих элементов на железных дорогах (десятки и сотни тысяч), многолетний срок службы, жесткие условия эксплуатации неизбежно приводят к отказам КС по причине выхода их из строя. Распределение нарушений технического состояния КС (число отказов) по данным Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» представлено на диаграмме (рис. 1.1). Усредненные данные по отказам КС в год, приведенные к 100 км пути [33], представлены в табл. 1.3.
Влияние нестационарности теплообмена на оценку технического состояния арматуры КС
В процессе эксплуатации КС нагревание проводов и соединительной арматуры происходит только при прохождении по данному участку КС электроподвижного состава (ЭПС). После прохода ЭПС провода и соединительная арматура охлаждаются. Поскольку токовые нагрузки на КС имеют ярко выраженный неравномерный характер, температурное поле при нагревании и охлаждении соединительной арматуры КС будет нестационарным. По графикам можно найти значение 0W через определенный промежуток времени т, либо определить соответствующее время процесса, если задано необходимое значение &w. Уравнения (2.5, 2.8, 2.10) позволяют определять температуру на поверхности и внутри зажима при заданной токовой нагрузке, изменение температуры при нагревании и охлаждении зажима в функции времени, что необходимо для оценки качества электрического соединения. Основные типы соединительной арматуры КС представлены в табл.2.1. В табл.2.2 по данным [67] приведены физические характеристики материалов, используемых для изготовления соединительной арматуры КС. Уравнения (2.5, 2.8, 2.10) и данные таблиц 2.1, 2.2 позволяют получить необходимые соотношения для расчета нагрева соединительной арматуры КС. Результаты расчетов для основных типов арматуры КС (при условии постоянства температуры окружающей среды t/, значении протекающего тока 1=100А, значении сопротивления контакта соединительного зажима 11Конт=100мкОм, соответствующего неисправному состоянию зажима) представлены в табл.2.3.
Расчеты показывают, что величина нагрева поверхности различных типов соединительных зажимов (tw — tj) при условии одинаковой токовой нагрузки, одинаковом состоянии зажимов (/ = item, RKOIim = item), одинаковых внешних условиях (аэ = item), а также динамика изменения температуры поверхности зажимов в процессе их нагревания и охлаждения определяются в основном теплофизическими характеристиками используемого материала. Нагрев соединительных зажимов, выполненных из бронзы и латуни (зажимы 053, 054, 059) почти в два раза превышает нагрев зажимов из алю миниевых сплавов (зажимы 064, 069).
Полученные значения параметров Bi (число Био) и Fo (число Фурье) позволяют использовать упрощенное выражение для определения функции 6w(x, т)/дш=0 (2.12). При выполнения условия Ві— 0 (практически при Ві 0,1) и при F0 0,3 (в соответствии с данными табл.2.3 это условие выполняется для т 3 с) температура на поверхности зажима мало отличается от температуры внутри t0 и изменение температуры во времени описывается уравнением [67]: ew(z)/ewT==0 = ехр(- аэт/рсд). (2.13)
Для количественной оценки скорости изменения температуры поверхности зажимов КС воспользуемся соотношением (2.14) и зададимся значениями параметра аэ равными 69 и 101, что отвечает значениям коэффициента к-30 и скорости ветра v-4 м/с и 20 м/с соответственно.
Графики функции 6W(T)/OWT=-O = ехр(- аэт/рсд), рассчитанные для заданных условий и для случая прекращения токовой нагрузки на контактное соединение (режим охлаждения зажима) представлены на рис.2.3 а, б.
Анализ графиков позволяет оценить время т для значений функции 0w(r)/ewT=o, равных 0,75 (rft7j) 0,5 {r0J) и 0,25 (т ) для основных типов соединительной арматуры КС. Соответствующие значения времени т для скорости ветра v=4 м/с и 20 м/с приведены в табл. 2.4. Данные табл. 2.4 показывают, что если разность температур поверхности соединительного зажима и окружающего воздуха составляла, например, 20С, то в случае прекращения токовой нагрузки на соединение она будет уменьшаться и составит величину 15С для зажима из алюминиевого сплава 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. До 10С разность температур для указанных зажимов уменьшится приблизительно через 11 (7,4), 8 (5,3) и 7 (5) минут соответственно, а до 5С через 21,8 (14,7), 15,4 (10,5) и 14,5 (9,9) минуты. В скобках указаны значения времени т для скорости ветра 20 м/с.
Указанные обстоятельства необходимо учитывать при построении диагностической модели соединительной арматуры КС, определении критериев и, особенно, методики ее дефектировки. В том случае, когда диагностика арматуры КС будет выполняться без согласования по времени с токовой нагрузкой на контактные соединения, ее результаты не смогут отразить их реального состояния.
Анализ графиков рис.2.3 и данных табл.2.4 показывает также, что при нагреве зажимов до одинаковой температуры вероятность обнаружения с помощью тепловизионной диагностики дефектной арматуры КС, выполненной из алюминиевого сплава выше, чем вероятность обнаружения арматуры, выполненной из бронзы и латуни.
В реальных условиях эксплуатации проведение мобильной- диагностики арматуры КС по ИК-излучению является сложной технической задачей в силу неполноты исходных данных и значительного влияния внешних и внутренних факторов на процесс диагностирования.
Как было показано выше, для однозначного определения состояния арматуры КС и оценки качества электрического соединения необходимо знание величины и продолжительности токовой нагрузки на соединение, типа соединительного зажима, внешних условий, определяющих конвективный теплообмен (температуры воздуха, скорости ветра). При этом для определения температуры поверхности зажима по ИК-излучению необходимо знать степень черноты поверхности зажима, а при регистрации ИК-излучения устройство измерения (тепловизор) должно располагаться перпендикулярно боковой поверхности зажима и на расстоянии, обеспечивающем необходимое оптическое разрешение ИК камеры.
В реальных условиях эксплуатации при установке измерительной системы на мобильном носителе (ВИКС) параметры, необходимые для определения температуры поверхности арматуры и проводов КС либо неизвестны, либо известны только приблизительно.
Величина тока, протекающего через конкретный электрический соединитель КС, зависит от типа соединения (продольное, поперечное, разветвление), его местоположения на участке между питающими подстанциями (рядом с ближней или дальней по ходу движения ВИКС питающей подстанцией, в середине зоны), типа используемых струн (проводящие или изолированные), а также скорости движения ЭПС по данному участку КС.
Оценка влияния внешних условий на интенсивность УФ-излучения изоляции КС. Стендовые испытания гирлянд изоляторов, получение экспериментальных данных
Физические процессы образования и развития разрядов в газах (в воздухе в том числе) в значительной степени зависят от давления, температуры и влажности. Как показали исследования [79], напряжение зажигания в атмосферном воздухе тем ниже, чем выше его температура, ниже давление и выше влажность. Для реальных условий эксплуатации фарфоровых изоляторов КС напряжение зажигания соответствует напряженности электрического поля, составляющей, в среднем, 24-30 кВ/см [79]. На рис.3.4 представлены графики изменения относительной величины пробивного напряжения атмосферного воздуха в зависимости от отклонения значений его температуры Тв и давления Рв от нормальных значений (+20С и 760 мм.рт.ст). Из графика (рис.3.4 а) следует, что при увеличении Тв от -20С до +40С, пробивное напряжение воздуха уменьшается практически на 20-22%.
Особое влияние на возникновение ПЧР оказывает влажность атмосферного воздуха при приближении его состояния к «точке росы» (относительная влажность 100% с выпадением капель воды на поверхность изолятора). Это приводит к резкому повышению удельной поверхностной проводимости изолятора и формированию множества пар катод-анод, особенно на дефектных поверхностях изолятора.
Для нормальных условий (Тв= +20С, относительная влажность 60%) массовое содержание влаги в 1 кг (1 мЗ) воздуха в соответствии с I-d диаграммой влажного воздуха составляет 9-11 грамм. При охлаждении воздуха (например, ночью) до температуры точки росы в этом состоянии ТРосы= +ПС и повторном нагревании (днем) до Гв=+20С, с 1 мЗ воздуха выпадет примерно 4 - 6 г влаги. При температуре воздуха 7V=+35C и относительной влажности 90% массовое влагосодержание составляет 33 грамма в 1 мЗ воздуха. При охлаждении воздуха до +11С и повторном нагревании до +35С, с 1 мЗ выделится примерно 26 г влаги, т.е. в 4 - 6 раз больше, чем для нормальных условий. При этом, естественно, увеличатся удельная поверхностная проводимость изолятора и интенсивность ПЧР. Это подтверждает и опыт эксплуатации изоляторов КС в южных широтах (Северо-Кавказская ж.д.) с высокими влажностью и температурой воздуха. Интенсивность отказов изоляторов в этих условиях существенно выше, чем для средних широт.
Для определения условий возникновения ПЧР на гирляндах изоляторов КС, оценки чувствительности УФ-камеры к ПЧР, количественной оценки влияния внешних факторов на интенсивность УФ-излучения изоляторов, а также выявления возможного критерия дефектности изоляторов при наблюдении за их УФ-излучением, в феврале - марте 2006 года на высоковольтном стенде испытательного центра ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» были проведены испытания гирлянд изоляторов, переданных с участка Костариха — Починки Горьковской ж. д. Испытания гирлянд изоляторов проводились при номинальном (27,5 кВ) и повышенном (50 кВ) напряжении переменного тока промышленной частоты. Влияние внешних факторов на интенсивность УФ-излучения ПЧР исследовалось при воздействии на гирлянду изоляторов температуры, влажности, поверхностных загрязнений, которые имитировались в соответствии с ГОСТ 10390-86 [80]. Во время испытаний совместно с УФ-методом диагностики изоляторов КС была проведена оценка чувствительности тепловизионного и ультразвукового методов, путем наблюдения гирлянд изоляторов с помощью ИК-камеры ТН7102 и УЗ-локатора Ultraprobe 2000LRM.
Последнее можно объяснить тем, что в результате перераспределения напряжений в гирлянде между изоляторами, на изолятор с высоким сопротивлением приходится большее падение напряжения. В результате этого напряженность электрического поля на нем может превышать критическое значение 24-30 кВ/см, что и вызывает появление ПЧР или короны.
Следует отметить, что по полученным тепловизионным изображениям наличие дефектных изоляторов в гирлянде можно было определить только для отдельной части исследованных гирлянд, а по показаниям УЗ-локатора на напряжении 27,5 кВ уверенные акустические сигналы были зарегистрированы лишь для одной гирлянды.
Влияние внешних факторов на интенсивность УФ-излучения изоляторов оценивалось по гирлянде №18. На рис.3.12 показаны ПЧР на изоляторах гирлянды при различных значениях температуры. Исходная температура гирлянды составляла +10С. С помощью тепловой пушки температура воздуха последовательно поднималась до +30 и +38С. Площадь ПЧР на нижнем изоляторе заметно увеличилась (рис.3.12 б, в). Это подтверждает то, что с ростом температуры воздуха его пробивное напряжение уменьшается (рис.3.1). Необходимо отметить, что в стационарных условиях съемка производилась в режиме накопления LI1S.
На рис.3.13 представлена обобщенная диаграмма, показывающая влияние температуры воздуха на условную интенсивность УФ-излучения. За эту величину принималось отношение площади ПЧР на нижнем изоляторе. За единичное значение была принята площадь ПЧР при Т= +10С. При увеличении температуры воздуха до +30 и +38С, условная интенсивность УФ-излучения увеличилась в 3,5 и 4,5 раза соответственно.
Требования к программному обеспечению системы и коммуникациям
Комплекс программ мобильной системы диагностики арматуры и изоляции КС по ИК и УФ излучениям должен обеспечивать решение следующих задач: - управление аппаратными модулями системы; - запись в режиме реального времени в память системы измерительной информации, поступающей от ИК и УФ камер и данных по привязке к участкам и опорам КС, поступающих от ИВК ВИКС ЦЭ (первичная обработка); - обработку измерительной информации по алгоритмам, реализующим методики диагностирования (вторичная обработка), и получение собственно диагностической информации; - представление результатов диагностирования пользователю системы; - тестирование компонентов системы.
Программы управления аппаратными модулями системы (специальные драйверы) должны обеспечивать информационное подключение ИК и УФ камер к персональным компьютерам соответствующих систем, установку режимов их работы в зависимости от конкретных условий диагностирования, а также вывод текущей измерительной информации на монитор системы в виде, удобном для восприятия пользователем.
Программы записи в режиме реального времени в память системы измерительной информации и данных по привязке к участкам и опорам КС должны формировать последовательности файлов данных, удобных для дальнейшей обработки и занимающих минимальный объем (программы первичной обработки). Данные программы должны быть устойчивыми к случайным сбоям аппаратуры или некорректным действиям пользователя диагностической системы, поскольку потеря измерительной информации или данных по привязке сводит к нулю все усилия по организации и проведению инспекционной поездки.
Программы вторичной обработки информации значительно сложней и объемней программ первичной обработки. Именно с их помощью должны быть автоматизированы методики, по которым производится оценка состояния арматуры и изоляции КС.
Комплекс программ вторичной обработки должен обеспечивать: - статистическую обработку ИК и УФ изображений с использованием робастифицированного метода на скользящем окне, с оценкой достоверности измерительной информации; - реализацию решающих правил по определению дефектных элементов КС в соответствии с методиками диагностирования и принятыми диагностическими параметрами; автоматическое (без участия оператора) распознавание объекта диагностирования, определение дефектных элементов КС с привязкой к участку, километражу и опоре КС; - удобное извлечение диагностической информации (изображений дефектных элементов КС) из памяти компьютера и ее представление пользователю системы; - просмотр и обработку изображений дефектных элементов КС с многократным увеличением, масштабированием, выделением необходимых фрагментов и их редактированием; архивацию данных диагностических обследований, составление электронной документации и получение твердой копии диагностической информации в виде отчета; - передачу изображений дефектного оборудования и сопутствующей информации в виде электронных копий для экспертной и информационной поддержки персонала ВИКС.
Программа тестирования компонентов системы должна обеспечивать возможность проверки каналов связи компьютеров диагностической системы с ИВК ВИКС ЦЭ по СОМ-портам для уверенной передачи данных по привязке результатов диагностики к участкам и опорам КС и быстрого определения причины отказа в случае их отсутствия.
Программное обеспечение диагностической системы должно работать в операционной среде Windows NT, Windows 2000 или Windows ХР Professional компании Microsoft и использовать удобные графические диалоговые модели, обеспечивающие пользователю максимальный сервис и простоту работы.
Программное обеспечение ИК и УФ систем, является наиболее сложной и емкой с точки зрения интеллектуальных затрат частью диагностической системы. В процессе разработки системы было создано несколько пакетов программ, которые базировались на существующем на момент разработки уровне развития вычислительной техники и корректировались по результатам эксплуатации [83]. Следует отметить, что версия программного обеспечения, в наибольшей степени учитывающая все выявленные особенности работы диагностической системы, может быть разработана только после достаточно продолжительного периода ее эксплуатации, а прогресс средств вычислительной техники предоставляет возможности для его непрерывного совершенствования.
В состав пакета программ ИК-диагностирования арматуры КС входят программы ТН1394, RailwayLink (первая версия ThermGo), SvtTest (первая версия SvtView), SvtAnalyser, вспомогательные программы Calibrate и OutPort.
Тепловизионное обследование контактной сети выполняется программой ТН1394, которая входит в состав программного обеспечения, системы ИК-диагностирования. В ней осуществляются требуемые настройки ИК-камеры и запускается процесс записи данных. Программа ТН1394 запускается автоматически после установления связи компьютера ИК-системы с ИВК ВИКС ЦЭ, которая обеспечивается программой привязки RailwayLink.
На рис.4.4 представлен вид панели управления системой. Практически все кнопки — функции программы аналогичны соответствующим функциям, указанным в руководстве по эксплуатации ИК-камеры ТН7102 [84].
