УФ-обследование изоляции железных дорог: опыт применения камеры CoroCAM 6

Рассматриваются вопросы методического и аппаратного повышения эффективности УФ диагностики изоляции в процессе пеших обходов электрифицированных линий ОАО «РЖД». Приводятся результаты стендовых и эксплуатационных испытаний, рассматриваются основные направления по использованию портативной УФ камеры CoroCAM 6 фирмы UVIRCO (ЮАР) последнего поколения.

Опыт эксплуатации мобильных систем ультрафиолетовой (УФ) диагностики изоляции контактной сети (КС) на базе вагона-лаборатории испытаний КС (ВИКС) показывает, что существенная часть изоляции объективно не попадает в поле зрения мобильной УФ системы [1]. Это изоляторы КС подъездных путей, железнодорожных станций, трансформаторных и тяговых подстанций (ТП), воздушных линий (ВЛ) электропередачи и др. Кроме того, при работе с ВИКС нельзя обследовать изоляцию со всех сторон, также работа камеры невозможна в режиме максимальной чувствительности (накопления и усиления сигнала) из-за появления эффекта «смазывания» УФ изображений. Поэтому уместно устранить эти недостатки путём дополнительного проведения пеших обходов и осмотров изоляции КС, которая объективно не попала в поле зрения мобильной УФ системы, установленной на ВИКС. Опытное обследование изоляции с помощью УФ камер, эпизодически и временно снимаемых с ВИКС показало достаточно высокую результативность обнаружения дефектов при пеших обходах. Это ТРАДИЦИОННЫЙ, используемый во всем мире, подход, когда пропуски дефектов высокопроизводительного и оперативного способа обследований устраняются дополнительными (точечными) проверками, проводимыми в ходе пеших осмотров. Портативная двухспектральная УФ камера CoroCAM 6, которая сертифицирована в РФ и успешно испытана на Горьковской железной дороге, может быть использована для решения таких задач.

ПО статистике данных дорожной электротехнической лаборатории (ДЭЛ) Горьковской дороги методом УФ диагностики было выявлено 216 и 129 дефектных гирлянд изоляторов в 2007 и 2008 г., соответственно. Из рис. 1 видно, что после ввода в эксплуатацию средств УФ диагностики ВИКС в 2005 г. доля отказов изоляторов существенно снизилась, но продолжает оставаться высокой.

Число изоляторов, не наблюдаемых на базе ВИКС, достаточно велико, и эффективно обследовать их с помощью одной-двух снятых с ВИКС УФ камер в масштабах службы электрификации «Э» железной дороги проблематично. Возникают сложности с организацией передачи камер в электрическую часть (ЭЧ) и их оперативным возвратом в ВИКС, отсутствует методика пеших обследований изоляции. Поэтому необходимо увеличить объёмы исследований «методом обхода» и количество штатных камер для данных нужд. О необходимости повышения эффективности УФ обследований изоляции и дополнительной закупке УФ камер для проведения диагностики путём пеших обходов отмечено в решениях Департамента (протокол № ЦЭт – 16/39 от 21.11.2008).

В настоящее время на рынке переносных диагностических приборов появилась серийная портативная двухспектральная УФ камера CoroCAM 6 производства фирмы UViRCO (ЮАР) последнего поколения. Камера имеет вес менее 1,8 кг (включая встроенный аккумулятор), габариты 220×160×80 мм, пригодна для использования в условиях дневного света, дождя, тумана, сильных электромагнитных полей. Позволяет производить достоверные и оперативные УФ обследования высоковольтной изоляции под напряжением от 6 кВ и выше, имеет встроенный цифровой регистратор видео, УФ и аудио информации, как в виде стоп-кадров, так и видеороликов. Встроенный спутниковый GPS-навигатор позволяет производить наглядную привязку к местности участка КС с обнаруженной дефектной изоляцией. Оперативность и простоту восприятия информации обеспечивают цветной 14 см дисплей и лазерный целеуказатель. По сравнению с CoroCAM 6 большинство моделей других производителей имеют меньшую чувсствительность. Важнейшее преимущество CoroCAM 6 – наличие опции режима накопления (усиления и осреднения) сигнала за счёт его суммирования по кадрам УФ съёмки. При этом визуализированный УФ сигнал от короны на дефектном изоляторе, отображаемый на экране дисплея, многократно увеличивается и появляется возможность обнаружения только зарождающихся дефектов с последующим прогнозированием их развития и технического состояния изоляции. Внешний вид камеры CoroCAM 6 при обследовании изоляции КС представлен на рис. 2.

Важнейшей характеристикой, определяющей способность электронно-оптического дефектоскопа выявлять дефекты изоляции при соответствующем классе напряжения, является его чувствительность к УФ излучению. Как правило, производители УФ камер детально оценивают нижний порог чувствительности только для головных образцов. Так, например, в лаборатории компании RWE EUROTEST (Германия) используется специальный высоковольтный стенд, где формируется искусственный кажущийся электрический заряд между металлическим шаром, заполненный элегазом, и электродом. Появление короны на электроде с определённого расстояния фиксируется УФ камерой. Заряд оценивается количественно по соответствующему уровню сопутствующих радиопомех, которые фиксируются специальным измерителем.

Как показывает практика, оценку чувствительности необходимо производить не только для головных образцов, но и для всех камер заводской серии. Это связано с тем, что электронно-оптические преобразователи камер имеют существенный разброс по уровню чувствительности, присутствуют внутренние шумы преобразователя (которые зачастую сопоставимы с полезным сигналом), часть элементов преобразователя с зарядовой связью (ПЗС) матрицы могут выдавать ложный сигнал при выборе высокой чувствительностью УФ канала. С другой стороны, в процессе эксплуатации камер, особенно в сложных условиях, под воздействием вибрации ВИКС, сильного электромагнитного излучения от КС и других внешних факторов, может произойти механическое рассогласование плоскостей УФ детектора с фокальной плоскостью камеры, изменение электронных настроек, юстировка электроприводов и т. п. Об этом говорит и опыт использования УФ камер с ВИКС. За последние шесть лет было выявлено 6 дефектов, требующих заводского ремонта трёх камер [2]. Поэтому, при регистрации УФ камер в агентстве по техническому урегулированию и метрологии РФ, выдвигаются требования по ежегодной метрологической поверке. Создание и использование для этого специального высоковольтного стенда связано с существенными финансовыми затратами и сложностями организационно-технического характера.

В 2005 г. в метрологической лаборатории ВНИИМ им. Д. И. Менделеева (Санкт-Петербург) была разработана временная методика калибровки УФ камер. Однако в силу перечисленных выше сложностей, она предусматривала только проверку величины геометрического рассогласования изображений (контрольной ртутной лампы) в видео и УФ каналах (1,5−2 см на расстоянии 50 м). По своему содержанию, методика поверки не отвечала целевому назначению, принципу действия и самой физической сущности УФ камеры.

В 2010 г. фирмой UViRCO Technologies был разработан способ метрологической поверки УФ камеры, не требующий сложного, громоздкого и дорогостоящего высоковольтного оборудования. Способ позволяет объективно, оперативно и с высокой точностью оценить чувствительность дефектоскопа к УФ излучению. В основе способа лежит классическое уравнение Планка, определяющее количество излучаемой электромагнитной энергии в единицу времени с единицы поверхности абсолютно черного тела (АЧТ) для данной температуры и длины волны. Под АЧТ понимается поверхность, излучающая и поглощающая энергию электромагнитных волн длиной от 0 до бесконечности. Совместное уравнение Планка и Бугера-Бэра имеет вид [3]:

где E0 — спектральная энергетическая плотность излучения; T — абсолютная температура поверхности, λ - длина волны; S — площадь поверхности излучения АЧТ, L — расстояние от АЧТ до поверяемой УФ камеры.

Анализ уравнения в развёрнутом виде показывает [3], что для дальнего УФ диапазона длин волн UVc (100 — 280 нм) внутри которого работают двухспектральные камеры, с ростом длины волны λ, абсолютной температуры T и площади излучения S, энергия излучения АЧТ увеличивается. Одновременно с этим энергия излучения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния L от УФ камеры до объекта излучения. Конкретная функциональная зависимость f в приведённом уравнении имеет сложный дробно-экспоненциальный характер. На практике для удобства пользуются табулированными (предварительно рассчитанными) значениями E0 как функции от температуры t°C для фиксированного спектрального диапазона. Фрагмент такой таблицы для температуры АЧТ от 930 до 1250 °C и диапазона длин волн от 100 до 280 nm представлен в первом и втором столбцах табл. 1. Отсюда видно, что если постепенно нагревать АЧТ, то можно зафиксировать минимальное значение температуры, при которой УФ камера начнёт реагировать на излучение. Соответствующее значение E0 для данной температуры и будет нижним порогом, определяющим максимальную чувствительность УФ камеры.

В апреле 2011 г., используя изложенную методику, специалист ООО «Панатест» (Москва), официального и эксклюзивного дистрибьютора в РФ камер типа CoroCAM, провёл стендовые метрологические испытания для уточнения чувствительности камеры CoroCAM 6.

В качестве модели АЧТ использовался эталонный источник излучения Black Body Calibration Source Micron M330 EU. Источник («чёрное тело» — ЧТ) имел апертуру излучателя диаметром 25 мм, с возможностью плавного повышения температуры с высокой точностью и пропорциональным увеличением интенсивности излучения, с верхним пределом температуры нагрева — 1700 °C. Испытуемая камера устанавливалась на расстоянии 2 м от источника излучения. Для снижения внешних УФ помех, измерения проводились рано утром до восхода солнца в помещении с закрытыми жалюзями на окнах и при выключенном освещении. Внешний вид стенда для измерения чувствительности УФ камер представлен на рис. 3.

Методика испытаний камеры сводилась к следующему. Прибор ММ330 выводился на режим нагрева 850 °C. После 1,5 часовой стабилизации температуры оценивались внешние УФ шумы излучателя при закрытой крышке предварительно включенной камеры. При закрытой крышке объектива по показаниям встроенного счётчика УФ импульсов оценивались внутренние шумы камеры. При снятых крышках излучателя и объектива камеры и температуре t = 850 °C, усреднённые показания счётчика составили N=0,0 имп./c. Далее температура ЧТ изменялась ступенчато от 850 до 1250 °C с выдержкой не менее 5 мин на каждой ступени. Соответствующие показания счётчика усреднялись и записывались в третий столбец табл. 1. Всего в ходе испытаний оценивалось шесть реперных точек. По данным таблицы построена калибровочная зависимость, представленная на (рис. 4, а). В левом верхнем углу графика, для наглядности, представлен его фрагмент в увеличенном масштабе для Е от 0 до 0,0012×10−13 Вт/см2 и N от 0 до 25 имп./с.

Минимальный сигнал, зафиксированный камерой CoroCAM 6, сер. № 6D00001, при температуре 940 °C имеет среднее значение УФ импульсов N=2,5 (от 1 до 5 при мгновенных отсчётах), что в итоге позволяет фиксировать камерой минимальное излучение E0=1,91 Е•10−18 Вт/см2, при заявленной фирмой производителем UViRCO, минимальной чувствительности CoroCAM 6 E0=2,05 Е•10−18 Вт/см2. Серийная модель CoroCAM 6, по сравнению с её действующим макетом 2010 г., имеет более совершенный оптический канал с улучшенной оптикой. Для сравнения на рис. 4, б представлен график калибровочной кривой для портативной УФ камеры пр-ва Израиль, сер. № U08128003. Проведённые стендовые испытания по изложенной методике показали, что камера зафиксировала начальный сигнал лишь в районе температуры ЧТ 1100 °C. Это соответствует её минимальной чувствительности E0=3,04 Е•10−16 Вт/см2, что на 2 порядка хуже, чем у CoroCAM 6 (см. табл. 1 и график на рис. 4а). Вместе с тем, израильской фирмой, производящей УФ камеры официально декларируется минимальная чувствительность камеры UVolle E0=3,0 Е•10−17 Вт/см2 [2], что отличается от фактических результатов испытаний на порядок. Ее тестирование показало, что с ростом температуры ЧТ от 1100 °C и выше, число соответствующих УФ импульсов счётчика камеры резко (порой скачкообразно) возрастало, а разброс показаний составил от 100 до 150% и выше (от ста до нескольких тысяч имп/с). Для CoroCAM 6, напротив, с увеличением мощности излучения, рост числа N происходит плавно, с дисперсией не более 15%.

В 2011 г. в Государственном центре испытаний средств измерений – ГЦИ СИ ФГУП ВНИИ оптико-физических измерений (Москва) утверждена и введена в действие методика поверки оптических дефектоскопов, в основе которой лежит изложенный выше способ калибровки с использованием модели ЧТ. CoroCAM 6 прошла метрологическую поверку и официально зарегистрирована в РФ как средство измерения (свидетельство № 43480 от 08.08.2011). Каждая камера типа CoroCAM 6 заводской серии, выпускаемая фирмой Uvirco Technologies (ЮАР), проходит аналогичное тестирование перед продажей. К пакету эксплуатационных документов прилагается соответствующий акт калибровки.

В 2011 г. в Государственном центре испытаний средств измерений – ГЦИ СИ ФГУП ВНИИ оптико-физических измерений (Москва) утверждена и введена в действие методика поверки оптических дефектоскопов, в основе которой лежит изложенный выше способ калибровки с использованием модели ЧТ. CoroCAM 6 прошла метрологическую поверку и официально зарегистрирована в РФ как средство измерения (свидетельство № 43480 от 08.08.2011). Каждая камера типа CoroCAM 6 заводской серии, выпускаемая фирмой Uvirco Technologies (ЮАР), проходит аналогичное тестирование перед продажей. К пакету эксплуатационных документов прилагается соответствующий акт калибровки.

В п. 5 дефектной ведомости представлены данные по дефектной изоляции линии 10 кВ (питание СЦБ, ТП Центр, опора ЛР43, ближе к ТП) - одиночный штыревой стеклянный изолятор ШС10. В районе верхней части шапки изолятора присутствует мощная УФ корона. На рис. 5а показано изображение изолятора при двукратном оптическом увеличении. Показание счётчика УФ импульсов N=2193 имп./с (представлено в левой нижней части рис. 5а), что соответствует 77640 имп./мин, и свидетельствует о значительном дефекте изоляции. В табл. 2 представлены данные по значению тангенса угла диэлектрических потерь изолятора ШС-10. При норме <2,0 фактическое значение составило 34,7%.

На рис. 5б показано изображение изолятора ШС10 только в видимом диапазоне. Наличие дефектов в части заделки вязальной проволоки при креплении провода к изолятору не обнаружено. После снятия и осмотра изолятора отмечено место потемнения, и окисления стекла изолятора, вследствие электрохимического воздействия УФ короны в районе его верхней части – шапки изолятора. Выявление дефектов стеклянного изолятора ШС10 на линии 10 кВ произошло впервые за 8 лет применения УФ диагностики на сети ОАО «РЖД».

В последнем, п.6 ведомости, представлены данные по изоляции ВЛ 110 кВ – район Ждановской ПС, ст. Муром, опора ЛЭП, гирлянда из 7 подвесных изоляторов ПФ70, фарфор. Наблюдается сильная корона со стороны стержня первого снизу изолятора (N = 5220 имп./мин). В связи с организационно-техническими сложностями, данная изоляция контрольным электрическим испытаниям не подвергалась.

Представленные в табл. 2, все пять дефектных гирлянд изоляторов (кроме ВЛ 110 кВ) были заменены на новые, в соответствии с протоколами электрических испытаний.

Камера CoroCAM 6 имеет встроенный спутниковый GPS-навигатор, позволяющий с точностью до 3-4 м определить местоположение оператора и соответствующий район нахождения опоры с дефектной изоляцией. Координаты места, широта и долгота (как и несколько десятков значений других параметров настройки камеры) записываются параллельно с УФ изображением на SD карту в виде отдельного файла - таблицы Microsoft Excel. Возможность позиционирования места нахождения дефектной изоляции (соответствующей опоры) на фотографии со спутника, облегчает последующий поиск при выезде для проведения соответствующих осмотров или замены изоляции ремонтными бригадами. На рис. 6, в качестве примера, представлены фотографии со спутника ст. Вековка в районе опоры №13ПГ Муромской дистанции электроснабжения Горьковской железной дороги. Местонахождение опоры с дефектной изоляцией (см. п. 1 дефектной ведомости), показано красными стрелками. Координаты места: 55º 29' 23" cеверной широты и 40º 46' 18" восточной долготы взяты из соответствующего файла записи УФ изображения дефектной гирлянды. Фотографии получены после ввода соответствующих координат в систему спутникового слежения за перемещениями вагонов контейнеров ОАО «РЖД»: Find-Container. Для удобства поиска на рис. 6а и 6б снимки приведены в различных масштабах. В левой нижней части рис. 6а представлен соответствующий фрагмент железнодорожной карты.

Наряду с GPS-навигатором, цифровой интерфейс камеры CoroCAM 6 позволяет сформировать автономную портативную информационно-диагностическую систему. Подключив камеру к планшетному (карманному) компьютеру, мобильным средствам связи, можно осуществлять оперативную передачу УФ изображений дефектной изоляции с голосовыми комментариями на пульт энергодиспетчера дистанции электроснабжения. Например, для консультации электромеханика, производящего УФ обследования, оперативного принятия диспетчером (или персоналом ДЭЛ) квалифицированного решения при распознавании ложных дефектов (коронирование кронштейнов, замков крепления изоляции и т. п.), необходимости назначения того или иного вида ремонтных работ или замены изоляции.

Компания «Панатест» предлагает ультрафиолетовые камеры CoroCAM для дистанционного обследования изоляции на объектах энергетики и железных дорог. УФ-дефектоскопия позволяет выявлять частичные разряды, оценивать состояние изоляторов и проводить профилактическое обслуживание без отключения оборудования. Камеры CoroCAM успешно применяются в составе лабораторий ВИКС и при пеших обходах