автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы дистанционного контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций электрифицированных железных дорог

На правах рукописи

ЗАРИПОВ ДАМИР КАМИЛЕВИЧ

МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ИЗОЛИРУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань -2006

Работа выполнена в ЗАО Научно-производственная фирма «Оптоойл» и ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Научный руководитель -Научный консультант -

кандидат педагогических наук, доцент Лопухова Татьяна Викторовна доктор технических наук, Алеев Рафиль Мухтарович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Голенищев-Кутузов Александр Вадимович;

кандидат технических наук, Овсянников Владимир Александрович

Ведущая организация - ООО «Инженерный центр «Энсргопрогресс»,

г. Казань

Защита состоится 20 октября 2006 г. в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.082.01 при Казанском государственном энергетическом университете по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета.

Автореферат разослан « 16 » сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета - БатановаН.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Особенностью системы электроснабжения железных дорог является наличие в ее составе не резервируемой контактной сети (КС). Это предъявляет повышенные требования к надежности функционирования устройств КС. По данным Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») наибольшая доля нарушений технического состояния КС происходит по причине выхода из строя изоляторов (24,5 % всех отказов КС). Высокая повреждаемость отдельных изоляторов и многоэлементных изолирующих конструкций (гирлянд или колонок изоляторов) обусловлена их большим физическим износом, усиливающимися техногенными влияниями и вандализмом населения. Отметим общность этих проблем не только для России, но и для всех стран.

Появление неисправностей КС и тяговых подстанций (ТП), вызванных пробоем изоляторов, с одной стороны объясняется недостаточностью предупредительных мер, принимаемых работниками дистанций электроснабжения железной дороги, с другой -низкой эффективностью существующих методов и технических средств контроля.

В настоящее время происходит переход от бывшей системы плановых ремонтов электротехнических устройств к новой системе обслуживания - по текущему техническому состоянию. Это обстоятельство резко повышает ответственность за правильный диагноз состояния оборудования, поставленный при испытаниях и контроле. Появившиеся в последние годы новые технологии контроля состояния изоляции, например диагностика по тепловому (инфракрасному) излучению, являются примером в модернизации системы профилактического контроля оборудования, но не исчерпывают следующей проблемы. Внедрение нового оборудования для контроля состояния изоляции сдерживается отсутствием нормативного и методического обеспечения, позволяющего использовать приборы с требуемой эффективностью.

Таким образом, имеется проблема, связанная с недостаточной эффективностью. технологии контроля изолирующих конструкций КС и ТП.

Объект исследования - многоэлементные изолирующие конструкции электрифицированных железных дорог переменного тока.

Предмет исследования - методы дистанционного контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций КС и ТП электрифицированных железных дорог переменного тока.

Цель исследований - разработка метода дистанционного контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций под рабочим напряжением переменного тока на основе регистрации теплового излучения и излучения поверхностных частичных разрядов (ПЧР), позволяющего выявлять дефекты на ранней стадии их развития и повысить достоверность определения состояния изоляции.

В соответствии с предметом и целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать возможности контроля состояния гирлянд изоляторов КС переменного тока по собственному тепловому излучению и излучению ПЧР и дать математическое описание многоэлементной изолирующей конструкции, позволяющее определять состояния изоляции по регистрируемому излучению.

2. Обосновать целесообразность совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР для повышения достоверности контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций КС и ТП.

3. Разработать метод выявления дефектов изоляции при дистанционном контроле состояния многоэлементных изолирующих конструкций установок переменного тока на основе совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР.

4. Разработать методику тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока.

5. Разработать требования к аппаратуре и условиям проведения контроля состояния изолирующих конструкций КС и ТП переменного тока на основе регистрации теплового излучения и излучения ПЧР.

Методы исследования.

Теоретические и экспериментальные исследования: анализ литературных источников, анализ опыта эксплуатации КС, моделирование, эксперимент в лабораторных условиях и опытно-экспериментальная проверка разработанного метода контроля состояния изоляции.

Достоверность н обоснованность полученных результатов.

Обоснованность результатов теоретических исследований подтверждена лабораторными и натурными экспериментами. Достоверность результатов экспериментальных работ основана на использовании сертифицированного и поверенного оборудования с требуемой точностью измерения основных параметров состояния изоляции: температуры, напряжения на элементах конструкции, сопротивления и емкости. Идея разработанного метода контроля состояния изолирующих конструкций основана на десятилетней практике применения тепловизионной и ультразвуковой диагностики подвесной фарфоровой изоляции на участках Казанского отделения Горьковской железной дороги (ГЖД) и обоснована в ходе специальной опытно-экспериментальной работы, проведенной совместно со службой электрификации и электроснабжения ГЖД, о чем имеется соответствующий протокол (отзыв). Многочисленные проверки, снятых с опор гирлянд изоляторов по результатам диагностики предлагаемым методом, подтверждают наличие дефектов в более чем 80 % случаев.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Зависимости распределения температуры и напряжения на гирлянде изоляторов КС переменного тока от активного сопротивления изоляторов.

2. Обоснование целесообразности совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР многоэлементной изолирующей конструкции, находящейся под напряжением переменного тока, для повышения достоверности контроля состояния изоляции.

3. Новый метод выявления дефектных многоэлементных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока, по значениям среднего и среднеквадратичсского отклонения в зарегистрированном распределении интенсивности теплового излучения конструкции и интенсивности излучения ПЧР.

Научная новизна работы.

1. Получены экспериментально обоснованные зависимости распределения температуры и напряжения на гирлянде изоляторов КС переменного тока от активного сопротивления изоляторов, позволяющие связать различные состояния изоляции с тепловым излучением и излучением ПЧР.

2. Показана целесообразность совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР многоэлементной изолирующей конструкции для повышения достоверности определения состояния изоляции за счет уменьшения неоднозначности в интерпретации данных, получаемых с отдельных приборов. Установлено, что совместное использование приборов, регистрирующих тепловое излучение и излучение ПЧР, может заменить контактную диагностику с помощью измерительной штанги.

3. Предложен метод выявления дефектных многоэлементных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока, по значениям среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении интенсивности теплового излучения конструкции н интенсивности излучения ПЧР, позволяющий повысить эффективность контроля состояния изоляции.

4. Предложена методика тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока, которая позволяет снизить влияние неоднозначной зависимости температуры отдельного изолятора от его активного сопротивления при анализе состояния изолирующей конструкции.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- Разработан комплексный метод дистанционного контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций под напряжением переменного тока на основе совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР, который прошел проверку на ГЖД и рекомендован для диагностики подвесной фарфоровой изоляции. Данный метод внедрен на Юдинской дистанции электроснабжения ГЖД и используется для плановой диагностики гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов, о чем имеется акт внедрения,

- Разработана «Методика тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока», которая утверждена Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» и рекомендована для применения в устройствах контактной сета переменного тока железных дорог России, о чем имеется акт внедрения.

- Определены требования к аппаратуре и условиям проведения контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций КС и ТП под рабочим напряжением переменного тока на основе регистрации теплового излучения и излучения ПЧР.

Личный вклад автора.

1. Автором проведены теоретические расчеты и обоснована целесообразность совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР для повышения эффективности дистанционного контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций. Автор был организатором и непосредственным участником лабораторных и натурных экспериментов.

2. Предложена идея и описан метод выявления дефектных многоэлементных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока, по значениям среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении интенсивности теплового излучения конструкции и интенсивности излучения ПЧР.

3. Разработана методика тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока.

4. Предложена структура аппаратно-программного комплекса для дистанционной диагностики высоковольтных изоляторов и алгоритм работы компьютерной программы для обработки термограмм изолирующих конструкций.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- 13-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция (г. Казань, 2001г.);

- Российский национальный симпозиум по энергетике (г. Казань, 2001г.);

- 18-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция (г. Казань, 2006 г.);

- сетевое совещание Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» по теме «Опыт создания и применения средств диагностики устройств тягового электроснабжения» (г. Екатеринбург, 2004 г.).

Публикация. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ: 2 статьи и тезисы докладов для 3 конференций.

Структура и овьем работы. Диссертационная работа изложена на 134 страницах текста, иллюстрируется 34 рисунками и 24 таблицами. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований и 4 приложений на 38 листах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована ак1уальность, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературных источников, посвященных существующим методам контроля состояния изолирующих конструкций. По материалам печати проведен анализ статистики повреждаемости высоковольтных многоэлементных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока, а также методов их контроля, регламентированных нормативными документами, и ненормированных. Рассмотрены публикации результатов исследований и применения на практике наиболее распространенных методов дистанционного контроля состояния изоляции -по излучению разрядов (акустический, оптический) и тепловому излучению, а также комплексных, основанных на совместном использовании указанных методов. Показана перспективность комплексного контроля состояния изоляции и установлено, что внедрению комплексного метода в практику препятствует отсутствие методического обеспечения.

На основе публикаций и опыта собственной практической работы автора проведен анализ преимуществ и недостатков данных методов применительно к контролю состояния многоэлементных изолирующих конструкций электрифицированных железных дорог переменного тока.

. Во второй главе экспериментально и теоретически исследованы распределения теплового излучения, излучения ПЧР и напряжения в гирляндах из трех фарфоровых изоляторов при наличии в них дефектных элементов.

В лаборатории техники высоких напряжений Казанского государственного энергетического университета была собрана установка, имитирующая реальную ситуацию работы гирлянды из трех фарфоровых изоляторов в КС переменного тока напряжением 27,5 кВ. В экспериментах использовались гирлянды и отдельные изоляторы, демонтированные с КС Казанского отделения ГЖД в районе пос. Дербышки по результатам диагностики, проведенной с использование тепловизора (ТВ) «Карат-М» и ультразвукового дефектоскопа (УД) УД-8В.

Для измерений использовались: измерительная штанга ШИ-110, электронный мегомметр, мост для измерения Для измерения температуры изоляторов применялся контактный термометр ТК-4, точность измерения температуры которого составляла 0,1 °С. Минимальная обнаруживаемая разность температур ТВ «Карат-М» - 0,2 "С.

Перед началом экспериментов все изоляторы были рассортированы на две категории - исправные и дефектные. Дефектными считались изоляторы, имевшие сопротивление по постоянному току менее 300 МОм. Позднее было установлено, что нормирован-

ная граница в 300 МОм не всегда правильно отражает состояние изолятора. В ходе экспериментов в категорию дефектных были включены некоторые изоляторы с большим сопротивлением постоянному току, но характеризующиеся аномально большим тепловыделением. При замерах сопротивления было также обнаружено, что большинство дефектных изоляторов имеют значительные токи абсорбции.

Измерения емкостей изоляторов показали, что исправные изоляторы имели емкость С от 34 до 38 пФ, что соответствует значениям собственных (геометрических) емкостей тарельчатых фарфоровых изоляторов. Ёмкости дефектных изоляторов были больше и росли одновременно с ростом tg& У некоторых изоляторов наблюдалось изменение значений С и tg<?в зависимости от приложенного испытательного напряжения.

Через 4-5 часов после включения экспериментальной установки электрические и тепловые характеристики изоляторов стабилизировались. Напряжение на изоляторах в гирлянде измерялось с помощью штанги. Определялось наличие и величина сигналов . ПЧР ультразвуковым дефектоскопом с различных расстояний от установки, и проводилась съемка гирлянды тепловизором с записью изображений на видеопленку. Сразу после выключения установки с помощью ТК-4 измерялись средние значения температур шапок изоляторов.

Эксперименты проводились при различном сочетании и положении в гирлянде дефектных и исправных изоляторов. Всего было проведено более десяти циклов измерений.

На отдельном этапе экспериментов в дополнение к имеющимся диагностическим приборам (ТВ и УД) использовался электронно-оптический дефектоскоп «Филин-3». Как известно, и дефектоскоп «Филин-3», и УД-8В работают на обнаружение разрядов. Сравнительное тестирование обеих приборов показало, что эффективность их при обнаружении дефектов в гирляндах изоляторов примерно одинакова. Находившийся в нашем распоряжении дефектоскоп УД-8В имел даже более высокую чувствительность. Учитывая функциональные ограничения дефектоскопа «Филин-3», связанные с его возможностью работать только в темноте, в дальнейшем он не использовался.

Во всех проведенных экспериментах ПЧР на гирлянде возникали, только если падение напряжения на одном из изоляторов превышало 13 кВ.

По данным температуры, полученным с ТВ и контактного термометра, определялось активное сопротивление каждого изолятора в гирлянде R^ по соотношению:

Rm-'^Sr31'1"1-3 (1)

дтш

где UHi - измеренное напряжение на i-м изоляторе, В; Rrf — тепловое (термическое) сопротивление теплоотдачи шапки i-ro изолятора, °С/Вт; AT„j «= Тн, -Токр - измеренная разность температур между шапкой i-ro изолятора и окружающей средой, °С. Во время экспериментов температура воздуха была 11...15 °С. В ходе работы по измерениям ДТИ; была установлено, что Ra; у дефектных изоляторов зависит от величины приложенного напряжения U„j. При повышении U„j активное сопротивление дефектных изоляторов уменьшалось.

Объяснение данному явлению было получено после рассмотрения под микроскопом структуры осколков фарфора, взятых из участков под шапками новых и бывших в эксплуатации изоляторов. Было установлено, что в дефектных изоляторах внутренний слой испещрен множеством случайно расположенных вкраплений (прожогов) овальной формы черного цвета размером 50-200 мкм. Таким образом, внутренняя изоляция фарфо-

рового изолятора представляет собой неоднородную структуру, содержащую совокупность зон (вкраплений) повышенной проводимости равномерно распределенных в изолирующем слое фарфора между электродами. При повышении ии; все большее число таких зон пробивается, что уменьшает Лщ. Число зон п > 0. Изучение внутренней структуры фарфора позволило сделать предположение о равномерности выделения тепла при протекании тока под шапкой изолятора.

Расчет многоэлементной изолирующей конструкции осуществлялся следующим образом. Сначала определялась величина Я-й исходя из условий теплоотдачи и при предположении что теплота, образующаяся при протекании тока внутри изолятора, выделяется равномерно во всем слое фарфора между шапкой и пестиком. Затем по выбранной схеме замещения гирлянды изоляторов были получены выражения для токов ¡; и напряжений по которым вычислялись выделяемые мощности и температуры каждого изолятора.

Исходя из принятой модели изолятора, если пренебречь перепадами температуры внутри изолятора и считать, что полная мощность, выделяемая в конструкции, постоянна во времени, то можно получить следующее уравнение для стационарного режима тепловыделения на ¡-ом изоляторе:

Т^Т^+г-З-. (2)

где Т;, Р;,- темпера'1ура и выделяемая мощность на 1-ом изоляторе соответственно, а и ка - соответственно полная площадь охлаждаемой поверхности и коэффициент теплоотдачи ¡-го изолятора.

В выражении (2) есть тепловое сопротивление Коэффициент теплоотда-

чи к,; есть сумма коэффициентов теплоотдачи конвекцией ку и излучением кп, которые вычисляются из следующих выражений:

^=5,67

^ Т0!Ср

Т;+273\ 100 )

4 ГТ0кр+273^4

100

(3)

ки=Л^( (4)

где Ог=$>ЛТ113/ V2 - критерий Грасгофа; Рг - критерий Прандтля; Ь - определяющий геометрический размер охлаждаемой поверхности; g — ускорение свободного падения; ДТ= Т; - Т01ф - перепад температур охлаждаемая поверхность - охлаждающая среда; р -коэффициент объемного расширения охлаждающей среды; V - кинематическая вязкость; а — температуропроводность; Л - коэффициент теплопроводности охлаждающей среды. Постоянные сип, зависящие от режима движения охлаждающей среды, для лабораторных условий соответственно равны 0,54 и 0,25.

В качестве определяющего геометрического размера охлаждаемой поверхности Ь была принята высота шапок изоляторов, равная 0,11 м. Площадь охлаждаемой поверхности в! определялась путем измерения площади чугунной шапки изолятора, а также фарфоровой и бетонной частей изолятора, расположенных непосредственно под шапкой и примыкающих к пестику. Для изолятора ПФ-70 значение -0,06 м2. Величина коэффи-

циента излучения е для сильно окисленной поверхности чугуна была принята ~ 0,95, для глазурированного фарфора и бетона ~ 0,92.

В результате расчетов для лабораторных условий были получены значения Rrf в интервале 1,9 - 2,2 Вт/°К в зависимости от Токр.

Для гирлянды, состоящей из трех изоляторов, находящихся под фазным напряжением 0ф, электрическая схема замещения представлена на рис.1. Rai, R^, R^ на рис.1, являются активными сопротивлениями соответствующих изоляторов; СП], СП2 - частичные емкости относительно провода, а С¿2 и Скз - частичные емкости относительно конструкции крепления гирлянды. Емкость между проводом и конструкцией крепления гирлянды не учитывалась из-за ее пренебрежимо малой величины.

Путем расчета системы уравнений по данной схеме были получены выражения для токов i; и напряжений Up; на каждом изоляторе, по которым вычислялись выделяемые мощности Pi=Upi2/Rai и далее по формуле (2) расчетные значения ДТр;=Тр,-ТОКр. В расчетах значения собственных и частичных емкостей изоляторов принимались равными 36 пФ и 3 пФ соответственно.

Результаты экспериментов и расчетов в виде таблиц и термограмм приведены в диссертации. Во всех случаях было получено близкое совпадение измеренных значений AT„j и UHi и расчетных ATpj и Upj.

Полученные зависимости ДТр; и Up, от Raj позволили обосновать целесообразность совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР многоэлементных изолирующих конструкций для повышения достоверности контроля состояния изоляции.

Обоснуем последнее утверждение. Рассмотрим возможность выявления дефектного состояния гирлянды при деградации только одного из трех фарфоровых изоляторов, т.е. самый сложный для выявления дефектов случай. На рис.2 построены графики зависимостей разностей температур между изоляторами и окружающей средой (ATj, ДТ2, ДТ3), а также напряжениями на них (Uj, U2, U3), от величины активного сопротивления на первом изоляторе Rai при фиксированных значениях на втором и третьем Ra2= 8-Ю' Ом и Ra3=l-109OM соответственно.

лт,°с и, в

Рис. 2. Графики зависимости разностей температур изолятор-воздух (ДТ1, ЛТг, ДТ3) и напряжений на изоляторах (и^ и2, из) от величины активного сопротивления на первом изоляторе Яа].

На графиках горизонтальными пунктирными линиями показаны: величина напряжения на изоляторе 4 кВ, что соответствует порогу для исправной изоляции, установленному нормами, и 13 кВ — напряжение возникновения ГТЧР. Вертикальные пунктирные линии на графиках разделяют три области состояния изоляции гирлянды. При Б^й 300 Мом (область № 1) — состояние гирлянды исправное. На начальной стадии деградации изолятора (область № 2), когда 23 Мом < < 300 Мом, обнаружение дефекта возможно только по тепловому излучению, поскольку напряжение на изоляторе еще превышает порог, установленный нормативными документами для диагностики с помощью измерительной штанги, и нет условий для возникновения ГТЧР. При дальнейшем развитии дефекта (область №3) его выявление по тепловому излучению менее эффективно, но на исправных изоляторах появляются ПЧР, излучение которых можно зарегистрировать ультразвуковым или электронно-оптическим дефектоскопом. Таким образом, совместное использование приборов, регистрирующих тепловое излучение и излучение ПЧР, должно повысить достоверность определения состояния Изоляции за Счет снижения влияния неоднозначности между температурой изолятора и его активным сопротивлением.

С другой стороны, известно, что интенсивность ПЧР на изоляции существенно зависит от погодных условий и степени загрязнения поверхности. При повышенной влажности и сильном загрязнении поверхности изолирующей конструкции повышаются поверхностные токи утечки и создаются условия для возникновения ПЧР и при исправной внутренней изоляции (Ка> 300 мОм). Уменьшить вероятность ложного обнаружения дефекта в исправной конструкции с сильным загрязнением поверхности возможно по тепловому излучению, поскольку средняя температура такой конструкции при наличии ПЧР снизится ниже уровня аналогичной конструкции с меньшим загрязнением, где ПЧР не возникли и преобладают внутренние токи утечки.

Проведенный анализ зависимостей распределения температур и напряжений в гирлянде при различных значениях активного сопротивления изоляторов показывает, что ни один из существующих методов контроля не позволяет в отдельности полностью контролировать состояние изоляции. Установленные нормативными документами методы и инструментальные средства контроля состояния многоэлементной изоляции могут выявить лишь развитый дефект. Регистрация теплового излучения изолирующей конструкции позволяет выявить дефект на ранней стадии его развития, но существует неоднозначность интерпретации результатов (см. рис. 2). Совместная регистрация теплового излучения и излучения ПЧР позволяет существенно повысить эффективность контроля многоэлементной изоляции и заменить контактную диагностику (с помощью измерительной штанги).

В продолжение исследований, на Горьковской дистанции электроснабжения были проведены работы по комплексной дистанционной диагностике подвесных фарфоровых изоляторов на контактной сети и вспомогательных линиях с использованием тепловизора ЛИК-2 и ультразвукового дефектоскопа УД-8В. Были обследованы все гирлянды фарфоровых изоляторов на ЭЧК-18 (Шахунья), ЭЧК-17 (Арья), ЭЧК-10 и ЭЧК-9 (Горький). Всего комплексным методом на данных участках было обследовано более 10000 гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов.

Обследование осуществлялось путем пешего обхода. Диагностика производилась в вечернее время, как правило, с 18 до 21 часов в сухую погоду. Температура воздуха в ходе проведения работ составляла от 5 °С до 10 °С, влажность воздуха 50...80 %.

В результате проведенной диагностики было выявлено и рекомендовано к замене 545 гирлянд с предполагаемым наличием дефектов. В последствии все они были заменены. Кроме того, соответствующими подразделениями ГЖД была осуществлена выборочная проверка снятых с опор гирлянд путем измерения сопротивления изоляторов мегомметром и испытанием их под напряжением переменного тока на установке АИИ-70. Всего было проверено 105 гирлянд. В результате испытаний было установлено, что 85 гирлянд имели по одному или более дефектных изоляторов. Таким образом, в результате выборочных испытаний снятых по результатам комплексной диагностики гирлянд было установлено, что достоверность диагностики составляет 80,95 %.

В третьей главе рассмотрен новый комплексный метод выявления дефектных многоэлементных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока. Определены требования к аппаратуре и условиям проведения диагностики на основе совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР.

Предлагаемый метод предназначен для выявления дефектной многоэлементной или многозвенной изолирующей конструкции с помощью приборов регистрации теплового излучения и излучения ПЧР.

Техническим результатом при реализации метода является возможность выявления дефектов на ранней стадии их развития и повышение достоверности определения состояния изоляции.

Принцип, заложенный в метод, поясняется следующим. В общем случае i-ый элемент изолирующей конструкции, например изолятор в гирлянде, можно представить как параллельное соединение активного сопротивления R¡ и емкости C¡. Выражения для действующего напряжения U¡ и активной мощности P¡, выделяемой на элементе при протекании через него переменного тока I с частотой ш, имеют следующий вид:

и, »-7- ' (5)

р.=12-£1 (6)

Из выражения (5) следует, что чем меньше активное сопротивление изолирующего элемента, тем меньше напряжение на нем. В тоже время Р; в выражении (б) имеет неоднозначную зависимость от Я}. Активная мощность имеет максимум при ^ равном ——.

При И; большем —Р, увеличивается с уменьшением Я; ,а при Я] меньшем —-

уменьшается. Например, для подвесного фарфорового изолятора ПФ-70, собственная емкость которого лежит в пределах 30-70 пФ, максимум тепловыделения достигается при значениях Я) от 45 до 100 МОм соответственно. Поскольку активные сопротивления изоляторов в гирлянде могут иметь значения от нескольких ГОм для исправных до нескольких МОм для «нулевых», то одна и та же мощность тепловыделения может характеризовать два существенно разных состояния изоляции - исправное и неисправное. «Нулевой» элемент - изолятор, на котором падение напряжения близко к нулю. Однако, если рассматривать изолирующую конструкцию в целом, то исправное и неисправное состояния элемента можно отличить по изменению тепловыделения всей конструкции. Так, если происходит снижение активного сопротивления ¡-го элемента конструкции, то на начальной стадии деградации, когда И, » —и изоляция ее считается еще исправной,

это приводит к повышению тепловыделения только на нем, поскольку распределение напряжения по элементам в койструкции Практически не изменяется (см. рис. 2). Дальнейшее снижение сопротивления при развитии дефекта приводит уже к перераспределению напряжения в конструкции и повышению тепловыделения на других элементах. Таким образом, неисправное состояние можно отличить по изменению пространственного распределения интенсивности теплового излучения всей конструкции. Величинами, характеризующими распределение, являются среднее и среднеквадратическое отклонение. Для определения состояния изоляции необходимо использовать обе эти характеристики распределения. Так, снижение активного сопротивления одного из элементов конструкции однозначно приводит к некоторому увеличению средней интенсивности излучения конструкции. Однако ее заметное увеличение происходит при снижении активного сопротивления на нескольких элементах конструкции. В тоже время величина срсднеквадратк-ческого отклонения, характеризующая разброс интенсивностей теплового излучения элементов относительно среднего, может быть зафиксирована и при малых значениях среднего, когда интенсивность излучения изменяется только на одном элементе, но при снижении активного сопротивления на нескольких элементах возможна ситуация, когда среднеквадратическое отклонение будет близко или равно нулю.

По значениям среднего и среднеквадратического отклонения в распределении интенсивности теплового излучения сложно выявить дефектную конструкцию, состоящую

й 1

из «нулевых» элементов, активное сопротивление которых К, много меньше ——-, и ис-

ссС\

правных с очень высоким активным сопротивлением. Значения характеристик пространственного распределения теплового излучения такой конструкции могут практически совпадать с исправной. Но в этом случае перераспределение напряжения в конструкции приведет к появлению или скачкообразному росту поверхностных разрядов (ПЧР) на исправных элементах, что можно зарегистрировать по излучению соответствующими приборами.

Таким образом, состояние изолирующей конструкции можно определить по значениям среднего и среднеквадратического отклонения пространственного распределения интенсивности теплового излучения и значению интенсивное™ излучения ПЧР и выявить наличие дефекта по превышению любой из полученных величин, установленного для нее порогового (минимального) значения, зависящего от соответствующих текущей диагностике метеоусловий.

Пороговые значения могут быть установлены двумя способами:

- по эталонной изолирующей конструкции, один из элементов которой имеет активное сопротивление равное минимально допустимому значению, установленному нормами для исправной изоляции, а сопротивления всех остальных элементов значительно выше и близки к предельным;

- при диагностике в одинаковых метеоусловиях большого числа идентичных многоэлементных изолирующих конструкций, например гирлянд изоляторов на КС, по конструкции, один из элементов которой имеет наибольшую интенсивность теплового излучения, а интенсивность теплового излучения остальных не превышает среднего значения, полученного по всем конструкциям.

Предлагаемый метод поясняется графиками зависимости среднего значения Рср и среднеквадратического отклонения D распределения мощности тепловыделения по элементам конструкции, выбранной в качестве примера, состоящей из трех одинаковых фарфоровых изоляторов, от значения активного сопротивления на одном из них R„i, представленными на рис.3 и 4. Графики получены в результате расчета по следующим формулам:

Pcp=iPi7> <7>

м

^»(¿Pi2^ -(Рср)2)0,5, (8)

i=l 5

где значения Pi определены из формул (5) и (6) для гирлянды, находящейся под переменным напряжением 27,5 кВ частотой 50 Гц. Собственная емкость всех изоляторов одинакова и равна 50 пФ.

На рис.3 графики построены для значения активного сопротивления на втором изоляторе R2 равном 3 ГОм, а на рис.4 при Rj равном 300 МОм. Кривые 1,2,3 и 4 получены для значений активного сопротивления на третьем изоляторе R3 равном 3 ГОм, 300 МОм, 150 МОм и 30 МОм соответственно. Линия 5 указывает пороговое значение, рассчитанное исходя из условия, что в исправной гирлянде активное сопротивление каждого изолятора превышает 300 МОм. На начальном этапе деградации изоляции, когда активное сопротивление изолирующей конструкции в целом высокое (рис.3), лучше проявляется разброс тепловыделения элементов, определяемый среднсквадратическим отклонением D. При существенном снижении суммарного активного сопротивления изолирующей конструкции (рис.4) становится заметным изменение средней мощности тепловыде-

ления Рср. Чтобы выявить изолирующую конструкцию, где имеются отдельные «нулевые» элемента, необходимо дополнительно регистрировать излучение ПЧР.

РисЗ. Графики Рср и D при значении активного сопротивления на втором изоляторе Яг= 3 ГОм.

Рис.4. Графики Рср и D при значении активного сопротивления на втором изоляторе R.2= 300 МОм.

Разработанный метод контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций рассчитан на использование серийно выпускаемого оборудования. Это приборы для регистрации теплового излучения и дистанционного измерения температуры в инфракрасном диапазоне спектра - тепловизоры и пирометры, и приборы для регистрации излучения разрядов - ультразвуковые и оптические дефектоскопы. Специфика объекта контроля, а также требования метода контроля по детальности получаемой информации, определяют ряд специальных требований к аппаратуре и внешним условиям диагностики, которые изложены в методике.

Эффективность метода была проверена путем совместной статистической обработки термограмм с изоляторами и данных с ультразвукового дефектоскопа, полученных в результате работ на участках КС Горьковской железной дороги.

Общность подхода позволяет использовать данный метод при контроле состояния цельных опорных и стержневых изоляторов, при этом в качестве отдельных элементов должны рассматриваться звенья конструкции.

В четвертой главе рассмотрен частный случай и особенности применения разра-, ботанного метода к диагностике гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов электрифицированных железных дорог переменного тока с использованием тепловизора, описана структура созданного на основе разработанного метода аппаратно-программного комплекса диагностики высоковольтных изоляторов, изложен порядок проведения диагностики и обработки результатов, проведен расчет экономической эффективности внедрения комплекса на предприятиях железнодорожного транспорта.

Контроль состояния изолирующих конструкций по тепловому излучению является главной составной частью предложенного комплексного метода. Как показывает практика диагностики гирлянд фарфоровых изоляторов КС переменного тока при совместном использовании тепловизора и ультразвукового дефектоскопа, на долю тепловизора приходится до 80 % общего числа выявленных дефектных гирлянд.

На каждом изоляторе гирлянды изменение мощности тепловыделения при изменении его внутреннего сопротивления проявляется на шапке. Алгоритм выявления дефектных гирлянд изоляторов следующий:

1. Выделение на тепловизионном изображении (термограмме) всех шапок изоляторов (зон) в гирлянде.

2. Вычисление среднего и среднеквадратического отклонения в распределении яркостей точек всех выделенных зон.

3. Определение дефектной гирлянды по превышению вычисленных значений среднего или среднеквадратического отклонения над установленными пороговыми значениями.

Предложенный алгоритм был реализован в программе 1п8и1аУ18юп.

Проверка алгоритма для обработки термограмм гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов показала возможность повышения достоверности контроля состояния изоляции при использовании компьютерной обработки по сравнению с субъективной оценкой (по виду изоляторов на термограммах), которая использовалась ранее.

На основе разработанного метода и программы в ЗАО НПФ «Оптоойл» был создан действующий экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса диагностики высоковольтных изоляторов. Данный комплекс прошел успешную проверку на дистанциях электроснабжения железных дорог. Состав комплекса: тепловизор, ультразвуковой дефектоскоп, методика диагностики и программа диагностики состояния изолирующей конструкции по тепловиэионному изображению ЬиииМвкт.

В конце диссертации приведены заключение, список использованных источников и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости распределения температуры и напряжения не гирлянде изоляторов КС переменного тока от активного сопротивления изоляторов, позволяющие связать любое возможное состояние изоляции с тепловым излучением и излучением ПЧР.

2. Обоснована целесообразность совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР многоэлементных изолирующих конструкций для повышения достоверности контроля состояния изоляции. Показано, что совместное использование приборов

регистрирующих тепловое излучение и излучение ПЧР, может полностью заменить контактную диагностику (с помощью измерительной штанги).

3. Разработан метод выявления дефектных многоэлементных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока, по значениям среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении интенсивности теплового излучения конструкции и интенсивности излучения ПЧР. На основе статистической обработки данных, полученных в ходе натурных экспериментов, показана эффективность диагностики при использовании разработанного метода. Установлены требования к диагностическому оборудованию и условиям проведения работ при реализации метода на практике.

4. Разработана «Методика тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока», позволяющая снизить влияние неоднозначной зависимости температуры отдельного изолятора от его активного сопротивления при анализе состояния изолирующей конструкции. Методика рекомендована для применения на дистанциях электроснабжения ОАО «РЖД».

5. Предложена структура аппаратно-программного комплекса диагностики высоковольтных изоляторов, экспериментальный образец которого прошел проверку на дистанциях электроснабжения железных дорог. Внедрение комплекса в практику технического обслуживания контактной сети и тяговых подстанций железных дорог позволит повысить эффективность и безопасность рабогг по контролю состояния изолирующих, конструкций при значительном снижении трудоемкости.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Алеев Р. М. Возможности методов дистанционной диагностики состояния подвесной изоляции контактной сети железных дорог / Алеев Р. М., Зарипов Д. К., Лопухова Т. В. // Внутрюсамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология Тезисы докладов 13 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 1. 15-17 мая 2001 г. - Казань : Изд-во КФВАУ, 2001. -2 ч. - С. 228-229.

2. Алеев Р. М. Возможности методов дистанционной диагностики состояния подвесной изоляции / Алеев Р.М., Зарипов Д.1С, Лопухова ТЛ. // Материалы докладов Российского национального симпозиума по энергетике. РНСЭ : Казань, Россия, 10-14 сентября 2001 г. Том 2, - Казань: Изд-во КГЭУ, 2001, - 2 т. - С. 123-12$.

3. Алеев Р. М. Комплексный подход к дистанционной диагностике состояния подвесной изоляции / Алеев Р. М., Зарипов Д.К., Лопухова Т.В. // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики.-2004.-№3-4,-С. 78-86.

4. Зарипов Д.К. Метод дистанционной диагностики высоковольтной изолирующей конструкции / Зарипов Д.К., Лопухова Т.В7/ Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. -2006.-№3-4.-С. 57-61.

5. Алеев Р. М. Аппаратно-программный комплекс дистанционной диагностики высоковольтных изоляторов / Алеев Р. М., Зарипов Д.К., Кулеев Р.Ф. // Электромеханические и внутрюсамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий : Сборник материалов 18 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 1.16-18 мах 2006 г. - Казань: Изд-во КФВАУ, 2006. - 2 ч. - С. 73-74.

Лиц. № 0133 от 11.08.1998 г. Сдано в печать 14.09.2006 г. Формат А5. Бумага офсетная №1, печать ризографнческая

Тираж 100 экз. Заказ 294

Оперативная типография Казанского НПО ВТИ 420044, г. Казань, пр. X. Ямашева, 36. Тел.: 521-49-67

Введение.

1 Анализ методов контроля состояния изоляции многоэлементных изолирующих конструкций.

1.1. Статистика повреждаемости изоляции.

1.2. Методы испытаний и профилактического контроля изоляции, регламентированные нормативными документами.

1.3. Дистанционные методы контроля состояния изоляции.

1.3.1 .Методы контроля по излучению разрядов.

1.3.2. Метод контроля по тепловому излучению.

1.4. Комплексные методы контроля состояния изоляции.

2 Исследование состояния изоляции многоэлементных изолирующих конструкций.

2.1. Теоретические и лабораторные исследования.

2.2. Анализ результатов теоретических и лабораторных исследований.

2.3. Результаты натурных исследований.

3 Разработка метода выявления дефектного состояния изоляции многоэлементной изолирующей конструкции.

3.1. Особенности контроля состояния изоляции и существующие методы выявления дефектов

3.2. Метод выявления дефектного состояния изоляции многоэлементной изолирующей конструкции.

3.3. Требования к оборудованию для проведения работ.

3.4. Требования к внешним условиям для проведения работ.

4 Методика тепловизионной диагностики изоляции. Аппаратно-программный комплекс диагностики высоковольтных изоляторов 103 4.1. Алгоритм и программное обеспечение для обработки термограмм гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов.

4.2. Аппаратно-программный комплекс дистанционной диагностики высоковольтных изоляторов.

4.3. Расчет экономической эффективности при комплексной диагностике подвесных фарфоровых изоляторов.

Актуальность темы. Особенностью системы электроснабжения железной дороги является наличие в ее составе контактной сети (КС) - единственного не резервируемого элемента. Это предъявляет повышенные требования по надежности функционирования, как системы в целом, так и элементов конструкций в устройствах электроснабжения в частности. По данным Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») следует, что наибольшая доля нарушений технического состояния КС (число отказов) происходит по причине выхода из строя изоляторов. На долю изоляторов приходится 24,5 % всех отказов КС. Анализ, выполненный специалистами Департамента, показывает, что появление неисправностей КС, включая дефекты изоляторов, в значительной степени объясняется недостаточностью предупредительных мер, принимаемых работниками дистанций электроснабжения, низкой эффективностью и недостаточным использованием технических средств контроля [1].

Высокая повреждаемость отдельных изоляторов и многоэлементных изолирующих конструкций (гирлянд или колонок изоляторов) КС и тяговых подстанций (HI) обусловлена рядом причин. Главными из них являются большой физический износ изоляторов, усиливающиеся техногенные влияния, природные катаклизмы и вандализм населения. Отметим общность проблемы износа не только для России, но и для всех стран. Не случайной является постановка проекта разработки альтернативных методов эффективного измерения целостности линейной изоляции линий электропередачи (ЛЭП) дистанционным наблюдением или измерением с борта воздушного или наземного транспорта Канадской Электрической Ассоциацией (СБА) СБА Technologies Inc. в 2001 году. Суть проекта состояла в определении методов обнаружения дефектов изолятора (иных, чем очевидные дефекты типа сломанных рубашек, которые могут быть установлены визуальным осмотром) с борта воздушного транспорта, передвигающегося параллельно ЛЭП, при помощи установленного на земле оборудования, с борта перемещающегося или стоящего наземного транспортного средства.

Службами электроснабжения железных дорог затрачиваются большие усилия для своевременного выявления и устранения дефектов изоляции, ремонта и послеаварийного восстановления оборудования. Однако и система в целом, и ряд методов профилактического контроля, в особенности, обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, они трудоёмки и, следовательно, высокозатратны. Во-вторых, они малоэффективны и недостаточно метрологически надежны, о чем говорит высокая аварийность. В-третьих, существующая система морально устарела в целом. Она пришла в наши годы из прошлого, когда была ориентирована на широкое использование дешевого ручного труда. По расчетам, проведенным автором совместно со специалистами технического отдела Юдинской дистанции электроснабжения, замена контактных методов проверки изоляторов дистанционными снижает трудоемкость работ более чем в десять раз.

В настоящее время происходит переход от бывшей системы плановых ремонтов к новой системе обслуживания по текущему техническому состоянию. Это обстоятельство резко повышает ответственность за правильный диагноз относительно состояния оборудования, поставленный при испытаниях и контроле. Но оно же в еще большей степени подчеркивает несовершенство традиционных методов контроля, требующих, как правило, отключения оборудования или работы под высоким напряжением и проведения трудоемких, но малоэффективных (иногда и с необоснованно высоким риском повреждения оборудования или персонала) испытаний. Появившиеся в последние годы новые технологии, например диагностика состояния оборудования по тепловому излучению или излучению частичных разрядов, являются хорошим примером в модернизации системы профилактического контроля оборудования, но не исчерпывают следующей проблемы. Внедрение нового оборудования для дистанционной диагностики изолирующих конструкций сдерживается отсутствием нормативного и методического обеспечения, позволяющего использовать приборы дистанционной диагностики с требуемой эффективностью.

Таким образом, имеется проблема, связанная с недостаточной эффективностью технологии контроля изолирующих конструкций КС и ТП. Поэтому исследования в области создания новых методов актуальны.

Объектом исследования данной работы является многоэлементные изолирующие конструкции электрифицированных железных дорог переменного тока. Основные усилия, в связи с особой важностью проблемы, были направлены на исследования состояния гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов КС напряжением 25-27,5 кВ. Значимость проблемы определило предмет исследования - методы дистанционного контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций КС и ТП электрифицированных железных дорог переменного тока.

В рамках проблемы была определена цель исследований - разработка метода дистанционного контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций под рабочим напряжением переменного тока на основе регистрации теплового излучения и излучения поверхностных частичных разрядов (ПЧР), позволяющего выявлять дефекты на ранней стадии их развития и повысить достоверность определения состояния изоляции.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать возможности контроля состояния изоляции гирлянд изоляторов КС переменного тока по собственному тепловому излучению и излучению ПЧР и дать математическое описание многоэлементной изолирующей конструкции, позволяющее определять состояние изоляции по регистрируемому излучению.

2. Обосновать целесообразность совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР для повышения достоверности контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций КС и ТП.

3. Разработать метод выявления дефектов изоляции при дистанционном контроле состояния многоэлементных изолирующих конструкций установок переменного тока на основе совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР.

4. Разработать методику тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока.

5. Разработать требования к аппаратуре и условиям проведения контроля состояния изолирующих конструкций КС и ТП переменного тока на основе регистрации теплового излучения и излучения ПЧР.

Методы исследования.

Теоретические и экспериментальные исследования: анализ литературных источников, анализ опыта эксплуатации КС, моделирование, эксперимент в лабораторных условиях и опытно-экспериментальная проверка разработанного метода контроля состояния изоляции.

Достоверность и обоснованность полученных результатов.

Обоснованность результатов теоретических исследований подтверждена лабораторными и натурными экспериментами. Достоверность результатов экспериментальных работ основана на использовании сертифицированного и поверенного оборудования высоковольтной лаборатории КГЭУ и подразделений дистанций электроснабжения Горьковской железной дороги. Дистанционные измерения проводились с помощью сертифицированных тепловизоров «Карат-М» (ЗАО НПФ «Оптоойл») и Лик-2 (ЗАО «Матричные технологии») и ультразвукового дефектоскопа УД-8В (ТОО «Сигнал»).

Идея разработанного метода дистанционного контроля состояния изолирующих конструкций основана на десятилетнем опыте работ, проведенных автором, по тепловизионной и ультразвуковой диагностике подвесной фарфоровой изоляции контактной сети железных дорог переменного тока. За указанный период времени, путем обхода, было обследовано состояние гирлянд фарфоровых изоляторов на опорах контактной сети участков дороги общей протяженностью по одному пути более 3500 км. Общее число обследованных гирлянд изоляторов более 160000 шт. Достоверность диагностики составляет более 80 %. На Юдинской дистанции электроснабжения Горьков-ской железной дороги в течение последних лет диагностика подвесной изоляции проводится по методу, разработанному автором. Кроме того, эффективность метода была проверена в ходе специальной опытно-экспериментальной работы, проведенной совместно со службой электрификации и электроснабжения ГЖД, результаты которой приведены в диссертации.

Научная новизна работы.

1. Получены экспериментально обоснованные зависимости распределения температуры и напряжения на гирлянде изоляторов КС переменного тока от активного сопротивления изоляторов, позволяющие связать различные состояния изоляции с тепловым излучением и излучением ПЧР.

2. Показана целесообразность совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР многоэлементной изолирующей конструкции для повышения достоверности оценки состояния изоляции за счет снижения неоднозначности в интерпретации данных, получаемых с отдельных приборов. Установлено, что совместное использование приборов, регистрирующих тепловое излучение и излучение ПЧР, может заменить контактную диагностику с помощью измерительной штанги.

3. Предложен метод выявления дефектных многоэлементных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока, по значениям среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении интенсивности теплового излучения конструкции и интенсивности излучения ПЧР, позволяющий повысить эффективность контроля состояния изоляции.

4. Предложна методика тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока, которая позволяет снизить влияние неоднозначной зависимости температуры отдельного изолятора от его активного сопротивления при анализе состояния изолирующей конструкции.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- Разработан комплексный метод дистанционного контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций под напряжением переменного тока на основе совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР, который прошел проверку на ГЖД и рекомендован для диагностики подвесной фарфоровой изоляции. Данный метод внедрен на Юдинской дистанции электроснабжения ГЖД и используется для плановой диагностики гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов, о чем имеется акт внедрения.

- Разработана «Методика тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока», которая утверждена Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» и рекомендована для применения в устройствах контактной сети переменного тока железных дорог России, о чем имеется акт внедрения.

- Определены требования к аппаратуре и условиям проведения контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций КС и ТП под рабочим напряжением переменного тока на основе совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР.

Личный вклад автора.

1. Автором проведены теоретические расчеты и обоснована целесообразность совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР для повышения эффективности дистанционного контроля состояния многоэлементных изолирующих конструкций электрифицированных железных дорог переменного тока. Автор был организатором и непосредственным участником лабораторных и натурных экспериментов.

2. Предложена идея и описан способ выявления дефектных многоэлементных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока, по значениям среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении интенсивности теплового излучения конструкции и интенсивности излучения ПЧР.

3. Разработана методика тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока.

4. Предложена структура аппаратно-программного комплекса для дистанционной диагностики высоковольтных изоляторов и алгоритм работы компьютерной программы для обработки термограмм изолирующих конструкций.

Положения выносимые на защиту.

1. Зависимости распределения температуры и напряжения на гирлянде изоляторов КС переменного тока от активного сопротивления изоляторов.

2. Обоснование целесообразности совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР многоэлементной изолирующей конструкции, находящейся под напряжением переменного тока, для повышения достоверности контроля состояния изоляции.

3. Новый метод выявления дефектных многоэлементных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока, по значениям среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении интенсивности теплового излучения конструкции и интенсивности излучения ПЧР.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- 13-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция (г. Казань, 2001 г.);

- Российский национальный симпозиум по энергетике (г. Казань, 2001г.);

- 18-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция (г. Казань, 2006 г.);

- сетевое совещание Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» по теме «Опыт создания и применения средств диагностики устройств тягового электроснабжения» (г. Екатеринбург, 2004 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ: 2 статьи и тезисы докладов для трех конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 134 страницах текста, иллюстрируется 34 рисунками и 24 таблицами. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований и 4 приложений на 38 листах.

Выводы по главе 4.

1. Разработанная методика тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции позволяет эффективно контролировать состояние гирлянд изоляторов на контактной сети железных дорог переменного тока.

2. Проверка алгоритма и программы для обработки термограмм гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов показала возможность повышения точности диагностики при использовании компьютерной обработки по сравнению с субъективной оценкой (по виду изоляторов на термограммах), которая использовалась ранее.

3. Созданный на основе разработанного метода и программного обеспечения экспериментальный образец комплекса диагностики высоковольтных изоляторов успешно применяется на дистанциях электроснабжения железных дорог.

2. Внедрение комплекса в практику технического обслуживания контактной сети и подстанций системы электроснабжения железных дорог может на порядок снизить трудоемкость и материальные затраты на проведение диагностики изоляторов и контактных соединений.

3. Создаваемый комплекс ориентирован на специалиста средней квалификации - инженера или старшего электромеханика района контактной сети или подстанции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ отечественных и зарубежных публикаций показывает доминирующее положение в устройствах электроснабжения железных дорог и энергетике повреждений по причине выхода из строя изоляции.

2. В России и других странах до сих пор основным видом контроля состояния изоляции на контактной сети и высоковольтных линиях является визуальный осмотр. Низкая эффективность визуальных осмотров является причиной того, что большое число отключений в устройствах бывает не выявлено. Инструментальные методы для дистанционного контроля состояния изоляции, установленные нормативными документами, имеют достаточно низкую достоверность и практически не используются.

3. Для контроля внешних изолирующих конструкций предпочтительны дистанционные методы, которые не требуют отключения оборудования и не влияют на его работу. Наиболее эффективными являются методы, основанные на регистрации теплового (инфракрасного) излучения и излучения разрядных процессов - оптические и акустические.

4. Все рассмотренные методы дистанционного контроля состояния изоляции (акустический, оптический, тепловизионный) применительно к многоэлементной изолирующей конструкции обладают своей ограниченной эффективностью. Каждый из них в отдельности эффективен в основном лишь при обнаружении развитых дефектов, что не достаточно при контроле состояния изолирующих конструкций, расположенных на опорах контактной сети. Одновременное использование для контроля изолирующих конструкций приборов, основанных на регистрации излучения разрядов и инфракрасного (теплового) излучения, позволит повысить эффективность выявления дефектов изоляции.

5. Полученные в данной работе экспериментально обоснованные зависимости распределения температуры и напряжения на гирлянде изоляторов контактной сети переменного тока от активного сопротивления изоляторов, позволяют связать любое возможное состояние многоэлементной изолирующей конструкции с регистрируемым тепловым излучением и излучением поверхностных частичных разрядов (ПЧР).

6. В процессе исследования показана целесообразность совместной регистрации теплового излучения и излучения ПЧР для повышения достоверности определения состояния изоляции многоэлементных изолирующих конструкций за счет уменьшения неоднозначности в интерпретации данных, получаемых с отдельных приборов. Совместное использование приборов регистрирующих тепловое излучение и излучение ПЧР может полностью заменить контактную диагностику (с помощью измерительной штанги).

7. Теоретические и лабораторные исследования подтверждены в ходе опытно-экспериментальной работы по диагностике гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов. В результате выборочной проверки гирлянд изоляторов, снятых по результатам диагностики с опор контактной сети, было установлено, что достоверность определения состояния изоляции составляет 80,95 %.

8. Разработанный метод позволяет выявить дефекты многоэлементных или многозвенных изолирующих конструкций, находящихся под рабочим напряжением переменного тока, по значениям среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении интенсивности теплового излучения конструкции и интенсивности излучения ПЧР. Техническим результатом при реализации метода является возможность выявления дефектов на ранней стадии их развития и повышение достоверности определения состояния изоляции. На основе статистической обработки данных, полученных в ходе натурных экспериментов, показана эффективность диагностики при использовании разработанного метода.

9. Установлены требования к диагностическому оборудованию и условиям проведения работ при реализации метода на практике. Практическая реализация разработанного метода основана на использовании серийно выпускаемого оборудования: тепловизоры, пирометры, ультразвуковые и электронно-оптические дефектоскопы.

10. На основе предложенного метода выявления дефектных многоэлементных или многозвенных изолирующих конструкций разработана «Методика тепловизионной диагностики подвесной фарфоровой изоляции электрифицированных железных дорог переменного тока», утвержденная и рекомендованная для применения в устройствах контактной сети переменного тока Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги».

11. Разработаны алгоритм и программа для обработки термограмм гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов. Проверка алгоритма с помощью программы показала возможность повышения достоверности определения состояния изоляции при использовании компьютерной обработки по сравнению с субъективной оценкой (по виду изоляторов на термограммах), которая использовалась ранее.

12. Обоснована структура аппаратно-программного комплекса диагностики высоковольтных изоляторов и создан экспериментальный образец, который прошел проверку на дистанциях электроснабжения Горьковской железной дороги. Внедрение комплекса в практику технического обслуживания электрооборудования железных дорог позволяет повысить эффективность и безопасность работ по контролю состояния изолирующих конструкций при значительном снижении трудоемкости.

13. Последующему изучению подлежат вопросы оценки влияния вынужденного теплообмена на достоверность определения состояния изоляции многоэлементных конструкций и особенности контроля опорной изоляции в электроустановках предложенным в данной работе методом.

1. Перспективы создания компьютеризированной системы диагностирования изоляторов контактной сети по УФ излучению / Ю.И. Плотников, Скороходов Д.А., Герасимов В.П., Федоришин Ю.М., Грачев В.Ф. // Железные дороги мира. 2004. - №7.- С. 50-53.

2. Барг И.Г., Эдельман В.И. Воздушные линии электропередачи. -М.: Энергоатомиздат. 1985. - 248 с.

3. Cimador A., Lapeyre J.L., Parraud R., De Toureil С. Reliability of insulators for overhead lines. -35-th CIGRE Session, Paris. 1994. - Panel 3 - 04.

4. Маддок, Алнут, Ферпоссон и др. Исследования старения ВЛ. В кн. «Воздушные линии электропередачи: Переводы докладов Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-86)» /Под ред.

5. B,А. Шкапцова. М.: Энергоатомиздат^ - 1988. - С. 60 -77.

6. Devine С.М., Farquhar J.A. Bad insulators pose hidden threat // Electrical world. 1985. - v. 199, N12. - P. 59 -61.

7. Тиходеев H.H. Методы испытаний и надежность оборудования для подстанций высокого, сверх- и ультравысокого напряжений; 1. Состояние проблемы. Внешняя изоляция // Известия РАН. Энергетика. 1993. - № 3.1. C. 42-60.

8. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог : ЦЭ-868 : Утв. М-вом путей сообщения РФ 11.12.2001.-Москва.-2002.

9. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций электрифицированных железных дорог : ЦЭ-936 : утв. М-вом путей сообщения РФ 14*03*2003* Москва. - 2003*

10. Thione L. An overview of line diagnostic techniques /38th CIGRE Session. Paris. - 2000. - P. 1 - 02.

11. A. J. Phillips and R. Melaia "Ultrasonic emission from non-ceramic insulators with defects", 11th International Symposium on High Voltage Engineering, London, UKj 22-27 August. -1999. P, 131-134,

12. Cigre Working Group 22.03 (convener C. de Tourreil). Review of'in service diagnostic testing' of composite insulators // Electra. 1996, No. 169, - P. 105-119.

13. A. J. Phillips. EPRI's experiences with in-service inspection of nonceramic insulators // Insulator 2000 World Congress, Barcelona, Spain, November. 1999. - P. 231-240.

14. Symposium on Electrical Insulation, Pittsburgh, PA USA, 5-8 June. 1994. - P. 22-24.

15. D. W. Auckland, C. D. Smith, and B. R. Varlow. Ultrasound adiagnostic tool for NDT of insulation degradation // 6th International Conference on Dielec-trical Materials, Measurements and Applications. - 1992. - P.l 15-118.

16. Закарюкин В,П. Техника высоких напряжений: Конспект лекций. -Иркутск: ИрГУПС. 2003. - 137 с.

17. Кудратиллаев A.C. Методы и устройства контроля изоляции высокого напряжения; -Ташкент: ФАН, 1988, - 212 с,

18. Сибиряков ВТ. Разработка методики и аппаратуры для дистанционного оптического контроля высоковольтной изоляции ВЛ и ОРУ, Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. -Новосибирск, 1985. -207 с.

19. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. М.: Мир. - 1968. -390 с.

20. Соболева Н.А., Берковский А.Г. и др. Фотоэлектронные приборы. -М.: Наука.-1965;-592 С;

21. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. -М.: Радио и связь. 1988. - 272 с.35; Аксаненко М.Д., Бараночников МЛ; Приемники оптического излучения. М.: Радио и связь. -1987. - 296 с.

22. Изнар А.Н. Электронно оптические приборы. - М.; Машиностроение. -1977.-264 с.37» Соул Д. Электронно -оптическое фотографирование. М.: Воениз-дат. -1972. -404 с.

23. С. de Tourreil. Status of inspection techniques to assess the condition of non-ceramic insulators in service // Insulator 2000 World Congress, Barcelona, Spain, November; 1999; - P; 222-230.

24. G. H. Vaillancourt and P. Bilodeau. Diagnostic testing of composite insulators used on series compensation platforms in Hydro-Quebec //11th International Symposium on High Voltage Engineering, London, UK, 22-27 August. 1999. -Р» 127-130.

25. A. J. Phillips. EPRI's experiences with in-service inspection of nonceramic insulators // Insulator 2000 World Congress, Barcelona, Spain, November. 1999. -P. 231-240.

26. E. Spangenberg and G. Riquel. In service diagnostic of composite insulators EDF's test results // 10th International Symposium on High Voltage Engineering, Montreal, Quebec, Canada, 25-29 August. 1997» - Р» 139-142»

27. A. Bognar, A. Janko, Е. Kreskay, and P. Szaplonczay. FCI Furukawa's solution for the third millenium: Enhancement in reliability of non-ceramic insulators // World Insulator Congress. 2001.

28. Personal communication with Hakan Wieck at STRI AB. Sweden. -2002.

29. О тепловизионном контроле электротехнического оборудования. /Масленников Д.С., Константинов А.Г., Осотов В.Н. и др. // Электрические станции. 1985. - № 11* - С. 73-75.

30. Перетокин Б.П. Применение тепловизора для инфракрасного диагностирования электрического оборудования и соединения проводов // Изв. вузов. Электромеханика. -1990. -№11.

31. Опыт тепловизионного контроля В Л и трансформаторных подстанций / Вихров В>Н. // Энергетик. -1992. С* 14.

32. Использование тепловизоров для контроля состояния электрооборудования в КОЛЭНЕРГО // Власов А.Б., Афанасьев Н.С., Джура А.В. // Электрические станции. -1994. № 12. - С. 44-45.

33. Бажанов С.А. Перспективы использования инфракрасной диагностики в энергетике // Энергетик. 2001. - № 8.

34. Михеев Г,М. Тепловизионный контроль высоковольтного оборудования // Электрические станции. 1997. - № 11. - С. 59-61.

35. Тепловизионный контроль при организации ремонтов электротехнического оборудования по его состоянию. /Обложин В.А. // Электрические станции. 2000. - № 6. - С* 58-63*

36. Инфракрасная термография в диагностике высоковольтного ЭО /

37. Моисеев В.А., Лукичев А.Н. // Энергетик. 2003. - № 10.6Ь Опыт тепловизионного контроля выключателей ВМТ-110, ВМТ-220 / Михеев Г.М., Елисеев И.П. // Энергетик. 1994. - № 10. - С. 14-15.

38. Вагон-лаборатория нового поколения для испытаний контактной сети / В. П. Герасимов, А. В. Пешин, Ю. М. Федоришин, Н. А. Бондарев // Железные дороги мира. 1998» - № 12» - С» 22 - 28.

39. Контроль подвесной изоляции тепловизором / Обложин В.А. // Электрические станции. 1999. - №11» - С» 58-63»

40. М. Kuhl. FRP rods for brittle fracture resistant composite insulators // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2001»- Vol. 8, No. 2»

41. R. A. Bernstorf. Time-load testing of nonceramic insulators with fiberglass core rod-a 20 year summary // 1999 IEEE Transmission and Distribution Conference, New Orleans, USA, 11-16 April. 1999. - P. 823 - 826.

42. J. T. Burnham and R. J; Waidelich. Gunshot damage to ceramic and non-ceramic insulators // IEEE Transactions on Power Delivery. 1997. - Vol. 12, No. 4, - P. 1651-1656.

43. R. Scarpetta, A. Scarpetta, and G. Giobbe. A twenty years experience in manufacturing composite insulators // 2001 World Insulator Congress and Exhibition, Shanghai, China, 18-21 November. 2001. - P. 346- 360.

44. Experience with non-ceramic bushings at Florida-based utility // Insulator News and Market Report. 1997. - Vol. 5, No. 6. - P. 30-35.

45. L. Xidong, W, Shaowu, F, Ju, and G, Zhicheng, Application and evaluation of composite insulators in China // 2001 World Insulator Congress and Exhibition, Shanghai, China, 18-21 November, 2001, - P. 29-42,

46. Ультрафиолетовая и инфракрасная дефектоскопия изоляционных конструкций / Арбузов Р, С) Лавров В. Ю., Толчин В, М,, Овсянников А, Г. // Энергетик. 2004. - № 8. - С. 34-35.

47. Новые возможности инфракрасного и ультрафиолетового контроля электроэнергетического оборудования / Милованов С.В. // Энергетик. 2005. -С 39.

48. В.Д. Абрамов, М.В. Хомяков. Эксплуатация изоляторов высокого напряжения, М,: Энергия, - 1976,

49. Комплексный подход к дистанционной диагностике состояния подвесной изоляции / Алеев Р. М., Зарипов Д.К., Лопухова Т.В. // Известия ВУЗов, Проблемы энергетики. 2004, - № 3-4, - С, 78-86.

50. Метод дистанционной диагностики высоковольтной изолирующей конструкции / Зарипов ДЛС* Лопухова Т,В,// Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. 2006. - № 3-4. - С. 57-61.

51. Кучинский Г. С., Грейсух В. С., Пинталь Ю. С. Изоляция установок высокого напряжения. М: Энергоиздат. - 1986.

52. Криксунов Л. 3. Справочник по основам инфракрасной техники. -М: Советское радио, 1978,

53. А.с. № 883807 СССР, МКИ G 01 R 31/08. Оптический способ дистанционного контроля состояния наружной и линейной изоляции / С.М. Коробейников, А.Г. Овсянников, В.Г. Сибиряков и Э.В. Яншин. 1980.

54. А. с. № 1679422 СССР, МКИ G 01 R31/12. Способ диагностики твердой высоковольтной изоляции / И.Г. Трипонь, В.Н. Вариводов. 1986.

55. А. с. № 1173358 СССР, МКИ G 01 R31/12. Устройство для дистанционного контроля состояния изоляции / А.С. Кудратиллаев, К. Каунбаев. -1984,

56. А. с. №1238003 СССР, G 01 R31/08. Устройство для дистанционного оптического контроля изоляции. // А.Г. Овсянников, Э.В» Яншин и др. 1986.

57. Patent № JP63175776, G 01R31.12Method and device for diagnosing insulation of electric equipment. 1988,

58. Patent № JP2003043094, G 01 R31/08. Electromagnetic wave source detecting method, and method and apparatus for diagnosing insulation deterioration, 1988.

59. Patent № JP4364483, G 01 R31/08. Detecting method of faulty or stained insulation* 1992.

60. Patent № JP7229948, G 01 R31/12. Method and device for detecting defective insulation. 1995.

61. A. c. № 588516 СССР, МКИ G 01 R 31/08. Способ дистанционного определения пробитых изоляторов высоковольтных линий / А.С. Кудратил-лаев, К. Каумбаев, С. Султанов. № 18430114/24-07; опубл. 19.01.78,1. Бюл. № 2.

62. Patent № JP2159581, G 01 R31/12. Judging method of deterioration of insulation of insulator. 1990.

63. ЦЭ № 197-5 : утв. Департаментом электрификации и электроснабжения МПС 16.02.2000: Книга 2. Москва, -2000.105. «Технологические карты на работы по содержанию и ремонту устройств контактной сети электрифицированных железных дорог» :

64. ЦЭ № 197-5 : утв. Департаментом электрификации и электроснабжения МПС 16.02.2000 : Книга 3. Москва, -2000.