СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ АКУСТОЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ИЗОЛЯЦИИ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
METHOD OF REMOTE ACOUSTOELECTROMAGNETIC DIAGNOSIS OF STATE OF LINE INSULATION OF ALTERNATING CURRENT OVERHEAD SYSTEM FOR RAILWAY TRANSPORT

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и средствам диагностирования и может быть использовано при создании устройств для выявления неисправных изоляционных элементов контактной сети переменного тока железной дороги, а также для определения местоположения неисправного изолятора в гирлянде изоляторов.
Известен способ диагностики изоляторов высоковольтных линий 6, 10 и 35 кВ, контактной сети, питающих линий и ДПР 25 кВ ультразвуковым дефектоскопом [1]. Обследование гирлянды изоляторов ведется прибором типа УД-8 с земли при наличии напряжения [2]. Гирлянда изоляторов считается дефектной, если зарегистрирован звуковой сигнал прибора, усиливающийся при приближении его к исследуемой гирлянде изоляторов.
Недостатком известного способа является высокий уровень посторонних шумов, принимаемых прибором, что приводит к выявлению нормальных гирлянд как неисправных, на которых возникает поверхностный частичный разряд (ПЧР) из-за загрязнения изоляторов [3].
Известен способ бесконтактного и дистанционного контроля электропрочности гирлянд изоляторов воздушных высоковольтных линий электропередачи [4]. Он позволяет по регистрации высокочастотного излучения антенной определить опору линии электропередачи, где потеряна электропрочность, а затем при помощи СВЧ-локатора диапазона частот 3-30 ГГц и узконаправленной антенны на указанной опоре определить неисправную гирлянду изоляторов.
Недостатком известного способа является необходимость генерации СВЧ-импульсов, что значительно усложняет методику проведения диагностики.
Известен также способ определения состояния линейной изоляции распределительных сетей и определения места ее повреждения [5]. При возникновении частичных разрядов (ЧР) в поврежденной изоляции приемным устройством регистрируется высокочастотное излучение. Этот сигнал сравнивается с эталонным, который характерен определенному типу дефекта. При совпадении зарегистрированного сигнала с эталонным определяется местоположение дефекта.
Недостатком известного способа является невозможность отличить сигнал, возникающий в результате частичного или поверхностного пробоя исследуемой изоляции от сигналов различного рода электромагнитных помех.
Наиболее близким аналогом является способ диагностики изоляторов высоковольтных линий, контактной сети ультразвуковым дефектоскопом [1, 2]. Однако при всем многообразии способов дистанционной диагностики линейной изоляции всем им присущ общий недостаток - они не совершенны, так как не учитывают, в достаточной мере, совокупность проявления физических процессов, приводящих к потере изолирующих свойств.
Целью предлагаемого изобретения является разработка комплексного акустоэлектромагнитного способа дистанционной диагностики состояния линейной изоляции контактной сети переменного тока. Это позволяет установить неисправность гирлянды изоляторов по нескольким диагностическим признакам.
Сущность способа заключается в комплексной оценки акустического и электромагнитного излучения ЧР, возникающего в изоляторах контактной сети железнодорожного транспорта. Качество диагностики изоляторов определяется полным выявлением неисправных изоляторов, что существующими методами не выполняется. Предвестником выхода из строя изолятора служат ЧР, которые появляются в теле диэлектрика при эксплуатации. Известно, что различные характеристики ЧР позволяют выявлять дефектные места в изоляции высокого оборудования на ранних стадиях [6, 7]. В связи с этим в данном способе предлагается использовать для диагностики изоляции регистрацию акустического и электромагнитного излучения ЧР по определенным в экспериментах параметрам ЧР в фарфоровых изоляторах, таких как частота следования импульсов ЧР и их длительность (оценка спектра регистрируемого при помощи широкополосной антенны сигнала).
Полученные во время экспериментов результаты позволили разработать два диагностических признака неисправных гирлянд фарфоровых изоляторов. Проиллюстрируем примерами выявленные на железной дороге и в лабораторных условиях диагностические признаки неисправных гирлянд изоляторов с использованием широкополосной антенны, ультразвуковых дефектоскопов типа УД-8 и Ultraprobe и ультразвукового микрофона. Сигналы регистрировались цифровым двухканальным осциллографом типа DSO 3202A. Диапазон измерений осциллографа 200 МГц, его АЦП работает с 1 Гвыб/сек. Синхронно с регистрацией временной формы сигнала прибор позволяет проводить математический анализ измеренного сигнала, т.е. оценивать его спектр сигнала при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье, осуществлять фильтрацию сигналов и их усреднение. Полученные данные в виде спектра и осциллограмм можно записать в память ПЭВМ.
Для обоснования первого диагностического признака на фиг.1 и 2 показаны результаты исследований акустического и электромагнитного излучений ЧР в звуковом диапазоне.
На фиг.1 приведены осциллограммы акустического излучения разрядов, возникающих на гирлянде из трех изоляторов при номинальном напряжении контактной сети 27,5 кВ. Регистрация акустической эмиссии осуществляется при помощи ультразвукового дефектоскопа (канал 2, фиг.1а и б). При наличии в гирлянде из трех изоляторов одного неисправного изолятора регистрируемая осциллографом частота следования пачек импульсов акустического сигнала равна 50 Гц (фиг.1а, канал 2). Если в гирлянде два неисправных изолятора, то частота возрастает в два и более раз (фиг.1б, канал 2). Для пояснения признака по первому каналу приводится осциллограмма наведенного на антенну напряжения частотой 50 Гц. Осциллограммы на фиг.1 приведены в следующем масштабе: фиг.1a: по оси Х - 10 мс/дел, по оси Y - канал 1 - 2 мВ/дел, канал 2 - 100 мВ/дел, фиг.1б: по оси Х - 10 мс/дел, по оси Y - канал 1 - 10 мВ/дел, канал 2 - 500 мВ/дел.
Полученный результат подтверждается регистрацией электромагнитной эмиссии ЧР (фиг.2). Для записи этих сигналов необходимо использовать одно из многочисленных свойств цифрового осциллографа: его работу в режиме пикового детектирования. Известно, что длительность импульса ЧР изменяется в диапазоне от единиц до сотен наносекунд [7-9]. Поэтому для отображения коротких импульсов ЧР на временной шкале порядка 10 милисекунд необходимо использовать осциллограф, обладающий подобными функциями. Эти данные фиксируются при помощи широкополосной антенны. На фиг.2 приведены осциллограммы последовательности электромагнитных импульсов ЧР, возникающих в гирляндах из трех изоляторов, зарегистрированных широкополосной антенной (канал 1, фиг.2). Как и в случае с регистрацией сигналов ультразвуковым дефектоскопом, частота повторений разрядных импульсов в гирлянде из двух исправных и одного неисправного изоляторов равна 50 Гц (осциллограмма фиг.2а), если в гирлянде из трех изоляторов присутствует два неисправных изолятора, то частота следования импульсов возрастает в два и более раз (осциллограмма фиг.2б). На фиг.2, канал 2 показана регистрация антенной наведенного напряжения частотой 50 Гц. Напряжение на исследуемых гирляндах равно 27,5 кВ. Осциллограммы на фиг.2 приведены в следующем масштабе: фиг.2а: по оси Х - 10 мс/дел, по оси Y - канал 1 - 5 мВ/дел, канал 2 - 10 мВ/дел, фиг.2б: по оси Х - 10 мс/дел, по оси Y - канал 1 - 2 мВ/дел, канал 2 - 10 мВ/дел.
Сопоставление результатов, приведенных на фиг.1 и 2, свидетельствует о том, что частота следования электромагнитных и акустических импульсов ЧР зависит от числа неисправных изоляторов в гирлянде. А именно, с ростом числа дефектных изоляторов в гирлянде, она увеличивается. Данный эффект рассматривается нами как первый диагностический признак неисправных гирлянд фарфоровых изоляторов контактной сети.
Для обоснования второго диагностического признака на фиг.3-5 приводятся результаты исследований электромагнитного излучения ЧР в высокочастотном диапазоне. Известно, что форма импульсов ЧР представляет собой видеоимпульс [8, 9]. Довольно часто он регистрируется как радиоимпульс. При возникновении ЧР в изоляторах контактной сети переменного тока с номинальным напряжением 27,5 кВ осциллографом при помощи широкополосной антенны регистрируются сигналы, позволяющие установить форму импульсов и их длительность. На фиг.3 приведены осциллограммы импульсов ЧР, возникающие в гирляндах с дефектными фарфоровыми изоляторами контактной сети переменного тока. Фиг.3а - осциллограмма последовательности из нескольких импульсов ЧР, уменьшающихся по амплитуде (масштаб: по оси Х - 20 нс/дел, по оси Y - 2 мВ/дел); фиг.3б - осциллограмма импульса ЧР, зарегистрированная в форме видеоимпульса (масштаб: по оси Х - 200 нс/дел, по оси Y - 2 мВ/дел).
Анализ результатов регистрации электромагнитного излучения ЧР позволяет заключить, что частота следования импульсов ЧР и их длительность определяют спектральные характеристики сигналов. Изучая спектр электромагнитного излучения, можно установить критерий, позволяющий оценить состояние гирлянд изоляторов. Одиночный видеоимпульс дает спектр, ширина которого зависит от длительности импульса, а серия из нескольких видеоимпульсов формирует линейчатый спектр, дискретные частоты которого позволяют определить частоту следования последовательности из нескольких видеоимпульсов. Одновременно регистрируя цифровым осциллографом осциллограммы и спектр импульсов ЧР, возникающих в гирляндах с дефектными изоляторами (фиг.4), можно определить электрические параметры импульсов ЧР. Анализируя спектр импульсов ЧР (фиг.4б), полученным в результате обработки сигнала при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ), реализованного в цифровом осциллографе (масштаб по оси X - 25 МГц/дел, по оси Y - 1 мВ/дел; маркерами отмечены дискретные частоты 23 и 43 МГц), определяется ширина спектра, в данном случае она равна 80 МГц, следовательно, длительность импульса ЧР (фиг.4а - осциллограмма импульсов ЧР, масштаб: по оси X : 50 нс/дел, по оси Y : 5 мВ/дел.) равна 12,5 нc.
При эксплуатации изоляции в ней возникают ЧР разной мощности [7], поэтому, регистрируя сигналы выше определенного критического уровня, можно судить о дефектности гирлянды изоляторов. На фиг.5 приведены спектры импульсов ЧР в гирлянде из трех изоляторов при напряжении 27,5 кВ, зарегистрированные цифровым осциллографом DSO 3202A при помощи широкополосной антенны, от неисправной (фиг.5а) и исправной (фиг.5б) гирлянды изоляторов.
Таким образом, выявленные у неисправных гирлянд изоляторов диагностические признаки позволяют заключить, что, дистанционно регистрируя акустическое и электромагнитное излучения импульсов ЧР, можно оценить оптимальное состояние конкретной гирлянды изоляторов по таким параметрам, как число импульсов ЧР и интенсивность их излучения, что, несомненно, повысит эффективность диагностики.
Предлагаемый способ реализуется устройством, структурная схема которого предоставлена на фиг.6 (структурная схема устройства для реализации способа дистанционной акустоэлектромагнитной диагностики линейной изоляции контактной сети переменного тока железнодорожного транспорта), где описание блоков функциональное:
1 - широкополосная антенна;
2 - усилитель;
3 - ультразвуковой микрофон;
4 - усилитель;
5 - цифровой осциллограф.
В устройстве, выполненном согласно структурной схеме (фиг.6), предложенный способ реализуется по следующему алгоритму:
1. Широкополосную антенну 1, которая соединена последовательно с усилителем 2 и первым каналом цифрового осциллографа 5, размещают в специализированном вагоне-лаборатории. Вблизи антенны устанавливают ультразвуковой микрофон 3, который последовательно соединен с усилителем 4 и вторым каналом цифрового осциллографа 5. Цифровым осциллографом 5 регистрируются осциллограммы акустического и электромагнитного излучения импульсов ЧР.
2. При наличии импульсов ЧР измеритель принимает решение о степени неисправности гирлянды изоляторов согласно первому диагностическому признаку.
3. Выявленные по п.2 гирлянды изоляторов отдельно проверяют следующей методикой. Посредством широкополосной антенны 1, которую размещают под интересующей гирляндой изоляторов, в высокочастотном диапазоне (до 200 МГц) измеритель регистрирует осциллограмму и ее спектр цифровым осциллографом 5 и принимает решение о функциональном состоянии исследуемой гирлянды на основании второго диагностического признака.
4. Сопоставляя результаты диагностики по двум признакам, измеритель принимает решение о сроках замены неисправной гирлянды изоляторов.
Литература
1. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог, N ЦЭ-868 [Текст]: 2002.
2. Базанов В.П. Ультразвуковой метод контроля фарфоровой изоляции воздушных линий электропередачи 35-220 кВ [Текст] / В.П.Базанов, М.В.Спирин, В.А.Тураев // Энергетик. - 2000. - №4. - С.16-17.
3. Богданов Ю.Г. К вопросу дефектировки изоляторов контактной сети [Текст] / Ю.Г.Богданов, В.Г.Рогацкий // Вестник ВНИИЖТа, 2003. - №3. - С.28-30.
4. Шмидт Н.М., Шмидт И.М. Способ бесконтактного и дистанционного контроля электропрочности гирлянд изоляторов воздушных высоковольтных линий электропередачи. RU 2058559 С1, 20.04.1996.
5. Рыбаков Л.М., Биткин И.И., Соловьев Д.Г. Способ определения состояния линейной изоляции распределительных сетей и определения места ее повреждения. RU 2207581 С2, 27.06.2003.
6. Вдовико В.П. Применение характеристик частичных разрядов при диагностике электрической изоляции высоковольтного оборудования [Электрон, ресурс] /В.П.Вдовико// Проблемы диагностики электрической изоляции высоковольтного оборудования: Материалы VIII научно-практ. семинара. - Новосибирск СибНИИЭ. - 2005. - Электрон, опт. диск (CD-ROM).
7. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях [Текст] /Г.С.Кучинский. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979. - 224 с.
8. Овсянников А.Г. Пространственно-временные и энергетические характеристики частичных разрядов в воздушных полостях твердых диэлектриков // Научный вестник НГТУ. - 1999. - №2(5). - С.123-136.
9. Техника высоких напряжений: учеб. пособие для вузов / под ред. Г.С.Кучинского. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2003. - 608 с.