Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМ

Бесконтактные методы и средства диагностики контактной сети железной дороги

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень обозначений и сокращений

Введение

1. Обзор систем измерения параметров контактного провода

1.1 Вагоны-лаборатории испытаний контактной сети (ВИКС ЦЭ)

1.1.1Устройство для слежения за параметрами контактного провода для автомотрис АДМ-1 (УСП КП)

2. Назначение устройства слежения за параметрами контактного провода

2.1 Технические характеристики и условия эксплуатации

2.2 Состав УСП КП

2.3 Теоретические предпосылки

2.4 Стендовые испытания

2.5 Устройство и работа УСП КП

2.5.1 Принцип работы УСП КП

2.5.2 Калибровка оптической системы

2.5.3 Перспективы создания компьютеризированной системы диагностирования изоляторов контактной сети по ультрафиолетовому излучению

2.5.4 Калибровка оптической системы

2.6 Информационно - вычислительный комплекс

2.7 Устройство и работа БОМ

2.8 Устройство и работа БЭ

2.9 Устройство и работа ПУ

2.10 Устройство и работа датчика боковых перемещений

2.11 Опыт эксплуатации ВИКС на Донецкой железной дороге

3 Обеспечение безопасных условий труда

3.1 Безопасность при работе

3.2 Калибровка оборудования УСП КП

3.3 Монтаж и настройка оборудования УСП КП на АДМ

4 Охрана труда и окружающей среды

4.1 Общие вопросы охраны труда

4.2 Производственная санитария

4.3 Меры безопасности

4.4 Пожарная безопасность

4.5 Расчет искусственного освещения

4.6 Охрана окружающей среды

5 Гражданская оборона

6 Технико-экономическое обоснование УСП КП

6.1 Вступление

6.2 Определение сроков выполнения НИР

6.3 Определение расходов на проведение НИР

6.4 Расчет экономического эффекта от использования результатов НИР

6.4.1 Затраты на ремонтно-эксплуатационное обслуживание и восстановление электрификации

6.5 Расчет экономической эффективности НИР

6.6 Сравнение экономических показателей устройства по сравнению с аналогами

6.7 Выводы

Заключение

Список источников информации

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

диагностика контактная сеть железная дорога

АДМ - автомотриса;

БОМ - блок оптико-механический;

БСО - блок сопряжения с объектом;

БЭ - блок электроники;

ВИКС - вагон-лаборатория испытаний контактной сети;

ДБП - датчик боковых перемещений;

ДС - датчик скорости;

ДТ - датчик температуры;

ЖКИ - жидкокристаллический индикатор;

ИВК - информационно-вычислительный комплекс;

КП - контактный провод;

ПДУ - пульт дистанционного управления;

ПЗС - прибор с зарядовой связью;

ПрД - передатчик;

ПрМ - приемник;

ПУ - пульт управления;

ТВ камера - телевизионная камера;

УГР - уровень головок рельс;

УСП КП - устройство слежения за параметрами контактного провода;

ЭВМ - электронно-вычислительная машина.

ВВЕДЕНИЕ

Транспортные сети, связывающие между собой промышленные центры, города и населенные пункты играют большую роль в нормальном функционировании и развитии народного хозяйства нашей страны. В настоящее время в Украине основной объем грузоперевозок осуществляет железнодорожный транспорт. Это связано с простотой и дешевизной его эксплуатации, быстрой самоокупаемостью и универсальностью в плане разнообразия перевозимых грузов. Для транспортировки одного и того же груза по железной дороге потребуются гораздо меньшие затраты по сравнению, например, с воздушным или автомобильным транспортом Применение электрической тяги на железнодорожном транспорте и развитие техники в этом направлении еще более удешевили и упростили эксплуатацию и обслуживание железнодорожных магистралей. Однако продолжают функционировать и хранятся и другие виды энергопотребителей. Существует большой парк “законсервированной” морально и технически устаревшей на данный момент техники, такой как локомотивы на дизельной тяге и даже паровозы. Их хранят «на случай войны».

Для обеспечения безотказного функционирования сети железных дорог их рабочее состояние необходимо постоянно контролировать. Увеличивающаяся нагрузка на железнодорожные линии при растущей скорости движения поездов ставит постоянно ужесточающиеся требования к контактной сети. Периодический контроль контактной сети необходим для обнаружения на ранней стадии изменений ее состояния. Так, например колебания контактного провода влияют на процесс токосъема, поэтому необходимо постоянно оценивать работоспособность контактной подвески и качества токосъема.

Результаты периодического контроля позволяют правильно, своевременно и с наименьшими затратами планировать и организовывать необходимый ремонт износившихся или поврежденных участков железнодорожного полотна, контактной сети и других элементов железнодорожного хозяйства. Для измерения отклонений от номинальных значений оцениваемых параметров контактной сети, был разработан прибор “Устройство слежения за параметрами контактного провода” (УСП КП).

1 ОБЗОР СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНОГО ПРОВОДА

Диагностикой параметров контактной подвески электрифицированных железных дорог занимаются во всех странах, имеющих такие дороги. Понимание важности проблемы дает довольно большое количество способов ее решений. Рассмотрим несколько зарубежных аналогов измерения параметров контактного провода.

Одним из лидеров - производителей средств диагностики является фирма Gamma Technology. Диагностическая система этой фирмы представляет собой аппаратуру, установленную на специальном вагоне и следящую за многими параметрами. Интересующие нас параметры: высота подвеса и смещение от оси пути контактного провода измеряет лазерная система, установленная на крыше вагона (рис.1.1). Она представляет собой систему из шести лазеров, подвижной системы зеркал и шести телевизионных камер. Система лазеров излучает световой пучок под углом 45 градусов. Система зеркал имеет некоторую механическую свободу и механически следит за положением провода.

Рисунок 1.1

Таким образом, за счет механической свободы устройство постоянно держит провод в поле зрения телевизионных камер. Это показано на рисунке 1.2, при несколько опущенном относительно первого положения положении провода.

Рисунок 1.2

Пучок лазера испускается его источником, попадает на зеркало 1, под углом 45 градусов отражается от него, попадает на провод. Изображение освещенного провода попадает на зеркало 2. С зеркала 2 изображение попадает на камеру. Таких систем всего шесть, расположенных рядом друг с другом.

Для наблюдения за объектом в приборе фирмы Gamma Technology используются матричные камеры. Этим добиваются большой разрешающей способности прибора. Для освещения прибора используется лазерная подсветка, за счет которой световой пучок распределяется равномерно. Однако прибор фирмы Gamma Technology имеет большие габариты. Для его размещения требуется как минимум 1,5 м длины на крыше вагона (диапазон изменения высота подвеса контактного провода).

Прибор фирмы Gamma Technology работает при температурах от -10оС до +40оС, что в условиях нашего климата является явно недостаточным. Наличие подвижных частей в приборе Gamma Technology может привести к неработоспособности прибора при понижении температуры, указанной в условиях эксплуатации. Произойти это может по разным причинам. Одной из таких причин являются, например, обледенения подвижной системы зеркал.

Еще одним достижением в области диагностики параметров контактного провода является разработка сети железных дорог Германии (DBAG). DBAG начали применять бесконтактную измерительную систему с 1982 года, которая обеспечивала надежное измерение положения контактного провода с точностью не менее 10мм при скорости свыше 80 км/час. На первом этапе систему можно было применять только в ночное время. В 1996 году ее доработали, что позволило использовать ее при дневном освещении. В 2000 году FTZ расширил возможности системы, применив камеру с 8192 элементов разрешения на строку, что позволило повысить разрешающую способность.

Положение провода определяются триангуляционным методом. Он заключается в том, что строится треугольник, где основанием служит расстояние между реперными точками, а в вершине находится искомый объект. Для этого использованы четыре строчные камеры с высоким разрешением, которые вместе с прожекторами размещены на жесткой несущей балке, образуя модуль, в готовом виде монтируемый на крыше измерительного вагона, электропоезда или локомотива.

При дневном освещении контактный провод воспринимается как темный объект на светлом фоне, а ночью или в тоннелях благодаря подсветке - как светлый объект на темном. В качестве источника света можно использовать прожектор, лазер или газоразрядные монохромные лампы.

Измерительный интервал, представляющий собой расстояние между двумя точками измерений, зависит от времени, затрачиваемого системой на выполнение расчетов, и скорости движения. При скорости 120 км/час он лежит в пределах 10мм.

Аналогичными свойствами (разрешением, быстродействием) обладает измерительный вагон контактной сети фирмы Siemens. Его принцип действия другой. Фиксирующие камеры с соответствующими осветительными системами расположены по бокам вагона. Каждая из них снимает подвеску с одной стороны в течении 45мкс. При скорости движения вагона 80км/час достигается разрешение 0.7 - 2 мм.

Для выполнения измерений в ночное время используется система освещения контактной подвески. Сначала для этого применялись лампы с разрядом в парах металла потребляемой мощностью 10кВт, выполненные в виде прожекторов. В дальнейшем, в связи с дефицитом свободного места в месте расположения видеокамер и слепящего действия прожекторов, стали использовать систему на базе диодного лазера. Эта система потребляет мощность не больше 15 Вт. При этом луч лазера совмещается с полем зрения камеры.

У обеих систем германских фирм также недостаточен диапазон температур. Они функционируют от -10С до +40С.

Для работы в наших условиях необходим больший диапазон температур: от - 50оС до +55оС. Еще одним необходимым требованием был диапазон измерений параметров контактной сети. Большинство зарубежных диагностических систем имеет диапазон измерения по высоте от 5600 до 6500 мм над уровнем головок рельс (УГР) и 400 мм от оси пути, тогда как в Украине стандартом принят диапазон от 5550мм до 6900мм по высоте подвеса и 600 мм по горизонтальному смещению от оси пути. В 1996 году в России был спроектирован и выпущен вагон измерительный контактной сети (ВИКС) НИИЭФА. Вагон позволяет выполнять все необходимые для диагностирования состояния контактной сети измерения. Однако, его высокая стоимость (примерно 2,4 млн.грн.), не позволяет приобретать вагоны в достаточном количестве. Другим способом решения является измерение параметров подвеса контактного провода вручную. Но это занимает много времени. Альтернативой этим методам является Устройство слежения за параметрами контактного провода (УСПКП), предназначенное для установки на монтажных автомотрисах, имеющихся в достаточном количестве.

1.1 Вагоны-лаборатории испытаний контактной сети (ВИКС ЦЭ)

ООО "НИИЭФА-ЭНЕРГО" разрабатывает и изготавливает вагоны-лаборатории различного назначения. Вагоны-лаборатории изготавливаются на базе цельнометаллических купейных вагонов путем перепланировки и оснащения специальным оборудованием.

В настоящее время вагонами-лабораториями производства ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» оснащены четырнадцать железных дорог России и железная дорога Белоруссии,Украины.

Вагон-лаборатория испытаний контактной сети (ВИКС ЦЭ) нового поколения имеет следующие основные признаки:

- Полная автоматизация измерений и контроля параметров контактной сети, достигаемая компьютеризацией всех систем диагностики и оформлением сводной документации по результатам инспекций.

- Преимущественно бесконтактные методы измерений параметров подвески контактной сети, не требующие использования измерительного токоприемника.

- Широкое использование волоконно-оптических линий передачи информации и датчиков, исключающих необходимость применения в ВИКС ЦЭ высоковольтной камеры.

- Автоматическая привязка к месту измерений с помощью аппаратных и программных средств.

- Мощная энергетика и значительные ресурсы вычислительного комплекса, обеспечивающие возможность дальнейшего развития диагностических систем вагона.

Вагон-лаборатория оснащен современной аппаратурой, выполняющей следующие диагностические функции:

1. Бесконтактные измерения с погрешностью не более ±10 мм из-под крыши вагона высоты подвески и положения в плане от одного до четырех контактных проводов, включая отходящие, с помощью стереотелевизионной системы.

Измерения этих параметров обеспечиваются при движении со скоростью, ограничиваемой только допустимой скоростью вагона-носителя, при любой погоде, кроме условий, исключающих визуальную видимость объектов наблюдения.

Средством измерения является стереотелевизионная система (СТВС), использующая три цифровые линейные телекамеры с встроенными сигнальными микропроцессорами, в которых выполняются алгоритмы отстройки от фона, выделения интересующих объектов и определения их угловых положений. Данные о положении объекта с каждой из камер передаются в ИВК, рассчитывающий высоту и смещение контактного провода.

Телекамеры защищены от воздействий внешней среды вращающимися иллюминаторами, а в нерабочем положении - герметичной заслонкой с приводом изнутри вагона.

Стереотелевизионная система для измерения положения контактного провода

2. Измерения высоты основных стержней фиксаторов с погрешностью ±10 мм осуществляются датчиками, размещенными вдоль бортов вагона

Средством измерения высоты основных стержней фиксаторов являются две дальнометрические системы с двумя линейными цифровыми телекамерами. Поля зрения камер ориентированы вдоль оси пути. Камеры имеют встроенные системы адаптации к изменяющимся условиям освещенности и работают с негативным сигналом днем и позитивным ночью. Для работы в ночном режиме используется подсветка с помощью осветителя с галогенными лампами накаливания.

Датчик измерения высоты фиксаторов

3. Измерения износа контактного провода (до четырех в подвеске) в диапазоне сечений провода 0-50% от номинального с погрешностью не более ±3% номинального сечения при продольном разрешении не более 25 мм, при скорости движения вагона 90 км/ч.

Датчик износа смонтирован на специальном измерительном полозе и представляет собой систему из четырёх линейных цифровых телекамер и инфракрасных светодиодных осветителей. Передача данных в ИВК осуществляется по оптоволоконному кабелю. Датчик предназначен для работы в тёмное время суток.

Датчик износа, установленный на токоприемнике

4. Измерения силы нажатия токоприемника на контактный провод в пределах 40 - 400 Н с погрешностью не более ±5%.

Средства измерений - датчики нажатия на основе тензочувствительных элементов. Усилие нажатия передается на тензочувствительные элементы через дополнительный измерительный полоз.

5. Измерения вертикальных ускорений для учета массы измерительного полоза токоприемника при измерениях нажатия (два акселерометра расположены по краям полоза) и продольных ускорений в горизонтальной плоскости для регистрации ударов и подбоев (один акселерометр расположен в середине полоза).

6. Контроль положения дополнительного стержня фиксатора, контроль сопряжения воздушных стрелок.

Первичными преобразователями являются электромеханические датчики подхватов, расположенные на измерительном токоприемнике

Измерительный токоприемник используется для измерения нажатия и напряжения на контактном проводе, для контроля высоты дополнительного стержня фиксатора и сопряжений воздушных стрелок, для фиксации ударов токоприемника.

Измерительный токоприемник

7. Измерения напряжения на контактном проводе (3,3 кВ постоянного и 27 кВ переменного тока с погрешностью не более ±1%).

Первичный измерительный преобразователь - универсальный резистивный компенсированный делитель напряжения.

Высоковольтная развязка аппаратуры, регистрирующей ускорения, напряжение на контактном проводе, нажатие осуществляется с помощью мультиплексируемой цифровой оптоволоконной линии связи (эта же линия передает дискретные сигналы от датчиков подхватов).

8. Тепловизионный контроль состояния контактной сети.

Тепловизионный контроль состояния контактной сети осуществляется с помощью высокочувствительной, быстродействующей, компьютеризированной системы на базе ИК-камеры ТН7102 фирмы NEC (Япония), установленной на вышке ВИКС ЦЭ. Система позволяет записывать и обрабатывать тепловизионную информацию, передаваемую ИК камерой, по результатам которой определяются дефектные элементы контактной сети. На рис.1.3 представлено термоизображение дефектного обвода усиливающего провода на участке контактной сети постоянного тока.

Рис. 1.3. Изменение температуры несущего троса по его длине (повышенная в зоне стыкового зажима) и его двумерное изображение (кривая изменения температуры)

Термоизображение дефектного обвода усиливающего провода на участке контактной сети постоянного тока.

9.Измерения скорости движения вагона в пределах 0 - 200 км/ч и пройденного им пути с погрешностью не более ±1%.

Средство измерений - устройство с датчиками ЭДС Холла, устанавливаемое на буксе колесной пары.

10. Измерения перемещений кузова вагона относительно уровня головки рельса в пределах 0-150 мм с погрешностью не более ±2%.

Средство измерений - датчики с вращающимися трансформаторами с тросовым приводом и встроенными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

11. Измерения возвышения головки наружного рельса в пределах 0-200 мм с погрешностью не более ±1%.

Результат получается при выполнении совокупных измерений по п.10 и отклонений пола кузова вагона от истинного горизонта лазерной гировертикалью.

12. Измерения температуры окружающей среды (электронный термометр).

13. Фиксация визуальных показателей с помощью специальной клавиатуры с регистрацией в компьютере.

Аппаратура и программное обеспечение ВИКС ЦЭ позволяют решать следующие задачи:

Хранение в памяти компьютера данных нормативных журналов.

Анализ поступающих данных в реальном времени и фиксация отклонений от правил содержания контактной подвески, расчёт оценки в баллах состояния контактной подвески на каждом участке по утверждённой методике.

Возможность составления в памяти компьютера маршрута инспекционного объезда, во время которого производится автоматическая нумерация опор, привязка к пути, закрытие и открытие файлов данных; оператору предоставляется информация о названии перегона или станции, текущем номере опоры; осуществляется распечатка замеченных отклонений.

Дополнение видеозаписи с телекамеры в смотровой вышке титрами с информацией о названии перегона, текущем номере опоры, высоте, зигзаге и выносе контактного провода, скорости движения, температуре окружающего воздуха.

Синхронный просмотр видеозаписи и данных, записанных в компьютер.

1.1.1 Устройство для слежения за параметрами контактного провода для автомотрис АДМ-1 (УСП КП)

Устройство для слежения за параметрами контактного провода для автомотрис АДМ-1 предназначено для бесконтактного измерения геометрических параметров подвеса контактных проводов электрифицированных железных дорог.

Преимуществами разработанного устройства являются:

Бесконтактное измерение высоты подвеса контактных проводов и положения в плане при количестве проводов от одного до четырех с погрешностью ±20 мм.

Автоматическая привязка к точке измерений с помощью аппаратных и программных средств.

Сохранение данных измерений в файле с возможностью последующих просмотра и анализа.

Автоматизированное обнаружение аварийных отклонений в параметрах контактной подвески и сигнализация.

Блок оптико-механический, установленный на капоте автомотрисы АДМ-1

ТЕХНИЧЕСКИЕ характеристики

Габариты блока оптико-механического, мм, не более 1460х490х220

масса, кг, не более 41

Габариты датчика боковых перемещений, мм, не более 400х150х150

масса, кг, не более 14

Габариты блока электроники, мм, не более 400х350х300

масса, кг, не более 23

Температура хранения, °С от минус 50 до плюс 50 °С

Срок службы, лет, н е менее 15

Количество измеряемых контактных проводов (КП) одновременно, шт., не более 4

Диапазон измерения высоты КП над уровнем головок рельс, мм от 5400 до 6900

Диапазон измеряемого положения КП относительно оси токоприемника, мм от минус 600 до плюс 600

Дискретность измерений по длине провода при скорости движения автомотрисы до 80 км/ч, м, не более 1

Абсолютная погрешность измерения высоты подвеса и положения КП с учетом боковых перемещений кузова автомотрисы, мм ±20

СОСТАВ УСП КП:

Блок оптико-механический;

Два датчика боковых перемещений;

Датчик скорости ;

Блок электроники ;

Пульт управления;

Комплект монтажных частей и соединительные кабели.

2 НАЗНАЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА СЛЕЖЕНИЯ ЗА ПАРАМЕТРАМИ КОНТАКТНОГО ПРОВОДА

Усп кп предназначено для бесконтактного измерения геометрических параметров подвеса контактных проводов электрифицированных участков железных дорог, записи полученных параметров на устройство хранения информации и их отображения на мониторе рабочего места оператора УСП КП.

2.1 Технические характеристики и условия эксплуатации

Аппаратура УСП КП осуществляет:

1.Бесконтактное измерение текущего положения высоты контактных проводов над уровнем верха головок рельсов при количестве проводов от одного до четырех в диапазоне от 5500 до 6900 мм с погрешностью 20 мм;

2.Бесконтактное измерение текущего положения контактных проводов (смещение и вынос) в плане при количестве проводов от одного до четырех в диапазоне 600 мм с погрешностью 20 мм;

3.Автоматическую или ручную с пульта управления отметку положения опор контактной сети;

4.Бесконтактное измерение высоты подвеса в точках фиксации на опорах контактных проводов над УГР при количестве проводов от одного до четырех в диапазоне от 5500 до 6900 мм с погрешностью не хуже 20 мм;

5.Бесконтактное измерение горизонтального смещения от оси пути в точках фиксации на опорах контактных проводов в плане при количестве проводов от одного до четырех в диапазоне 600 мм с погрешностью не хуже 20 мм;

6.Дискретность измерений по длине провода при скорости движения автомотрисы до 80 км/ч, - не менее 1 м

7.Измерение скорости движения автомотрисы АДМ в диапазоне от 0 до 80 км/ч с погрешностью не хуже 1 км/ч;

8.Измерение пройденного автомотрисой пути с относительной погрешностью не хуже 0,1%;

9.Измерение температуры наружного воздуха в диапазоне от минус 50 до +500С с погрешностью не более 10С (датчик температуры наружного воздуха устанавливается в вариантном исполнении УСП КП);

10.Термостабилизацию оптико-механического блока.

Программное обеспечение УСП КП позволяет выполнять следующие функции:

1.Автоматическую проверку аппаратной части УСП КП при запуске программы и в процессе работы с отображением результатов проверки на мониторе рабочего места оператора УСП КП;

2.Выбор и управление режимами работы УСП КП;

3.Обслуживание аппаратной части УСП КП и расчет параметров контактной сети в режиме измерения;

4.Привязку результатов измерений к показаниям датчика скорости и пройденного пути, точкам фиксации контактного провода;

5.Отображение измеренных параметров контактной сети на мониторе рабочего места оператора УСП КП в графическом и алфавитно-цифровом виде в реальном масштабе времени;

6.Запись измеренных параметров контактной сети на устройство хранения информации с формированием архива;

7.Регистрацию отклонений измеренных параметров контактной сети от нормативных значений в реальном масштабе времени во время проведения инспекции участков контактной сети.

2.2 Состав УСП КП

В состав УСП КП входят:

(см. схему электрическую структурную УСП КП ).

1.Блок оптико-механический (БОМ);

2.Два датчика боковых перемещений (ДБП);

3.Датчик температуры (ДТ) (датчик температуры наружного воздуха устанавливается в вариантном исполнении УСП КП);

4.Датчик скорости (датчик угла поворота Л178/1.2) (ДС);

5.Блок электроники (БЭ);

6.Пульт управления (ПУ);

2.3 Теоретические предпосылки

В соответствии с ОСТ 32.204 - 2002 «Арматура контактной сети электрифицированных железных дорог. Общие технические условия» качество арматуры, предназначенной для электрического соединения проводов (стыковые, соединительные, питающие и переходные зажимы), определяется, в частности, коэффициентом дефектности Kd по превышению температуры электрического контакта или ответвления, выполненного с помощью этой арматуры.

Коэффициент дефектности Kd определяется отношением удельного теплового потока в контактном соединении или ответвлении к удельному тепловому потоку на проводе вне арматуры. Удельный тепловой поток с поверхности вследствие теплоотдачи в окружающую среду и теплового излучения определяется выражением, Вт/м2:

q = a(T - T0),

где a -- эффективный коэффициент теплоотдачи с поверхности; Т -- температура поверхности; Т0 -- температура окружающего воздуха.

Тогда коэффициент дефектности

Kd = DTc / DTпр,

где DТс и DТпр -- превышение температуры соответственно соединительной или ответвительной арматуры и соединяемого или ответвляемого провода вне арматуры (на расстоянии не менее 1 м от зажима) над температурой окружающей среды при протекании по ним одного и того же тока.

С другой стороны, учитывая известное выражение для количества теплоты, можно записать

Kd = (I2Rc/I2Rпр) = Rc/Rпр,

где I -- сила тока; Rc и Rпр -- электрическое сопротивление соответственно соединительной арматуры и провода.

В общем случае техническое состояние электрического контактного соединения является функцией тока, площади контактного соединения, момента затяжки (для болтового соединения), а также зависит от наличия коррозии, нагара и т. д. Таким образом, определяя соотношение превышений температур (1) с помощью тепловизора, можно косвенно оценить техническое состояние контактного соединения с учетом влияющих на него факторов, а также используя выражение (2).

Контактные соединения рекомендуется считать нормальными, если Kd < 2 -- для соединений «медь -- медь», Kd < 4 -- для соединений «медь -- алюминий» и Kd < 6 -- для соединений «алюминий -- алюминий». Отмечается, что к подобным рекомендациям следует относиться очень осторожно. Так, простой расчет показывает, что если температура окружающей среды +20 °C и превышение температуры провода над ней равно +40 °C, то при Kd = 6 для алюминия превышение температуры контактного соединения над температурой воздуха составит 240 °C. Абсолютная температура зажима достигнет 260 °C, а при такой температуре зажим и соединяемые провода потеряют прочность и разрушатся.

В энергетике согласно нормам испытаний [3] принято оценивать состояние контактного соединения следующим образом: при Kd < 1,2 -- начальная степень неисправности, необходим постоянный контроль; 1,2 Ј Kd Ј 1,5 -- развивающийся дефект, следует принимать меры по устранению неисправности при ближайшем выводе оборудования из работы; Kd > 1,5 -- аварийный дефект, требуется немедленное устранение или замена арматуры.

2.4 Стендовые испытания

Для оценки предельных значений Kd в ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» были проведены специальные стендовые испытания различной арматуры контактной сети при широком диапазоне изменения токовой нагрузки. Установлено, что Kd существенно зависит от тока, протекающего по соответствующему контактному соединению. Так, в диапазоне нагрузок от 100 до 300 А (плотность тока 1 - 3 А/мм2) состояние контактных соединений «медь -- медь» можно оценивать как нормальное при Kd=1,2ё1,7. Аварийному состоянию этих соединений для данного диапазона нагрузок соответствовал Kd > 2,5. Однако стендовые испытания имитировали только один вид дефекта (ослабление болтовых соединений) и не учитывали реальных условий эксплуатации: геометрические характеристики, распределение токов, силу ветра, влияние атмосферных условий и т. д.

2.5 Устройство и работа УСП КП

2.5.1 Принцип работы УСП КП

В основу работы УСП КП положен стереоскопический принцип определения положения объекта в пространстве, основанный на измерении углового положения (угла визирования) объекта относительно осей оптических систем трех разнесенных в пространстве на некоторое базовое расстояние телевизионных (ТВ) камер.

В качестве основного элемента новой системы выбрана тепловизионная (иначе инфракрасная -- ИК) камера ТН7102 фирмы Nec San-ei (Япония -- США), которая поддерживает интерфейс в стандартах PAL/NТSC, IEEE 1394 (скоростной цифровой порт).

В качестве детектора использован матричный неохлаждаемый микроболометр, содержащий 320?240 элементов. Питание камеры осуществляется либо от аккумуляторной батареи напряжением 12 В в течение 1,5 ч без подзаряда, либо от сети 220 или 110 В.

В камере ТН7102 предусмотрены полная автоматическая установка фокуса, чувствительности, температурного диапазона, автоматическая коррекция на внешнюю оптику и пропускание атмосферы. Герметичный титановый корпус позволяет использовать камеру в тяжелых климатических условиях, обеспечивает ее высокую стойкость к ударам (30g) и вибрациям (3g). Благодаря длинноволновому диапазону система устойчиво работает в сложных погодных условиях.

При этом оси оптических систем всех трех камер сориентированы так, что лежат в одной вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению движения автомотрисы. Поля зрения оптических приемников камер с фоточувствительными ПЗС линейками повернуты так, что лежат в одной плоскости с осями оптических систем.

Начало лучей визирования КП каждой камерой определяется положением некоторой узловой точки в центре входного зрачка объектива оптической системы камеры. Узловые точки ТВ камер размещаются на одной линии поперек автомотрисы параллельно плоскости капота автомотрисы на расстоянии S (базовое расстояние) друг от друга (рис. 2.1), причем узловая точка центральной камеры размещается в диаметральной плоскости кузова автомотрисы.

Значения измеренных углов визирования КП крайними камерами Л (левая камера) и П (правая камера) при известном базовом расстоянии S позволяют вычислить высоту контактного провода над линией, соединяющей узловые точки камер (базой ТВ системы) НКП и его смещение относительно диаметральной плоскости кузова автомотрисы LКП по простым формулам:

. (1)

Центральная камера предназначена для выявления и отбрасывания ложных объектов (артефактов), возникающих в точках пересечения лучей визирования, при нахождении в полях зрения камер более одного объекта. Процедура ведется с использованием неравенства:

, (2)

где Ц - угол визирования объекта (КП) центральной камерой телевизионной системы; А - величина, определяемая качеством сведения камер.

Рисунок 2.1 - Положение контактного провода относительно ТВ камер

Далее осуществляется пересчет полученных значений высоты и смещения КП в координаты КП относительно положения головок рельсов железнодорожного пути с использованием информации от датчиков боковых перемещений кузова автомотрисы относительно колесной пары ходовой тележки.

Левая и правая ТВ камеры содержат в своем составе фотодиодные фотоприемники датчика опор контактной сети. Поля зрения фотоприемников лежат в одной плоскости с осями оптических систем ТВ камер и сориентированы так, что при движении автомотрисы в них попадают изображения стержней основных фиксаторов опор контактной сети и не попадают изображения контактных проводов.

На основании информации получаемой от ДС производится привязка к координатам пути, определение скорости и направления движения.

2.5.2 Контроль электротехнических установок с помощью инфракрасной термографии

В железнодорожных электрических установках, промышленности и в энергетических компаниях контроль электротехнических установок с помощью инфракрасных измерений стал обычным элементом системы профилактических испытаний. Этот метод находит такое широкое применение благодаря экономичности, универсальности и достоверности результатов измерения.

Тепловизионные измерения в электрических распределительных устройствах всех классов напряжения энергетические компании применяют уже более 20 лет как классический метод технической диагностики. На промышленных предприятиях высокая эксплуатационная готовность электрических установок, а следовательно, и систем электроснабжения обеспечивается благодаря регулярному контролю с помощью высокопроизводительных систем на базе инфракрасной техники.

Эти методы могут быть использованы и уже частично применяются для профилактических работ по техническому обслуживанию устройств тягового электроснабжения дальних и пригородных линий, городских железных дорог, метрополитена и трамвая. Возможна разработка единого метода профилактического контроля трансформаторов, секционных выключателей, выпрямителей или контактных подвесок. С помощью инфракрасных устройств возможны также измерения на токоприемниках с угольными вставками. Уже после вторых термографических испытаний доля отказов компонентов электротехнических устройств снижается на 80 %.

Указанные испытания должны также проводиться перед сдачей в эксплуатацию новых электротехнических устройств. Профилактические испытания инфракрасными методами значительно снижают опасность возникновения пожаров и поэтому фигурируют во многих противопожарных инструкциях как обязательные.

Цели применения и полезный эффект

Тепловидение, или термография, представляет собой удобный и точный метод измерений и делает возможным исследование и оценку состояния электротехнических установок, что нельзя было реализовать традиционными средствами. Некоторые виды измерений выполнялись, но требовали значительных затрат рабочего времени и средств. Тепловизионные измерения проводятся на работающем оборудовании, т. е. когда установки находятся под напряжением. Термография относится к разряду методов обеспечения безопасности и согласно стандарту DIN VDE 0105 должна использоваться для регулярно проводимых ревизий с целью:

документирования состояния установок и оценки потенциальных рисков;

ранней локализации слабых мест и повреждений;

повышения эксплуатационной готовности и надежности установок;

исключения возможности сопутствующих отказов при аварийных ситуациях;

снижения возможности пожара и несчастных случаев с людьми.

Подробное описание термографических приборов для контроля электротехнических установок приведено в проекте стандарта VdS 2858.

Термография не заменяет обязательных испытаний, проводимых другими методами, а также осмотров, проверки работоспособности и измерения токовой нагрузки, которые должны проводиться в рамках регулярных профилактических испытаний. Контроль плотности винтовых и болтовых соединений с помощью термографии позволяет выявить недостаточную затяжку и своевременно устранить слабое место. Как правило, для обеспечения длительной работоспособности присоединения контроль производится путем полной разборки соединения, зачистки контактных поверхностей, нанесения защитной смазки и последующей затяжки, желательно динамометрическим ключом.

Термографические системы

После открытия инфракрасного излучения в 1800 г. и создания первой инфракрасной камеры в 1929 г. эта техника претерпела значительные изменения. После нефтяного кризиса в 1973 г. интерес к инфракрасной технике значительно повысился в связи с тем, что с ее помощью стало возможным определение мест утечек тепла в зданиях и промышленных установках. Именно в этот период инфракрасная техника получила широкую известность.

Первая промышленно изготовленная инфракрасная камера, дающая тепловизионное изображение, появилась в 1960 г. в Швеции. Она весила 43 кг и охлаждалась жидким азотом. С течением времени камеры становились более легкими и высокопроизводительными. В конце 1980-х годов была создана камера, которая не требовала охлаждения жидким азотом, а использовала такие наиболее современные по тому времени и компактные системы, как охладитель Стирлинга или термоэлектрическое устройство охлаждения, работающее на базе использования эффекта Пельтье. Благодаря этому камера значительно упростилась и стала удобнее в эксплуатации. Камеры этого поколения относились к разряду сканирующих. Это значит, что снимаемое тепловизионное изображение с помощью оптики, зеркал и системы призм зондировалось лучом по горизонтали и вертикали. При этом сигнал от каждой точки изображения воспринимался глубокоохлаждаемым детектором и усиливался с помощью электронной схемы. Благодаря частоте повторения изображения 20 Гц человеческий глаз так же, как и в случае телевизионного изображения, не фиксирует процесса сканирования и поэтому воспринимает целостную картину.

Современные термографические системы не требуют охлаждения. Размеры термографической камеры не больше, чем видеокамеры, масса 2,5 кг, что обеспечивает большую гибкость ее применения. В качестве чувствительного элемента в ней используется микроболометр, не требующий охлаждения. С помощью оптики он создает инфракрасное изображение, качество которого приближается к фотографии благодаря высокой разрешающей способности. В камере могут отображаться объекты, имеющие температуру от -40 до +2000 °C с частотой повторения изображения 50 Гц.

С помощью современной инфракрасной камеры возможно также получение изображений движущихся объектов. Как и в фотоаппарате, камера обеспечивает возможность увеличения отдельных фрагментов изображения. Однако здесь не используется объектив с изменяемым фокусным расстоянием. Применяемые в термографической камере объективы с постоянным фокусным расстоянием калибруются по температуре.

Принцип действия камеры заключается в том, что инфракрасные лучи, испускаемые любым предметом при температуре выше абсолютного нуля, через специальную оптику и микроболометр воспринимаются камерой. Получаемые сигналы усиливаются, обрабатываются и передаются на цветной видеомонитор. Имеющееся в камере микропроцессорное устройство присваивает определенный цвет каждой точке изображения, соответствующей одному результату измерения температуры. Совокупность этих точек образует термографическое изображение объекта. Полученное изображение оценивается и помещается в память.

Цифровое термографическое изображение получают с помощью специального программного обеспечения. В результате термографического контроля электротехнических установок клиент получает отчет с локализацией слабых мест, подтверждаемой цифровыми фотографиями. Для оценки степени повреждений разработана система их классификации, используемая компаниями, эксплуатирующими электротехнические установки.

Примеры применения Установки низкого напряжения, места соединения медных и алюминиевых шин.

При термографических измерениях в установках низкого напряжения часто обнаруживают, что в местах соединения шин температура значительно выше, чем в удаленных от них зонах.

Измерения, проведенные в одной из таких установок, показали, что в одном из шинных соединений температура значительно выше, чем в других. Условия эксплуатации позволили устранить обнаруженный дефект лишь через год. За это время при неизменной нагрузке температура увеличилась вдвое и достигла 136 °C. Пересчет результатов измерений на номинальную нагрузку показал, что температура могла вырасти до 300 °C (таблица).

Режимы нагрузки и результаты термографических измерений в установке низкого напряжения

Параметр Шина

L1 L2 L3

Номинальный ток, А 1000

Ток во время измерений, А 500

Нагрузка, % 50

Максимальная температура объекта, °C 136 35

Измеренное превышение температуры, К 101 -

Возможная температура при номинальном токе, °C 300 -

Группа дефекта по четырехбалльной шкале 4 -

При проведении ремонта выяснилось, что на обеих контактных поверхностях соединения имели место изменение цвета и окисление.

Трансформаторы

При термографическом контроле трансформатора 20/0,4 кВ было обнаружено, что температура на одном из высоковольтных вводов на 30 К выше, чем на других. Анализ полученного термографического изображения позволил сделать вывод о том, что дефект находится внутри бака. Результаты химического анализа газов в баке подтвердили это предположение. На основании полученных данных трансформатор был выведен в ремонт во избежание более тяжелых повреждений.

Благодаря термографическому контролю трансформатора 110/10 кВ удалось локализовать еще более серьезный дефект. При вскрытии бака обнаружилось, что винтовое крепление внутренней шины к токовводу за время многолетней эксплуатации ослабло. В результате медный соединитель перегорел, что могло привести к полному выходу и даже разрушению трансформатора. Расчеты, выполненные специалистами, показали, что благодаря термографическому контролю удалось избежать затрат, которые могли составить 0,5 - 0,7 млн. евро.

Низковольтные установки малой мощности, клеммные колодки, предохранители.

Нередко электрические установки выходят из строя из-за дефектов, которые трудно обнаружить, например в результате нагрева винтового соединения в клеммной колодке. Такой дефект не был обнаружен при визуальном осмотре, так как пластмассовый изолирующий наконечник еще не изменил своего цвета. Причиной было ослабление винтового соединения, которое привело к повышению температуры до 94 °C. Поскольку такие дефекты трудно обнаружить невооруженным глазом, они могут быть локализированы лишь с помощью термографического контроля. Этот метод позволяет обнаружить ослабление винтов в клеммной колодке еще в начальной стадии, благодаря чему на устранение дефекта не потребуется значительных затрат времени.

При термографическом контроле распределительного щита было обнаружено повышение температуры прижимной пружины предохранителя и связанного с ним вывода автоматического выключателя. Эти дефекты также не были замечены при осмотре. Температура пружинного контакта предохранителя составляла уже 403 °C, в результате чего на металле появились цвета побежалости, а пластмассовая колодка заметно деформировалась.

Если температура на каком-либо элементе схемы повышается до такого уровня, как в рассмотренном примере, он обязательно подлежит замене, так как образовавшийся в данном случае на предохранителе слой окиси значительно повышает переходное сопротивление.

Нагрев выводов автомата защиты также способен привести к его отказу, что может вызвать аварийное отключение всей установки.

Установки среднего напряжения.

В сетях среднего уровня напряжения также возможны отказы, вызывающие недопустимый нагрев элементов схемы. В таких установках в текущей эксплуатации невозможен иной контроль, кроме осмотров. Более детальная проверка проводится только при полном снятии напряжения. Если она отключается в результате аварии, это может вызвать остановку отдельных производств или всего предприятия.

В связи с этим очевидно, что и в установках среднего уровня напряжения необходим регулярный термографический контроль. Оборудование, экранированное металлическим кожухом, контролировать этим методом без вскрытия экрана нельзя. В распределительных устройствах есть ячейки, которые невозможно открыть, если они находятся под напряжением. Их оборудуют специальным глазком, через который можно вести термографические измерения.

В ходе термографического контроля трансформатора тока в сети напряжением 20 кВ было обнаружено повышение температуры на его выводах. Последующий осмотр этих элементов показал, что они находятся в нормальном техническом состоянии. Отсюда был сделан вывод, что дефект находится внутри. Его нельзя было обнаружить при осмотре и устранить путем затяжки винтового соединения. Внутренний дефект трансформатора тока, корпус которого отформован из литьевой смолы, мог привести к взрыву под действием накопившихся газов.

Высоковольтные установки

Высоковольтные установки, как правило, являются компонентами открытых распределительных устройств, поэтому они постоянно подвержены влиянию жары, мороза, влажности и других природных факторов. Здесь также возможен только зрительный контроль, т. е. регулярные осмотры оборудования. В системе тягового электроснабжения распределительным устройствам напряжением 110 кВ, расположенным на подстанциях, которые питают линии тягового электроснабжения большой протяженности, уделяется особое внимание. В случае выпадения такого устройства прерывается эксплуатационный процесс на больших участках железнодорожных линий.

Организация текущего содержания оборудования по его состоянию будет наиболее эффективна в случае использования методов термографического контроля, которые обеспечивают быструю и надежную помощь, не требующую больших затрат.

В распределительном устройстве напряжением 110 кВ при термографическом исследовании комбинированного трансформатора тока было обнаружено местное повышение температуры на 10 К. Измерение проводилось при нагрузке, составлявшей 60 % номинальной. Интерполирующий расчет показал, что при номинальной нагрузке температура повысилась бы до 70 °C.

С помощью термографического контроля высоковольтной линии напряжением 110 кВ удалось обнаружить лопнувшую соединительную клемму алюминиевого провода. При нагрузке, составлявшей 20 % номинальной, температура клеммы была 61 °C. Это значит, что при полной нагрузке она достигла бы 360 °C. Без использования термографии дефект могли бы заметить лишь при плавлении алюминиевой клеммы.

Выводы

С точки зрения надежности и безопасности электрифицированных железных дорог и электротехнических установок польза термографических измерений несомненна. Во всех распределительных устройствах под действием высоких передаваемых нагрузок и значительных переходных сопротивлений в соединениях возможен местный перегрев элементов оборудования, который может привести к искрению, загоранию и оплавлению. Любое из используемых разъемных соединений (винтовое, штекерное или прессовое) может оказаться дефектным. С помощью термографической техники можно быстро и надежно контролировать винтовые или штекерные соединения трансформаторной ошиновки, опрессованные кабельные наконечники или соединения несущего троса контактной подвески, места стыковки шин и т. д. Термография делает видимым то, что недоступно человеческому глазу. Локализация дефектов позволяет оперативно устранять их и тем самым предотвращать более тяжелые аварии.

2.5.3 Перспективы создания компьютеризированной системы диагностирования изоляторов контактной сети по ультрафиолетовому излучению

Из статистических данных Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») и опыта эксплуатации следует, что количество нарушений технического состояния контактной сети (число отказов) распределяется следующим образом: провода и тросы -- 22,8 %, изоляторы -- 24,5 %, зажимы и детали -- 16,3 %, воздушные стрелки -- 10,4 %, поддерживающие конструкции -- 9,5 %, струны -- 5,1 %. На долю изоляторов приходится почти четверть всех отказов контактной сети (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 диагностирования.

Метод диагностирования по ультрафиолетовому излучению.

Диагностирование изоляторов по ультрафиолетовому (УФ) излучению основано на выявлении поверхностных частичных (ПЧ) разрядов и короны, возникающих на изоляторах в месте появления дефекта. Для этого используется зависимость силы света ПЧ-разрядов в УФ-диапазоне спектра от приложенного напряжения. При напряжении, большем порогового значения, соответствующего возникновению разрядов, сила света пропорциональна пятой степени величины приложенного напряжения. Этим объясняется высокая чувствительность метода диагностирования по УФ-излучению (УФ-метода). Небольшие перераспределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов, связанные с наличием нулевых изоляторов, приводят к резкому увеличению силы света ПЧ-разряда или к возникновению таких разрядов. Для изоляторов контактной сети, работающих в атмосферных условиях, возникновение короны и ПЧ-разрядов исключить полностью невозможно. Интенсивность разрядных процессов увеличивается по мере снижения изолирующей способности изолятора вследствие появления дефектов (сколы, повреждение глазури, трещины, нарушение цементной заделки пестика, наличие открытой микроскопической пористости и др.), загрязнения и увлажнения внешних поверхностей. Возникновение или увеличение интенсивности короны и ПЧ-разрядов можно использовать для косвенной оценки изолирующей способности и УФ-дефектоскопии изоляторов контактной сети.

Метод диагностирования, основанный на визуализации электромагнитного излучения при возникновении ПЧ-разрядов и короны в УФ-диапазоне спектра, хорошо известен и применяется для выявления в эксплуатации повреждений высоковольтного электрооборудования и ЛЭП. По производительности, наглядности диагностической информации УФ-метод имеет несомненные преимущества перед ультразвуковым радиолокационным и другими методами функциональной дистанционной диагностики изоляторов контактной сети.

До настоящего времени аппаратная реализация этого метода в основном базировалась на отечественном электронном оптическом УФ-дефектоскопе типа «Филин 6», который имеет ряд существенных недостатков, определяющих его достаточно ограниченное применение. К ним относятся прежде всего низкая чувствительность, невозможность работы в дневное время, недостаточно наглядная информация. Дефектоскоп можно использовать применительно к оборудованию, работающему на напряжении 50 - 100 кВ и выше, что неприемлемо для диагностирования изоляторов КС. Кроме того, прибор «Филин 6» не позволяет проводить скоростные цифровые УФ-измерения на базе вагона для испытаний контактной сети (ВИКС).

Двухспектральная УФ-камера DayCorII.

В 2002 г. на мировом рынке диагностического оборудования появилась двухспектральная (со встроенными УФ- и видеоканалами) камера DayCorII (OFIL Ltd., производство Израиль) последнего поколения (далее по тексту УФ-камера). Камера получает питание от аккумулятора напряжением 12 В, продолжительность работы которого составляет 3 ч.

Основные технические характеристики УФ-камеры DayCorII

Подавление солнечного света в УФ-канале Полное

Поле зрения H·V, град. 5·3,75

Разнесение УФ и видимого изображения, мм, при расстоянии от камеры до объекта 50 м 50

Фокусное расстояние, м от 3 до бесконечности

Минимальная интенсивность УФ-излучения, Вт/см2 3·10-18

Минимальный разряд, пКл, фиксируемый камерой на расстоянии 8 м 1,5 - 2

Рекомендуемое напряжение объекта, кВ более 15

Видеостандарты PAL или NTSC

Возможное увеличение видимого изображения:

оптическое

двукратное

программное

восьмикратное

Рабочая освещенность в сумерки, лк 1

Размер ПЗС матрицы видеокамеры, мм 752·582

Дисплей LCD:

разрешение, пиксель

320·234

яркость, Кд/м2

320

Число градаций усиления УФ-канала (ручное регулирование) 25

Объем памяти съемной карты для записи изображений, Гб 1

Потребляемая энергия, Вт 16

Масса, кг 5,5

Габариты L·W·H, мм 250·170·150

Рабочая температура, °C от -20 до +55

Камера DayCorII комплектуется универсальным адаптером AC/12V DC, двумя аккумуляторными батареями NiMH мощностью 50 Вт, интенсивным зарядным устройством для четырех аккумуляторов; в комплект входят также жилет для переноски с сумкой для батарей и специальный чемодан для камеры