Отечественные технологии тепловизионной диагностики в высоковольтной энергетике
В.В. Старцев, Г.В. Мороз
АО «ОКБ Астрон», г. Лыткарино
Тепловизионный контроль позволяет получить визуальное изображение распределения теплового поля по поверхности объекта и увидеть конкретный дефектный элемент. Приведено описание отечественной системы тепловизионной диагностики высоковольтных силовых подстанций («Автоматизированная система круглосуточной тепловизионной диагностики электротехнического оборудования» разработки АО «ОКБ Астрон»).
Отмечается, что поскольку повреждения выявляются на работающем оборудовании, то имеется запас времени для подготовки вывода дефектного оборудования в ремонт, не отключая электроустановки и сокращая время ремонта.
Все производственные энергетические объекты содержат большое количество устройств, длительная эксплуатация которых без надлежащего диагностирования технического состояния может привести к выходу его из строя. Решение задач диагностирования такого оборудования может быть выполнено на основе тепловизионного контроля. С развитием техники инфракрасного (ИК) излучения появляется возможность контролировать нагрев электрооборудования и его соединений без снятия напряжения. Известно, что в ИК-диапазоне сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения большинства окружающих человека объек¬тов естественного и искусственного происхождения. ИК-диапазон охватывает длины волн от 0.76 до 1000 мкм. (Рис.1). Особый интерес вызывает диапазон 7 - 14 мкм, совпадающий с окном прозрачности атмосферы и соответствующий макси¬мальной излучательной способности наблюдаемых объектов в температурном диапазоне от —50 до +500 °С.
Рис. 1 Диапазоны электромагнитного излучения
Тепловизионный метод контроля основан на том. что любые процессы в природе и человеческой деятельности сопровождаются поглощением и выделением, изменяя внутреннюю энергию тела, которая в состоянии термодинамического равновесия пропорциональна температуре вещества. В результате поверхности физических тел приобретают специфическое температурное распределение. В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двумерное преобразование собственного тепло¬вого излучения от объектов в видимое изображение. Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных теплоизлучающих объектов независимо от уровня естественной освещенности, а также, до определенной степени, тепловых или других помех (дыма, дождя. тумана, снега, пыли и т.п.). Характер температурного поля может точно показать специфику нарушения состояния исследуемого объекта (например - силовой подстанции, рис.2) и позволит принять необходимые меры по предотвращению неисправностей. Тепловизионный контроль позволяет получить визуальное изображение распределения теплового поля по поверхности объекта и сразу уви¬деть конкретный дефектный элемент. [1]
Преимущества тепловизионного контроля
Тепловизионный контроль производится в рабочем состоянии оборудования, то есть под нагрузкой и напряжением. Результаты обследования в таком состоянии являются более достоверными, чем результаты обследований после снятия нагрузки или напряжения.
Рис.2 Типовая силовая подстанция
Поскольку тепловизионный контроль проводится без отключения оборудования и в любое время, тепловизионное обследование не мешает предприятию выполнять производственную задачу. Также важно, что поскольку повреждения выявляются на работающем оборудовании, то имеется запас времени для подготовки вывода дефектного оборудования в ремонт, не отключая электроустановку и сокращая время ремонта. [2]
Иными словами, тепловизионный контроль в условиях производства и ремонта по фактическому состоянию энергетического оборудования является единственным средством мониторинга оборудования во время его работы и наиболее информативным, и точным. Это позволяет сократить объем, продолжительность и стоимость ремонтных работ, увеличить межремонтные сроки и повысить надежность работы.
Отечественная система тепловизионного мониторинга
Данные задачи возможно решить при помощи «Автоматизированной системы круглосуточной тепловизионной диагностики электротехнического оборудования», изготавливаемой отечественным производителем АО «ОКБ «АСТРОН». Система выпускается на основе серийно производимых тепловизионных модулей марки АСТРОН-ТА. Автоматизированная система круглосуточной тепловизионной диагностики АО «ОКБ «АСТРОН» состоит из:
1. тепловизионных модулей с аналитической системой обработки температурных полей;
2. датчиков (температурного, климатического, влажности, скорости ветра и прочие);
3. оптоволоконной линии передачи сигнала;
4. сервера хранения и обработки данных;
5. автоматического рабочего места пользователя.
Модуль является блоком полной заводской готовности, он специально разработан для работы в сложных условиях. Разработаны также типовые схемы размещения системы на реальных объектах. (Рис.3,4)
Рис.3 Схема расположения тепловизиров АСТРОН-ТА на типовом объекте.
Рис.4 Пример расположения тепловизионных модулей АСТРОН-ТА в автоматизированной системе круглосуточной тепловизионной диагностики
Табл.1 Характеристики автоматизированной системы круглосуточной тепловизионной диагностики
Условия эксплуатации УХЛ 1 или ЭХЛ 1 ГОСТ 15150
Источник питания АС 220V±20%, АС 24V±20%
Частота сети 50 Гц
Спектральный диапазон 7-14 мкм
Размер пикселя 17 мкм
Защищенность IP67
Энергопотребление Максимум 30 Вт, в момент включения Максимум 12
Вт, нагрев/охлаждение Максимум 6 Вт, без нагрева/охлаждения
Изоляция по входу 3000 В
Импульсный ток До 20 кА
Категория стойкости изоляции блоков питания ГОСТ Р50571.19-2000
Размеры 330×230×180 без бленды 330×300×180 с блендой
Работа автоматизированной системы, изготовленной АО «ОКБ «АСТРОН», осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, поддерживающего одновременную стабильную круглосуточную работу нескольких тепловизионных камер, запись полученных данных в видео-формате и его обработку в реальном времени, а также поддержку внешних устройств. Модули проводят ИК-диагностику оборудования, попадаемого в поле зрения системы.
В случае неправильной работы оборудования система выявляет нарушение в его работе в условиях эксплуатации и реального времени (т.е. без отключения и вывода оборудования из рабочего процесса). Мониторинг осуществляется автоматически средствами видеонаблюдения, встроенной в систему интеллектуального анализа распределения температурных полей (термоаналитики). На основании полученных данных с тепловизионных полей, система сравнивает показатели с выше заданными параметрами и в случае превышения показателей выдает сигнал тревоги в систему сбора и обработки информации. Сигнал тревоги по системе передачи данных, по оптоволоконным линиям связи, передается на существующий сервер для записи, а также отображает сигнал тревоги в АРМе с выводом на экран термограммы проблемного объекта. (Рис.5)
Рис.5 Схема работы автоматизированной системы, изготовленной АО «ОКБ «АСТРОН»
Особенности практической работы
При проведении тепловизионного обследования электрооборудования существенное значение имеет выявление и устранение систематических и случайных погрешностей, оказывающих влияние на результаты измерения. Ими могут являться воздействие солнечной радиации, выбор излучательной способности, ветер, тепловая инерция, дождь или снег, магнитные поля и др. Измерения необходимо проводить при отсутствии прямого солнечного излучения, при этом сплошная облачность не пропускает ИК излучение Солнца и в некоторых случаях возможно проведение тепловизионной диагностики днем при сплошной облачности. Важно, чтобы измерялось собственное ИК излучение обследуемого объекта, которое связано с наличием дефекта и степенью его развития. Поэтому практически все измерения должны выполняться в вечернее и ночное время. Измерения в летний период производятся не менее чем через два часа после захода солнца для исключения погрешностей от дневного нагрева солнцем. При проведении диагностики необходимо учитывать коэффициент излучения поверхности обследуемого объекта, а также угол между осью тепловизионного приемника и нормалью к излучающей поверхности объекта. При проведении измерений однотипных объектов необходимо располагать тепловизионный приемник на одинаковом расстоянии и под одинаковым углом к оптической оси к поверхности объекта. При обнаружении более нагретых зон система оценивает, не является ли это следствием разницы в коэффициентах излучения, не связано ли это с наличием отверстий или расположен¬ных под углом плоскостей.
Встроенная в систему термоаналитика позволяет проводить мониторинг всех типов оборудования по индивидуальным алгоритмам, соответствующим группам оборудования, согласно РД 153-34.0-20.363-99 «Методика инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ». Чувствительность тепловизора и качество изображения позволяет локализовать перегрев до 0.1оС, осуществлять тепловизионные испытания электрооборудования при значениях токов линий, значительно отличающихся от номинальных значений, при этом условия испытаний различаются по температуре окружающей среды, скорости ветра, габаритах объектов и т.п.
Вся обработка гибко настраиваемых тревог, будь то достижение определенных значений или рост температуры в зависимости от времени для заранее прописанных зон контроля осуществляется сервером, а полученные сигналы могут использоваться как для локальных оповещений, так и для передачи сигналов в используемую сеть автоматизации и управления данными на предприятии.[3,4]
Заключение
Возможность установки тепловизионного оборудования для круглосуточного контроля энергетического оборудования является существенным шагом в целях бесперебойного безаварийного электроснабжения.
Применение отечественной системы автоматической сигнализации Астрон-ТА на основе круглосуточного тепловизионного наблюдения позволит диагностировать проблемы на ранних стадиях их возникновения.
Список литератуы:
1. РД 153-34.0-20.363-99 «Методика инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ». М., 1999. -136 с.
2. Поляков В.С. Применение тепловизионных приемников для вы¬явления дефектов высоковольтного оборудования / Методические указания по контролю оборудования тепловизорами. - Л.: ЛИПКЭн, 1990, - 57 с.
3. Старцев В.В. ОКБ «Астрон» представляет первые отечественные тепловизионные матричные детекторы.// Национальная оборона. 2017. №8. С.60.
4. Сайт www.astrohn.ru