2. Диагностирование изоляции регистрацией инфракрасного излучения

Повышенный нагрев изоляторов и их элементов при их функ­ционировании происходит за счет потерь энергии на переходном сопротивлении контактов, увеличения токов утечки и диэлектрических потерь в изоляции.

Применительно к изоляции линий, находящихся под напряжением, тепловое излучение определяется уровнем диэлектрических потерь

,

а также токами утечки по поверхности изолятора

,

где U – падение напряжения на изоляторе;

– угловая частота;

С – емкость изолятора, ф;

tg – тангенс угла диэлектрических потерь при рабочей температуре Т_р;

R_из – активное сопротивление изолятора, МОм.

Диэлектрические потери в изоляторах создают температурный перепад между изолятором и окружающей средой, а также температурный перепад между изоляторами в гирлянде при наличии дефектных изоляторов.

Для целей диагностирования изоляции линии измерение температурного излучения более предпочтительно, чем измерение падения напряжения на изоляторе, т.к. температура возрастает в квадратичной зависимости от падения напряжения. Величина значения интегрального теплового излучения изолятора оценивается по закону Стефана-Больцмана следующим образом:

,

где – приведенный коэффициент теплового излучения (для фарфора 0,9–0,94); – коэффициент излучения абсолютно черного тела, = 5,6687 Вт/(м²К^-4); Т₀ – абсолютная температура излучения, К; S – поверхность шапки изолятора, м².

Исходя из граничных значений температурного диапазона, в котором оцениваются линейные изоляторы в условиях эксплуатации (–60 – 50 ⁰С), длины волн диапазона в максимуме теплового излучения могут быть определены из закона смещения Вина:

,

где – длина волны в максимуме излучения при абсолютной температуре излучения Т₀, (мкм); Т₀ – абсолютная температура излучения, К.

Максимум теплового излучения изоляторов занимает полосу спектра электромагнитных колебаний от 9 до 13 мкм, т.е. находится в средневолновой области инфракрасного диапазона. Используя формулы, можно оценить тепловое равновесие при рассеивании тепловой энергии в окружающую среду изолятором при нагреве его диэлектрическими потерями и токами утечки, а затем рассчитать температуру перегрева каждого изолятора для гирлянд без дефектных изоляторов при нормальном распределении напряжения по изоляторам и для гирлянд с одним дефектным изолятором при разном расположении этого изолятора по формуле:

,

где t₀ – температура окружающей среды,⁰С.

Для выявления дефектных изоляторов в гирлянде сравнивают температуру дефектного изолятора с температурой соседних изоляторов (верхнего и нижнего).

По­этому регистрация теплового (инфракрасного) излучения и последующее срав­нение с нормированными значениями электрооборудования могут служить ос­новой для диагностирования состояния изоляции. Метод регистрации теплового излучения в труднодоступных местах на безо­пасном расстоянии является перспективным для оборудования высокого класса напряжения.

Для тепловизионного диагностирования применяют пирометры, тепловизоры, томографы, термографы (IRTIS-200). В настоящее время одной из иностранных фирм, осуществляющих поставку тепловизоров в Россию, является шведская фирма FLIR Systems (AB World Wide Termography Center) через фирму «Пергам», Москва (www. pergam.ru).

Пирометр позволяет измерить поток излучения части поверхности объекта, перекрывающей его поле зрения (измерительное поле зрения). При наличии сведений об излучающей способности этой поверхности по данным измерений может быть определена ее температура.

Пирометр (рис. 10, а) состоит из оптической системы 1, приемника теплового излучения 2 и индикатора 3.

Рис. 10. Структурная схема устройства радиометрического контроля:

а – пирометр; б – тепловизор

Тепловизор – устройство для оценки тепловых полей объектов. Современные тепловизоры, кроме получения видимого изображения нагретых объектов по их тепловому излучению, позволяют измерить их тепловые (температурные) поля, т.е. получить количественную характеристику теплового состояния.

Тепловизор обеспечивает возможность панорамного обзора всего оборудова­ния распределительного устройства. Таким образом, достаточно быстро могут быть выявлены элементы с повышенным тепловыделением. Определение тем­пературы этих элементов лучше производить пирометром, обеспечивающим большую точность измерения и более удобным в применении.

Тепловизор (рис. 10, б), принцип действия которого — последовательный про­смотр контролируемой поверхности объекта узким лучом (сканирование), кроме упомянутых выше элементов структурной схемы пирометра, имеет узел скани­рования 4. Сканирование обеспечивает просмотр поля обзора с помощью растра (например, тепловизионного типа) и осуществляется обычно оптико-механическим устройством, поочередно проецирующим на активную поверх­ность приемника излучения малый участок поверхности объекта. Все поле зре­ния (кадр) при этом располагается построчно на достаточно большое количество малых областей (мгновенных полей зрения), каждой из которых на выходе при­емника соответствует определенный сигнал (видеосигнал).

Оптическая система обеспечивает получение изображения объекта в плоско­сти приемника. Объективы изготавливаются из материалов, прозрачных в кон­тролируемой области излучения. В спектральной области излучения, соответст­вующей диапазону температур контролируемого электрооборудования, приме­няются объективы из бария, кремния и т. п. Приемник преобразует тепловое излучение в электрический сигнал, пропорциональный потоку излучения.

Следует учитывать, что приборы, основанные на измерении теплового излуче­ния, определяют температуру только очень тонкого слоя поверхности. Дефекты внутри изоляции могут быть выявлены лишь тогда, когда они создают изменения температуры поверхности объекта, достаточные для измерения. Поэтому для решения задач диагностирования необходимо выявить связь между процессами, возникающими при развитии дефекта внутри объекта, и процессами на его по­верхности, т.е. определить тепловой образ дефекта на его поверхности. Вви­ду такой особенности тепловизионной проверки изоляции достаточно развитой и проверенной в эксплуатации системы диагностирования, полностью отвечающей сформулированным выше условиям, пока еще не разработано.

В настоящее время в достаточной мере отработана методика диагностирования открытых соедине­ний токоведущих частей электрооборудования (контактных соединений шин, ВЛ, кабелей, разъемных контактов коммутационной аппаратуры). Выявляются де­фекты, приводящие к увеличению переходного сопротивления контакта.

Способы проверки другого электрооборудования, в том числе и линейной изо­ляции распределительных сетей 10 кВ, находятся пока еще в стадии разработки. Поэтому описанный метод проверки непригоден для выявления де­фектов внутри штыревых изоляторов, находящихся на ранней стадии развития дефектов.

Оценка полученных данных о тепловом состоянии изоляторов производится лишь путем сравнения между собой результатов измерений на однотипных объектах. Это дает возможность выявлять объекты с повышенным нагревом. Определение вида дефекта и оценка его опасности пока невозможны. Поэтому метод диагностирования состояния изоляции путем регистрации теплового из­лучения следует отнести к числу экспресс-методов для выявления отклонения параметров изоляторов от нормального состояния.