Коронные разряды и тепловые аномалии: ультрафиолетовая и тепловизионная диагностика высоковольтного оборудования

Дефекты высоковольтного оборудования редко имеют одну и ту же причину. Они могут быть связаны как с воздействием сильного электрического поля, так и с нагревом при протекании тока. На практике эти механизмы часто действуют параллельно и по-разному проявляются на разных стадиях развития повреждения: одни дефекты в первую очередь сопровождаются разрядной активностью, другие — тепловыми потерями.

Чтобы корректно оценить состояние оборудования, важно понимать характер развития дефектов и методы их выявления. Технологии диагностики фиксируют различные физические проявления повреждений, поэтому их раздельное использование не даёт полной картины. Сопоставление данных, полученных несколькими методами, помогает точнее определить тип и стадию развития повреждения.

Далее рассмотрим особенности ультрафиолетовой и тепловизионной диагностики высоковольтного оборудования.

Разные механизмы повреждения — разная картина при диагностике

Развитие дефектов в высоковольтных сетях происходит по нескольким сценариям. Коронный разряд и другие явления, связанные с воздействием электрического поля, появляются в зонах повышенной напряжённости. Повреждения, связанные с протеканием тока, возникают из-за роста сопротивления с последующим выделением тепла.

Ультрафиолетовые (УФ) и тепловизионные инфракрасные (ИК) системы регистрируют физические проявления дефектов. Ультрафиолетовая визуализация фиксирует разрядную активность, возникающую при воздействии электрического поля, тогда как тепловизионный контроль выявляет рост температуры из-за резистивных потерь.

Тепловизионный контроль: оценка последствий

Тепловизор работает в длинноволновом инфракрасном диапазоне (LWIR), обычно 7–14 мкм. Любое тело с температурой выше абсолютного нуля излучает в этом диапазоне, и чем сильнее локальный нагрев, тем больше излучаемой энергии. Камера измеряет эту энергию и строит температурную карту поверхности. При этом тепловизор фиксирует не электрическое поле и не его напряжённость, а только температуру поверхности, то есть следствие, а не первопричину дефекта.

Температурные аномалии возникают при переходе электрической энергии в тепловую, как правило, из-за роста сопротивления в токопроводящих соединениях. Чаще всего к росту сопротивления приводят:

• ослабленные или неправильно затянутые контактные соединения;
• изношенные опрессованные соединения;
• перегрузка элементов;
• перекос фаз;
• износ внутренних частей оборудования.

Заметный нагрев требует достаточной нагрузки, поэтому при её снижении даже серьёзные дефекты могут не проявляться в ИК-диапазоне. В результате тепловизионный контроль чаще фиксирует неисправности на поздней стадии развития, когда потери энергии становятся заметными.

Условия достоверной тепловизионной съёмки

Результат зависит не только от камеры, но и от условий обследования:

• нагрузка линии — не ниже 40% от номинальной; без достаточного тока даже дефектное соединение может не нагреться настолько, чтобы это заметила камера;
• оценка относительная: дефект сравнивают с соседними фазами и однотипными элементами, а не с абсолютной температурой;
• ветер охлаждает поверхность и занижает реальный перегрев — это учитывают;
• прямые солнечные лучи создают ложные «горячие точки», не связанные с электрическим дефектом;
• температуру окружающего воздуха записывают: превышение над ней говорит о состоянии узла больше, чем абсолютное значение;
• фокус, дистанцию, угол съёмки и диапазон шкалы нужно держать под контролем — иначе тепловая картина исказится.

Ультрафиолетовый контроль: поиск первопричины

В отличие от тепловизионного, ультрафиолетовый контроль визуализирует УФ-излучение, возникающее при ионизации воздуха под действием высокой напряжённости электрического поля. Когда локальная напряжённость электрического поля превышает электрическую прочность воздуха, возникает коронный разряд.

Корона излучает сразу в трёх поддиапазонах: UVA, UVB и UVC. Солнечный свет тоже содержит UVA и UVB, поэтому днём слабое свечение короны тонет в солнечном фоне. Камеры для дневной съёмки настроены на узкую полосу UVC: солнечное излучение в этом диапазоне почти не доходит до поверхности Земли — его поглощает озоновый слой. Фон в полосе UVC близок к нулю, поэтому корону видно с высоким контрастом даже под прямым солнцем. Отсюда и название — солнечно-слепые УФ-камеры.

В отличие от тепловых аномалий, коронная активность не зависит от тока нагрузки. Она возникает как при низкой нагрузке, так и при её отсутствии и служит индикатором ранней стадии дефекта, вызванного электрическим полем.

Локальное усиление напряженности электрического поля инициирует коронный разряд, причины которого могут быть различны:

• механические повреждения — трещины в изоляторах, оборванные проволоки провода;
• ошибки монтажа, ослабленная или неправильно установленная арматура;
• загрязнение поверхности солью, пылью, промышленными отложениями;
• потеря гидрофобности у полимерных изоляторов;
• разрушение цемента в фарфоровых изоляторах;
• отсутствие или неверная установка экранных (антикоронных) колец;
• коррозия концевой арматуры;
• распушение жил многопроволочного провода («птичья клетка»);
• острые кромки и неправильное расстояние между проводами.

Условия достоверной УФ-съёмки

• Коронный разряд не зависит от величины протекающего тока — его видно даже без нагрузки или при малой нагрузке.
• Влажность повышает заметность короны: влажный воздух легче ионизируется.
• С расстоянием сигнал слабеет, поэтому дистанцию и параметры съёмки подбирают так, чтобы не занизить активность.

Развитие дефектов и их обнаружение на разных стадиях

Дефекты высоковольтного оборудования развиваются по-разному. В зависимости от начальных условий они могут проявляться как электрические или тепловые аномалии либо их сочетание. Часто коронный разряд возникает раньше, чем становится заметен нагрев. В других случаях дефекты, связанные с повышенным сопротивлением, вызывают тепловые аномалии без сопутствующей разрядной активности.

Механизмы повреждения могут действовать совместно. Длительная разрядная активность приводит к поверхностному трекингу и нагреву, а процессы с повышенным сопротивлением меняют геометрию элементов и усиливают локальную напряжённость электрического поля.

Сопоставление данных ультрафиолетового и тепловизионного контроля

При диагностике высоковольтного оборудования результаты УФ- и тепловизионных обследований по возможности анализируют совместно. Каждая технология чувствительна к определённому физическому процессу, а их сопоставление даёт более полную картину технического состояния.

УФ-излучение без тепловой аномалии обычно указывает на раннюю стадию воздействия сильного электрического поля, когда повреждение токопроводящих элементов ещё не получило развития. На этом этапе можно принимать профилактические меры.

Нагрев без УФ-излучения, как правило, свидетельствует о дефекте, связанном с повышенным сопротивлением в цепи протекания тока, например об ослабленном контактном соединении или локальной перегрузке.

Одновременное обнаружение УФ-излучения и нагрева в одной области говорит о повышенном риске. Такое сочетание признаков указывает на то, что воздействие напряжения затронуло токопроводящие элементы либо что повышенное сопротивление изменило локальное распределение электрического поля.

Что именно происходит, подсказывает место коронного разряда:

• на острых кромках арматуры — поле концентрируется из-за геометрии;
• вдоль поверхности изолятора — возможны механические дефекты, загрязнение или потеря гидрофобности;
• на концевой арматуре — коррозия или неправильное выравнивание поля.

При оценке учитывают тип, материал и геометрию элемента, точное место разряда, класс напряжения, важность объекта, прошлые обследования, видимые признаки и условия среды — влажность, загрязнение, запылённость.

Тепловую аномалию оценивают так же — относительно, а не по абсолютному значению. Её сравнивают с соседними фазами и однотипными узлами, учитывают нагрузку в момент съёмки, температуру воздуха и коэффициент излучения поверхности. Отдельно отбрасывают помехи: солнечные блики, отражения от блестящего металла, неудачный угол съёмки, расфокус, неверную шкалу.

Три случая из практики

Распределительная опора. УФ-камера нашла два очага короны на изоляторах: один у конца со стороны провода, второй — у конца со стороны опоры. Второй очаг опаснее: именно здесь изолятор должен отделять провод под напряжением от конструкции опоры. Тепловизор в этих точках перегрева не показал — значит, дефект пока связан только с полем и до резистивного нагрева не дошёл. Зато тепловизор нашёл отдельную горячую точку на опрессованном соединении, где УФ-камера разряда не зафиксировала. Это уже резистивный дефект в токоведущей цепи: плохая опрессовка, ослабление или ухудшение контакта.

Подстанция, обследование с дрона. Дрон DJI M300 с УФ- и тепловизионной камерами обследовал высоковольтный ввод и нашёл в одном месте сразу два признака: две горячие точки и коронный разряд. Совпадение говорит о том, что механизмы повреждения наложились друг на друга — это уже не чисто полевой и не чисто резистивный дефект.

Тарельчатый изолятор. На обычном снимке изолятор выглядел целым: ни трещин, ни загрязнения, ни деформаций. Тепловизор тоже ничего не показал. Но УФ-камера нашла разряд в двух точках между тарелкой изолятора и его металлической шапкой. Такой разряд указывает на местное усиление поля — возможен воздушный зазор, неплотная посадка при монтаже, разрушение цемента или потеря внутренней связи. Дефект не был виден глазом и ещё не дошёл до нагрева. Его увидела только УФ-камера.

Мультиспектральный подход в диагностике высоковольтного оборудования

Эффективная диагностика опирается на данные из нескольких источников. Как правило, структурированный рабочий процесс включает:

1. визуальный осмотр для выявления механических дефектов и оценки условий окружающей среды;
2. обследование в УФ-диапазоне для обнаружения разрядной активности и оценки воздействия электрического поля;
3. тепловизионное обследование при соответствующей нагрузке для выявления резистивного нагрева;
4. сопоставление результатов для определения преобладающего механизма развития дефекта.

Первый шаг — визуальный осмотр — часто недооценивают, хотя он задаёт контекст для всего остального. Обычная съёмка не измеряет ни поле, ни нагрев, но показывает то, чего не видят УФ- и тепловизионная камеры: трещины и сколы изоляторов, загрязнение, недостающую или повреждённую арматуру, коррозию, деформации и ошибки монтажа. Без этой картины разряд или нагрев трудно истолковать верно.

Чтобы корректно толковать результаты и отслеживать изменения во времени, при каждой съёмке фиксируют одни и те же параметры — дистанцию, фокус, нагрузку, влажность, ветер, температуру воздуха и время суток. На практике совместный анализ данных с разных датчиков делает оценку состояния оборудования более согласованной и достоверной.

Робот вместо человека в опасной зоне

Научно-исследовательский институт электроэнергетики США (EPRI) проверил, как роботы справляются с обследованием высоковольтного оборудования. На платформу Boston Dynamics Spot поставили УФ-камеру OFIL EyeScope вместе с тепловизионной и обычной камерами. В лаборатории в Шарлотте робот обследовал узел с изолятором на 150 кВ под напряжением и нашёл источник коронного разряда в зоне сильного поля — при этом человек в опасную зону не заходил.

Такой подход точно определяет место дефекта и убирает людей из зоны риска. EPRI развивает эту тему и в своей сети Robotics Utility Network, где энергокомпании обмениваются опытом и готовыми сценариями обследования.

Сводная таблица: УФ, тепловизор и видимый диапазон

Параметр	УФ	Тепловизор (ИК)	Видимый (RGB)
Физическое явление	ионизация воздуха в сильном поле	рост температуры	отражённый свет
Что выявляет	корону и поверхностные разряды	резистивный нагрев, перегрузку	состояние поверхности и геометрию
Что движет процессом	напряжение	ток	—
Зависимость от нагрузки	нет	нужна достаточная нагрузка	нет
Стадия обнаружения	ранняя и средняя	средняя и поздняя	любая (только видимые признаки)
Влияние влажности	повышает заметность	слабое	минимальное
Влияние ветра	минимальное	охлаждает узлы	минимальное
Влияние солнца	не мешает (полоса UVC)	возможны блики	зависит от освещения
Сильная сторона	раннее выявление полевого дефекта	измерение нагрева	контекст и документирование

Заключение

Ультрафиолетовая и тепловизионная диагностика не конкурируют между собой — каждая из этих технологий отражает различные аспекты состояния оборудования. УФ-контроль фиксирует воздействие электрического поля и разрядную активность на ранних стадиях формирования дефекта. Тепловизионный контроль выявляет нагрев, вызванный протеканием тока через участки с повышенным сопротивлением, который обычно появляется на более поздних стадиях.

Совместное применение УФ- и ИК-методов в сочетании с визуальным осмотром даёт более полное представление о состоянии оборудования на разных этапах развития дефекта, помогая принимать обоснованные решения по техническому обслуживанию и повышать надёжность энергосистемы.

* EPRI — Научно-исследовательский институт электроэнергетики США