對某次雷電沖擊電壓波形的波前時間測量能力驗證的實施探討

張世軍 陳銳彬 劉淑貞 劉植鏗

摘 ?要：該文主要介紹了電氣領(lǐng)域某次雷電沖擊電壓波形的波前時間測量能力驗證項目的實施過程。該項目主要從方案設(shè)計、樣品設(shè)計以及對樣品的均勻性穩(wěn)定性檢驗等方面，詳細闡述了實施的過程;并對各實驗室的回收數(shù)據(jù)采用穩(wěn)健統(tǒng)計法，對其進行結(jié)果評價。利用圖示和表格詳細描述了此次評價的過程和結(jié)果，最終對此次能力驗證中的問題及技術(shù)方法進行分析，對出現(xiàn)不滿意結(jié)果的原因進行了分析并提出建議。

關(guān)鍵詞：波前時間 ?能力驗證 ?Z值 ?技術(shù)方法分析

中圖分類號：TM855 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（c）-0072-06

The Implementation of Wavefront Time Measurement Ability Verification of a Lightning Impulse Voltage Waveform

ZHANG Shijun ?CHEN Ruibin ?LIU Shuzhen ?LIU Zhikeng

（China National Quality Supervision and Testing Center for Smart Grid Transmission and Distribution Products（CEST）， Dongguan， Guangdong Province， 523325 ?China）

Abstract： This paper mainly introduces the implementation process of the verification project of the wave-front time measurement ability of a lightning impulse voltage waveform in the electrical field. This project mainly elaborates the implementation process of the project from the aspects of scheme design， sample design and the uniformity and stability test of the sample. The data collected from each laboratory were evaluated by robust statistical method. The process and results of the evaluation are described in detail by using diagrams and tables. Finally， the problems and technical methods in the ability verification are analyzed， and the reasons for the unsatisfactory results are analyzed and suggestions are put forward.

Key Words： Wavefront time; proficiency testing; Z value; Technical method analysis

對高壓產(chǎn)品的試驗檢測中，絕緣試驗至關(guān)重要，其中雷電沖擊電壓試驗是最主要的絕緣試驗之一，可以用來有效判斷高壓電器的絕緣好壞[1-2]，雷電沖擊試驗的電壓波形具有明顯的特點，比如其頻帶范圍寬、上升速度快、持續(xù)時間短等。使得測試人員要依據(jù)產(chǎn)品的特點對回路的電容和電感進行調(diào)節(jié)，以使測試回路的電阻與產(chǎn)品相匹配，讓試驗波形滿足1.2/50 ?s的標準試驗波形。另外，雷電沖擊電壓試驗對測量系統(tǒng)的帶寬、采樣速率以及信號捕捉能力也有較高的要求。倘若波前時間參數(shù)測量不準確，在很大程度上會影響試驗結(jié)果的判定，從而會左右高壓電器絕緣性能的驗證結(jié)果而造成運行電網(wǎng)的安全事故。

1 ?項目的實施

1.1 背景及概況

此次能力驗證項目主要目的是，了解各電氣領(lǐng)域的相關(guān)實驗室對雷電沖擊電壓的波前時間測量的試驗能力[3]，通過對各實驗室之間所測量的25組不同結(jié)果分析，進一步了解各實驗室在雷電沖擊電壓波形波前時間測量的一致性，從而提高電氣領(lǐng)域各實驗室對于雷電沖擊電壓試驗波前時間測量的水平。進而確保絕緣水平的準確性。

該項目共有25個實驗室參加。所有流轉(zhuǎn)樣品測試完成后，總計收到25組不同的測試數(shù)據(jù)。其中有5組來自電網(wǎng)實驗室，2組來自國家質(zhì)檢中心，3組來自質(zhì)量監(jiān)督檢驗實驗室，15組來自企業(yè)性實驗室。

1.2 項目方案的設(shè)計

該能力驗證項目的設(shè)計，是利用高性能的雷電沖擊波形發(fā)生器，產(chǎn)生出經(jīng)過分壓器衰減后的雷電沖擊電壓波形[4]，將該波形作為比對波形，注入到各實驗室自身的雷電沖擊測量系統(tǒng)中。方案的主要工作原理見圖1。為了分析各實驗室的數(shù)據(jù)，分別分析從分壓器到二次衰減器（或數(shù)字記錄儀）的傳輸電纜對波前時間測量[5]的影響，分別選取兩個注入點，一個點是傳輸電纜的分壓器側(cè)（實線處），另一個點是二次衰減器側(cè)（虛線處），倘若測量系統(tǒng)無二次衰減器，則直接讀取數(shù)字記錄儀的數(shù)據(jù)。

該設(shè)計方案選取了3種電壓波形[6-7]，即波形1、波形2、波形3。三者的特點是其峰值相同，但是極性和波前時間均不同。其中統(tǒng)計波形為波形1，干擾波形為波形2和波形3。給實驗室所流轉(zhuǎn)發(fā)放的樣品中，均存有兩種任意波（即兩個波形）。任意波1即為波形1。在對樣品進行隨機編碼的同時，奇數(shù)標識碼的樣品中，存有的任意波2為波形2，標識碼的樣品中，存有的任意波2則為波形3。在后期進行統(tǒng)計分析時，選取在傳輸電纜的分壓器側(cè)注入波形1的測試結(jié)果作為有效的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。而其他數(shù)據(jù)僅僅作為干擾項，不能用作能力評定的依據(jù)。

2 ?樣品設(shè)計及分發(fā)

實際上測試樣品為雷電沖擊電壓波形發(fā)生器。它是由信號發(fā)生器、功率放大器、電纜、轉(zhuǎn)接頭等部件組合而成。信號發(fā)生器中存儲有數(shù)字化的雷電沖擊電壓波形文件，并使用DDS、D/A轉(zhuǎn)換、低通濾波等技術(shù)生成的模擬波形。功率放大器則是將該模擬波形放大，形成一種比對波形。

該項目為每臺樣品賦予唯一的標識碼，對于流轉(zhuǎn)的每臺樣品均貼上標簽，同時對各實驗室賦予：“Lab-01”～“Lab-25”等代碼，參加能力驗證活動的實驗室均以代碼標識，所有的流轉(zhuǎn)過程均用代碼傳遞[8]，比如分發(fā)樣品、發(fā)送報告等。此種方式有效避免了各實驗室之間進行數(shù)據(jù)串通的情形。使用Excel隨機排序方法，按照相應(yīng)的序號分配代碼，5個為一組，共分為5組。在同一時間段，以快遞的方式向該組的實驗室發(fā)送樣品，依此循環(huán)。待收到25個實驗室的有效測量結(jié)果后，循環(huán)結(jié)束。

2.1 樣品均勻性檢驗及評價

依據(jù)文獻[9]相關(guān)數(shù)據(jù)可知，采用SS≤0.3σ準則對該次能力驗證的所有樣品進行均勻性檢驗。樣品的所有重復性測試均按隨機次序來進行，利用這種準則對均勻性檢驗的結(jié)果進行統(tǒng)計處理。

在樣品發(fā)放前，σ值依據(jù)標準GB/T 28043-2011來進行確定，倘若SS≤0.3σ，那么可以判定該批次樣品較為均勻;隨后依據(jù)回收的有效數(shù)據(jù)結(jié)果，使用穩(wěn)健統(tǒng)計法得出能力評定的標準差，再次利用SS≤0.3σ準則，用來判定該樣品的均勻性。

在對實驗室測試數(shù)據(jù)回收后，其波前時間測量結(jié)果的能力評定標準差（即NIQR）σ=0.037 1，SS=0.005 2。

故SS≤0.3σ。由此可以判定該樣品是均勻的。樣品均勻性檢驗具體數(shù)據(jù)見表1。

由表1數(shù)據(jù)次數(shù)可知，總次數(shù)為12次;總平均值為0.912 4;自由度f1為5，平方和均方值MS1為0.000 1;自由度f2為6，平方和均方值MS2為0.000 0;那么0.3值為0.009 1，得出SS為0.005 2<0.011 1，故均勻性判定合格。

2.2 樣品穩(wěn)定性檢驗及評價

鑒于該項目所選用的樣品，內(nèi)部含有諸多精密元器件，其輸出波形參數(shù)可能會受到相關(guān)因素的影響，比如溫度、振動等。故選取高溫和振動兩個影響因素，作為對能力驗證測試結(jié)果有影響的因素進行穩(wěn)定性檢驗。

采用≤0.3σ對所有樣品進行3次穩(wěn)定性檢驗：第一次是均勻性檢驗合格后，第二次是試驗完成之后，第三次是在收到實驗室結(jié)果之后。整個過程所涉及的方法、測試人員、測試儀器、測試條件與均勻性檢驗均保持一致。經(jīng)統(tǒng)計法分析，將穩(wěn)定性檢驗的總體平均值與均勻性檢驗總體平均值進行比較，即可證明該樣品的穩(wěn)定性是否滿足要求。

依次在均勻性檢驗之后，高溫和振動試驗之后，收回樣品之后對波形1的波前時間進行穩(wěn)定性檢驗，依據(jù)≤0.3σ進行判定，穩(wěn)定性檢驗合格。

2.3 統(tǒng)計方法和評價方法

2.3.1 統(tǒng)計方法

該項目所使用的結(jié)果統(tǒng)計和分析均采用穩(wěn)健統(tǒng)計法來確定指定值。將回收的全部25組測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計起來，使用穩(wěn)健統(tǒng)計的中位值作為其指定值，然后使用標準化四分位距NIQR用作能力評定的標準差[10]。因采用的是中位值和標準化四分位距，可以有效減少極端結(jié)果對平均值和標準偏差的影響。

按照遞增順序?qū)個測試數(shù)據(jù)進行排序，表示為：x1，x2，…xi，…，xn。

該組數(shù)據(jù)的中位值計算公式如下：

其中四分位距IQR和標準化四分位距NIQR計算公式如下：

IQR=Q3- Q1;Q1表示低四分位數(shù)，Q3表示高四分位數(shù)。

NIQR=0.7413×IQR

依據(jù)計算公式計算z值對該項目的25組測試數(shù)據(jù)進行計算：

Z=（x-X）/σ

式中：x表示實驗室測試結(jié)果;X表示指定中位值;σ表示能力評定標準差。

2.3.2 評價方法

評價參加實驗室的檢測能力，用Z比分數(shù)進行評價。Z比分數(shù)值的大小反映了實驗室結(jié)果與指定值的偏離程度。此次能力驗證將按照下述原則對實驗室結(jié)果進行評價：

當Z值的絕對值小于等于2，結(jié)果為滿意;

當Z值的絕對值大于等于3，結(jié)果為不滿意;

當Z值的絕對值小于3大于2，結(jié)果為可疑。

2.4 統(tǒng)計處理結(jié)果和能力評價

對于回收的25組有效測試數(shù)據(jù)，選取在傳輸電纜的分壓器側(cè)注入波形1的測試數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2.4.1 測試結(jié)果統(tǒng)計圖表

為了清晰明示各實驗室的能力驗證計劃的結(jié)果，使用頻率分布直方圖來表示各實驗室結(jié)果，具體見圖2。依據(jù)頻率分布直方圖，其測試結(jié)果數(shù)據(jù)近似于單峰分布，適合用穩(wěn)健法來進行數(shù)據(jù)處理。

2.4.2 結(jié)果統(tǒng)計分析及能力評價

該項目的統(tǒng)計參數(shù)見表2。

測試結(jié)果滿意的實驗室有22家，占比為88.0%;結(jié)果不滿意的實驗室3個，占比為12.0%。樣品測試結(jié)果的Z值分布情況見圖3和圖4。

2.5 項目的技術(shù)分析及建議

從統(tǒng)計結(jié)果來看，參與該項目的大部分實驗室檢驗水平較好，取得了滿意結(jié)果;有極少數(shù)實驗室的測試結(jié)果出現(xiàn)了比較大的偏差、甚至是錯誤的數(shù)據(jù)，可以從設(shè)備參數(shù)、人員操作等方面查找原因[11]。組織方分別對25家實驗室所反饋的測試結(jié)果，以及其提供的原始測試數(shù)據(jù)，進行技術(shù)分析。由于從數(shù)據(jù)的采集和測試回路的匹配度兩方面比較容易出現(xiàn)問題，故從這兩個方面對該項目的結(jié)果進行技術(shù)分析。

2.5.1 阻抗問題

因為雷電沖擊電壓波形的特點是，其波前時間較短，并且含有較多的高頻分量。各實驗室試驗現(xiàn)場設(shè)備分布不同，比如：分壓器與控制室的二次衰減器，或與數(shù)字記錄儀距離相距很遠，對于雷電沖擊電壓波形的波長而言，此段距離的影響至關(guān)重要，由于電纜類似于均勻傳輸線，所以通過測量系統(tǒng)采集的雷電沖擊波形，在一定程度上其波前時間和幅值會出現(xiàn)一定的變形。而這種影響可以通過調(diào)試精準的阻抗來有效降低其顯示的變化。

為了從各實驗室的自身設(shè)備，測試人員對調(diào)試參數(shù)的能力，以及各實驗室之間的測試水平進行比較。分析各實驗室的傳輸電纜對波前時間測量的影響，所設(shè)計的兩個不同波形的注入點，分別對從傳輸電纜的分壓器側(cè)獲取的數(shù)據(jù)，以及對從二次衰減器側(cè)獲取的數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析并對比，其結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，兩個不同注入點的對比數(shù)據(jù)差異很小，這個反映出絕大部分實驗室所使用的測量系統(tǒng)調(diào)試的阻抗匹配度較好。直接獲取的數(shù)據(jù)波動很小傳輸電纜對測量結(jié)果的影響較小。而經(jīng)過傳輸電纜傳輸后，由于電纜的差異性，使得少數(shù)試驗的不同注入點出現(xiàn)了比較大的偏差。這種不滿意的情況應(yīng)該是測量回路中所使用的阻抗與該系統(tǒng)不匹配。

2.5.2 設(shè)備的性能問題

該項目大部分試驗室均使用設(shè)備精準的示波器對所發(fā)生的雷電沖擊電壓波形進行采集。對于示波器而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受A/D轉(zhuǎn)換芯片位數(shù)等相關(guān)因素影響限值，所以其采集的波形分辨率不太理想。圖3（a）中所示的是某示波器采集生成的雷電沖擊電壓波形;圖3（b）中所示的是使用示波器導出的展示波形。

由上圖3（a）可看到，即使示波器顯示的波形較為圓潤平滑，但對該波形數(shù)據(jù)進行放大讀取時，會明顯看到波形數(shù)據(jù)處有多處的振蕩和毛刺。而這種情況在示波器導出的數(shù)據(jù)圖3（b）數(shù)據(jù)上更加明顯。這種波形的振蕩和毛刺使得測量波前時間的捕獲困難加重，造成測量結(jié)果的波動和不準確性。這極有可能是造成少數(shù)試驗室兩次測量結(jié)果差異較大的主要原因。

3 ?結(jié)語

該項目所使用的高性能雷電沖擊電壓波形發(fā)生器，產(chǎn)生經(jīng)分壓器衰減后的雷電沖擊電壓波形，其中測試波形與標準日常試驗波形相似。該方法解決了高壓電氣領(lǐng)域能力驗證樣品制造以及運輸困難等難題。實際操作過程中方法更靈活、更方便，為各相關(guān)實驗室提供了一種簡便的能力驗證和比對方法。

對于結(jié)果不滿意的實驗室，綜合分析后可能存在以下問題：（1）不能嚴格按要求提供準確的原始記錄，原始記錄信息才是真實反映數(shù)據(jù)的根本;（2）不能根據(jù)其自身的測量系統(tǒng)調(diào)時出相匹配的阻抗度，用以選擇合適的輸出和傳輸電纜;（3）不能準確利用示波器采集到發(fā)生器發(fā)出的雷電沖擊電壓波形。以上任何一點都會導致測試數(shù)據(jù)偏差，以至于影響對技術(shù)分析的結(jié)果。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.高電壓試驗技術(shù)：第1部分 一般定義及試驗要求：GB/T 16927.1-2011[S].北京：中國標準出版社，2011.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.高電壓試驗技術(shù)：第2部分 ?測量系統(tǒng)：GB/T 16927.2-2013[S].北京：中國標準出版社，2013.

[3] 中國合格評定國家認可委員會.能力驗證提供者認可準則：CNAS—CL03：2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4] 曹曉斌，杜俊樂，田明明，等.雷電沖擊波形對接地極沖擊接地電阻的影響實驗研究[J].高電壓技術(shù)，2018，44（5）：1565-1571.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.高電壓沖擊測量儀器和軟件：第1部分 對儀器的要求：GB/T 16896.1-2005[S].北京：中國標準出版社，2005.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標準的共用技術(shù)要求：GB/T 11022-2011[S].北京：中國標準出版社，2011.

[7] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.電力變壓器：第3部分 絕緣水平絕緣試驗和外絕緣空氣間隙：GB/T 1094.3-2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[8] 張健鵬.雷電沖擊發(fā)生器測控系統(tǒng)研究[D].江蘇大學，2017.

[9] 中國合格評定國家認可委員會.能力驗證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價指南：CNAS—CL003：2018[S].北京：中國標準出版社，2018.

[10] 中國合格評定國家認可委員會.能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南：CNAS—CL002：2018[S].北京：中國標準出版社，2018.

[11] 陳巧巧，黃萬均，魯力維.對鋼卷尺能力驗證中體現(xiàn)的典型問題的探討[J].機電技術(shù)，2021（1）：81-84.