对某次雷电冲击电压波形的波前时间测量能力验证的实施探讨

张世军 陈锐彬 刘淑贞 刘植铿

摘  要：该文主要介绍了电气领域某次雷电冲击电压波形的波前时间测量能力验证项目的实施过程。该项目主要从方案设计、样品设计以及对样品的均匀性稳定性检验等方面，详细阐述了实施的过程;并对各实验室的回收数据采用稳健统计法，对其进行结果评价。利用图示和表格详细描述了此次评价的过程和结果，最终对此次能力验证中的问题及技术方法进行分析，对出现不满意结果的原因进行了分析并提出建议。

关键词：波前时间  能力验证  Z值  技术方法分析

中图分类号：TM855                         文献标识码：A文章编号：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

對高压产品的试验检测中，绝缘试验至关重要，其中雷电冲击电压试验是最主要的绝缘试验之一，可以用来有效判断高压电器的绝缘好坏[1-2]，雷电冲击试验的电压波形具有明显的特点，比如其频带范围宽、上升速度快、持续时间短等。使得测试人员要依据产品的特点对回路的电容和电感进行调节，以使测试回路的电阻与产品相匹配，让试验波形满足1.2/50 ?s的标准试验波形。另外，雷电冲击电压试验对测量系统的带宽、采样速率以及信号捕捉能力也有较高的要求。倘若波前时间参数测量不准确，在很大程度上会影响试验结果的判定，从而会左右高压电器绝缘性能的验证结果而造成运行电网的安全事故。

1  项目的实施

1.1 背景及概况

此次能力验证项目主要目的是，了解各电气领域的相关实验室对雷电冲击电压的波前时间测量的试验能力[3]，通过对各实验室之间所测量的25组不同结果分析，进一步了解各实验室在雷电冲击电压波形波前时间测量的一致性，从而提高电气领域各实验室对于雷电冲击电压试验波前时间测量的水平。进而确保绝缘水平的准确性。

该项目共有25个实验室参加。所有流转样品测试完成后，总计收到25组不同的测试数据。其中有5组来自电网实验室，2组来自国家质检中心，3组来自质量监督检验实验室，15组来自企业性实验室。

1.2 项目方案的设计

该能力验证项目的设计，是利用高性能的雷电冲击波形发生器，产生出经过分压器衰减后的雷电冲击电压波形[4]，将该波形作为比对波形，注入到各实验室自身的雷电冲击测量系统中。方案的主要工作原理见图1。为了分析各实验室的数据，分别分析从分压器到二次衰减器（或数字记录仪）的传输电缆对波前时间测量[5]的影响，分别选取两个注入点，一个点是传输电缆的分压器侧（实线处），另一个点是二次衰减器侧（虚线处），倘若测量系统无二次衰减器，则直接读取数字记录仪的数据。

该设计方案选取了3种电压波形[6-7]，即波形1、波形2、波形3。三者的特点是其峰值相同，但是极性和波前时间均不同。其中统计波形为波形1，干扰波形为波形2和波形3。给实验室所流转发放的样品中，均存有两种任意波（即两个波形）。任意波1即为波形1。在对样品进行随机编码的同时，奇数标识码的样品中，存有的任意波2为波形2，标识码的样品中，存有的任意波2则为波形3。在后期进行统计分析时，选取在传输电缆的分压器侧注入波形1的测试结果作为有效的统计分析数据。而其他数据仅仅作为干扰项，不能用作能力评定的依据。

2  样品设计及分发

实际上测试样品为雷电冲击电压波形发生器。它是由信号发生器、功率放大器、电缆、转接头等部件组合而成。信号发生器中存储有数字化的雷电冲击电压波形文件，并使用DDS、D/A转换、低通滤波等技术生成的模拟波形。功率放大器则是将该模拟波形放大，形成一种比对波形。

该项目为每台样品赋予唯一的标识码，对于流转的每台样品均贴上标签，同时对各实验室赋予：“Lab-01”～“Lab-25”等代码，参加能力验证活动的实验室均以代码标识，所有的流转过程均用代码传递[8]，比如分发样品、发送报告等。此种方式有效避免了各实验室之间进行数据串通的情形。使用Excel随机排序方法，按照相应的序号分配代码，5个为一组，共分为5组。在同一时间段，以快递的方式向该组的实验室发送样品，依此循环。待收到25个实验室的有效测量结果后，循环结束。

2.1 样品均匀性检验及评价

依据文献[9]相关数据可知，采用SS≤0.3σ准则对该次能力验证的所有样品进行均匀性检验。样品的所有重复性测试均按随机次序来进行，利用这种准则对均匀性检验的结果进行统计处理。

在样品发放前，σ值依据标准GB/T 28043-2011来进行确定，倘若SS≤0.3σ，那么可以判定该批次样品较为均匀;随后依据回收的有效数据结果，使用稳健统计法得出能力评定的标准差，再次利用SS≤0.3σ准则，用来判定该样品的均匀性。

在对实验室测试数据回收后，其波前时间测量结果的能力评定标准差（即NIQR）σ=0.037 1，SS=0.005 2。

故SS≤0.3σ。由此可以判定该样品是均匀的。样品均匀性检验具体数据见表1。

由表1数据次数可知，总次数为12次;总平均值为0.912 4;自由度f1为5，平方和均方值MS1为0.000 1;自由度f2为6，平方和均方值MS2为0.000 0;那么0.3值为0.009 1，得出SS为0.005 2<0.011 1，故均匀性判定合格。

2.2 样品稳定性检验及评价

鉴于该项目所选用的样品，内部含有诸多精密元器件，其输出波形参数可能会受到相关因素的影响，比如温度、振动等。故选取高温和振动两个影响因素，作为对能力验证测试结果有影响的因素进行稳定性检验。

采用≤0.3σ对所有样品进行3次稳定性检验：第一次是均匀性检验合格后，第二次是试验完成之后，第三次是在收到实验室结果之后。整个过程所涉及的方法、测试人员、测试仪器、测试条件与均匀性检验均保持一致。经统计法分析，将稳定性检验的总体平均值与均匀性检验总体平均值进行比较，即可证明该样品的稳定性是否满足要求。

依次在均匀性检验之后，高温和振动试验之后，收回样品之后对波形1的波前时间进行稳定性检验，依据≤0.3σ进行判定，稳定性检验合格。

2.3 统计方法和评价方法

2.3.1 统计方法

该项目所使用的结果统计和分析均采用稳健统计法来确定指定值。将回收的全部25组测试数据统计起来，使用稳健统计的中位值作为其指定值，然后使用标准化四分位距NIQR用作能力评定的标准差[10]。因采用的是中位值和标准化四分位距，可以有效减少极端结果对平均值和标准偏差的影响。

按照递增顺序对n个测试数据进行排序，表示为：x1，x2，…xi，…，xn。

该组数据的中位值计算公式如下：

其中四分位距IQR和标准化四分位距NIQR计算公式如下：

IQR=Q3- Q1;Q1表示低四分位数，Q3表示高四分位数。

NIQR=0.7413×IQR

依据计算公式计算z值对该项目的25组测试数据进行计算：

Z=（x-X）/σ

式中：x表示实验室测试结果;X表示指定中位值;σ表示能力评定标准差。

2.3.2 评价方法

评价参加实验室的检测能力，用Z比分数进行评价。Z比分数值的大小反映了实验室结果与指定值的偏离程度。此次能力验证将按照下述原则对实验室结果进行评价：

当Z值的绝对值小于等于2，结果为满意;

当Z值的绝对值大于等于3，结果为不满意;

当Z值的绝对值小于3大于2，结果为可疑。

2.4 统计处理结果和能力评价

对于回收的25组有效测试数据，选取在传输电缆的分压器侧注入波形1的测试数据作为有效数据进行统计分析。

2.4.1 测试结果统计图表

为了清晰明示各实验室的能力验证计划的结果，使用频率分布直方图来表示各实验室结果，具体见图2。依据频率分布直方图，其测试结果数据近似于单峰分布，适合用稳健法来进行数据处理。

2.4.2 结果统计分析及能力评价

该项目的统计参数见表2。

测试结果满意的实验室有22家，占比为88.0%;结果不满意的实验室3个，占比为12.0%。样品测试结果的Z值分布情况见图3和图4。

2.5 项目的技术分析及建议

从统计结果来看，参与该项目的大部分实验室检验水平较好，取得了满意结果;有極少数实验室的测试结果出现了比较大的偏差、甚至是错误的数据，可以从设备参数、人员操作等方面查找原因[11]。组织方分别对25家实验室所反馈的测试结果，以及其提供的原始测试数据，进行技术分析。由于从数据的采集和测试回路的匹配度两方面比较容易出现问题，故从这两个方面对该项目的结果进行技术分析。

2.5.1 阻抗问题

因为雷电冲击电压波形的特点是，其波前时间较短，并且含有较多的高频分量。各实验室试验现场设备分布不同，比如：分压器与控制室的二次衰减器，或与数字记录仪距离相距很远，对于雷电冲击电压波形的波长而言，此段距离的影响至关重要，由于电缆类似于均匀传输线，所以通过测量系统采集的雷电冲击波形，在一定程度上其波前时间和幅值会出现一定的变形。而这种影响可以通过调试精准的阻抗来有效降低其显示的变化。

为了从各实验室的自身设备，测试人员对调试参数的能力，以及各实验室之间的测试水平进行比较。分析各实验室的传输电缆对波前时间测量的影响，所设计的两个不同波形的注入点，分别对从传输电缆的分压器侧获取的数据，以及对从二次衰减器侧获取的数据，进行统计分析并对比，其结果见表3。

从表3中可以看出，两个不同注入点的对比数据差异很小，这个反映出绝大部分实验室所使用的测量系统调试的阻抗匹配度较好。直接获取的数据波动很小传输电缆对测量结果的影响较小。而经过传输电缆传输后，由于电缆的差异性，使得少数试验的不同注入点出现了比较大的偏差。这种不满意的情况应该是测量回路中所使用的阻抗与该系统不匹配。

2.5.2 设备的性能问题

该项目大部分试验室均使用设备精准的示波器对所发生的雷电冲击电压波形进行采集。对于示波器而言，其内部结构受A/D转换芯片位数等相关因素影响限值，所以其采集的波形分辨率不太理想。图3（a）中所示的是某示波器采集生成的雷電冲击电压波形;图3（b）中所示的是使用示波器导出的展示波形。

由上图3（a）可看到，即使示波器显示的波形较为圆润平滑，但对该波形数据进行放大读取时，会明显看到波形数据处有多处的振荡和毛刺。而这种情况在示波器导出的数据图3（b）数据上更加明显。这种波形的振荡和毛刺使得测量波前时间的捕获困难加重，造成测量结果的波动和不准确性。这极有可能是造成少数试验室两次测量结果差异较大的主要原因。

3  结语

该项目所使用的高性能雷电冲击电压波形发生器，产生经分压器衰减后的雷电冲击电压波形，其中测试波形与标准日常试验波形相似。该方法解决了高压电气领域能力验证样品制造以及运输困难等难题。实际操作过程中方法更灵活、更方便，为各相关实验室提供了一种简便的能力验证和比对方法。

对于结果不满意的实验室，综合分析后可能存在以下问题：（1）不能严格按要求提供准确的原始记录，原始记录信息才是真实反映数据的根本;（2）不能根据其自身的测量系统调时出相匹配的阻抗度，用以选择合适的输出和传输电缆;（3）不能准确利用示波器采集到发生器发出的雷电冲击电压波形。以上任何一点都会导致测试数据偏差，以至于影响对技术分析的结果。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.高电压试验技术：第1部分 一般定义及试验要求：GB/T 16927.1-2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.高电压试验技术：第2部分  测量系统：GB/T 16927.2-2013[S].北京：中国标准出版社，2013.

[3] 中国合格评定国家认可委员会.能力验证提供者认可准则：CNAS—CL03：2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[4] 曹晓斌，杜俊乐，田明明，等.雷电冲击波形对接地极冲击接地电阻的影响实验研究[J].高电压技术，2018，44（5）：1565-1571.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.高电压冲击测量仪器和软件：第1部分 对仪器的要求：GB/T 16896.1-2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求：GB/T 11022-2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.电力变压器：第3部分 绝缘水平绝缘试验和外绝缘空气间隙：GB/T 1094.3-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[8] 张健鹏.雷电冲击发生器测控系统研究[D].江苏大学，2017.

[9] 中国合格评定国家认可委员会.能力验证样品均匀性和稳定性评价指南：CNAS—CL003：2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[10] 中国合格评定国家认可委员会.能力验证结果的统计处理和能力评价指南：CNAS—CL002：2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[11] 陈巧巧，黄万均，鲁力维.对钢卷尺能力验证中体现的典型问题的探讨[J].机电技术，2021（1）：81-84.