Testen van diëlektrische sterkte van isolatieolie: evaluatie van meetonzekerheid en handleiding voor het opbouwen van laboratoriumcapaciteiten
Een non-conformiteit gevonden tijdens een beoordeling: “We kunnen meten, maar we kunnen niet zeggen hoe betrouwbaar het resultaat is”
Tijdens een CNAS-accreditatiebeoordeling van een energietestlaboratorium beoordeelde het beoordelingsteam de testrapporten van de isolatieoliedoorslagspanning, die compleet waren met gegevens en duidelijke conclusies. Toen de beoordelaars echter vroegen: “Wat is voor dit resultaat van 36 kV de meetonzekerheid en op basis van welke regel wordt de conformiteit beoordeeld?”, kon het personeel ter plaatse geen antwoord geven. Het rapport gaf slechts één enkele gemeten waarde en een ‘voldoende’ conclusie, waarbij noch een onzekerheidsevaluatie, noch een conformiteitsbeoordelingsregel dichtbij de limiet lag. Als gevolg hiervan kreeg het laboratorium een non-conformiteit en werd het gerelateerde project opgeschort voor het verstrekken van rapporten aan externe partijen.
Dit is geen alleenstaand geval. Veel oliebestendige spanningslaboratoria richten zich op ‘of de operator het instrument kan bedienen en metingen kan doen’, maar zien het fundamentele metrologische probleem over het hoofd: elke meting brengt fouten met zich mee, en een meetresultaat is slechts een schatting van de meetgrootheid. Alleen wanneer onzekerheid wordt vermeld, is een resultaat compleet, vergelijkbaar en bruikbaar voor conformiteitsbeoordeling.
Waarom laboratoria voor oliebestendigheidsspanning de meetonzekerheid moeten evalueren
- Verplichte eis van accreditatiecriteria: CNAS-CL01 (equivalent aan ISO/IEC 17025) vereist dat laboratoria de meetonzekerheid indien nodig evalueren en in rapporten vermelden; wanneer de testmethode, de eisen van de klant of het resultaat van invloed zijn op het conformiteitsoordeel, moet de onzekerheid worden weerspiegeld.
- Objectieve behoefte aan beoordeling nabij limieten: wanneer de gemeten doorslagspanning de standaardlimiet nadert (bijvoorbeeld een limiet van 35 kV voor een 220 kV-apparaat in gebruik, met een gemeten waarde van 35,8 kV), kan het beoordelen van “geslaagd” alleen op basis van het getal tot een verkeerde inschatting leiden; Er moet rekening gehouden worden met de onzekerheid.
- Basis voor internationale gegevensherkenning en geschillenarbitrage: bekwaamheidstesten, interlaboratoriumvergelijkingen en gegevensgeschillen tussen klant en leverancier zijn uiteindelijk afhankelijk van statistische hulpmiddelen zoals onzekerheid en de En-waarde om tot onpartijdige conclusies te komen.
- Basis voor de eigen kwaliteitsverbetering van het laboratorium: door het identificeren van de individuele onzekerheidscomponenten kunnen de belangrijkste verbanden die het resultaat beïnvloeden, worden gevonden en gericht worden verbeterd.
Meetprincipe en bronnen van onzekerheid (5M1E)
Bij het testen van de diëlektrische sterkte van isolerende olie wordt een wisselspanning die met een uniforme snelheid stijgt, aangelegd tussen twee bolvormige elektroden in een standaard oliebeker totdat het oliemonster kapot gaat, en de spanning op het moment van doorslag wordt geregistreerd; van meerdere opeenvolgende metingen (standaard 6) wordt het gemiddelde genomen. Met behulp van het 5M1E-framework (Mens, Machine, Materiaal, Methode, Omgeving, Meting) kunnen de bronnen van onzekerheid systematisch worden geïdentificeerd:
Instrument: 80 kV drukknop-diëlektrische sterktetester voor isolatieolie met één kop, geïntegreerde tafelmodelstructuur
| Parameter | Technische specificatie | Betekenis voor onzekerheid / metrologie |
|---|---|---|
| Uitgangsspanning | 0~80 kV | Bepaalt het meetbereik en bereik |
| Fout met spanningsindicatie | ±(2% van meetwaarde + 2 cijfers) | Belangrijkste bron van Type B-onzekerheid; geregeld door het kalibratiecertificaat |
| Spanningsresolutie | Digitaal display met vloeibare kristallen | Onzekerheid geïntroduceerd door resolutie; vermijd dubbeltellingen met indicatiefouten |
| Snelheid van spanningsstijging | 0,5~5,0 kV/s in tien stappen, fout 0,2 kV/s | Tariefafwijking heeft invloed op de uitsplitsingswaarde; meestal een klein onderdeel |
| Elektrode / opening | Bolvormige elektroden, standaard 2,5 mm, met een standaardschaal | Afwijking van de opening heeft rechtstreeks invloed op het resultaat; traceerbaar gekalibreerd moeten zijn |
| Vervorming van de voeding | <1% | Zorgt voor een sinusoïdale golfvorm; golfvormafwijking is een ondergeschikt onderdeel |
| Aantal testen | Standaard 6, selecteerbaar 1~10 | Heeft invloed op de betrouwbaarheid van de Type A-evaluatie |
| Statische rust / interval / roeren | 900 s / 300 s / 15 s, instelbaar | Gestandaardiseerde werking vermindert spreiding |
| Opname van pech | Vastlegging op millisecondenniveau, directe A/D-bemonstering op de HV-terminal | Vermindert tijdelijke vastlegfouten |
| Omgevingsomstandigheden | 0~40℃, vochtigheid ≤85% | Basis voor de evaluatie van de milieucomponent |
| Mededeling | RS232-upload | Zorgt voor traceerbaarheid van ruwe gegevens |
| Afmetingen / gewicht | 430*350*370mm, 36 kg | Voor vast/on-site gebruik |
Standaardprocedure voor het evalueren van meetonzekerheid
Uitgewerkt voorbeeld: een volledige onzekerheidsberekening
Voor een oliemonster van een in bedrijf zijnde 220 kV-transformator waren zes opeenvolgende doorslagwaarden per GB/T 507-2002: 42,1, 41,5, 43,0, 42,6, 41,9, 42,4 (kV). De evaluatie is als volgt:
| Stap | Berekeningsproces | Resultaat |
|---|---|---|
| Beste schatting | Rekenkundig gemiddelde van de 6 metingen | 42,25 kV |
| Experimentele standaarddeviatie s | Bessel-formule | 0,53 kV |
| Type A standaardonzekerheid uA | s/√6 | 0,22 kV |
| Type B: halve breedte a van spanningsindicatiefout | 2% * 42,25 + 2 cijfers (genomen als 0,2 kV) | 1,05 kV |
| Type B standaardonzekerheid uB | a/√3 (rechthoekige verdeling) | 0,60 kV |
| Gecombineerde standaardonzekerheid uc | √(uA² + uB²) | 0,64 kV |
| Uitgebreide onzekerheid U | k = 2 (ongeveer 95%), U = 2uc | 1,3 kV |
| Gerapporteerd resultaat: doorslagspanning = 42,3 kV, uitgebreide onzekerheid U = 1,3 kV (k = 2). Opmerking: componenten zoals de snelheid van de spanningsstijging, de elektrodeafstand en de golfvorm hebben onder deze omstandigheden een klein effect of worden gecontroleerd door middel van kalibratie; de resolutiecomponent is al vervat in de indicatiefout en herhaalbaarheid en wordt niet opnieuw geteld. De daadwerkelijke evaluatie moet gebaseerd zijn op het geldige kalibratiecertificaat van het instrument, de herhaalbaarheidsgegevens van het laboratorium en de resultaten van de methodevalidatie. | ||
De “drie-zoneregel” voor conformiteitsbeoordeling met het oog op onzekerheid
Doorslagspanning is een ondergrensindicator waarbij 'groter meer compliant is'. Laat de standaardlimiet L zijn. Gezien de uitgebreide onzekerheid U worden drie gevallen onderscheiden:
| Zone | Oordeelsvoorwaarde | Actie |
|---|---|---|
| Passzone | Meetwaarde − U ≥ L | Beoordeel als voldoende |
| Mislukte zone | Meetwaarde + U ≤ L | Oordeel als mislukt |
| Onbepaalde zone (bewakingsband) | Interval [gemeten waarde − U, gemeten waarde + U] kruist L | Vergroot het aantal metingen om het meetniveau/afhandeling per overeenkomst opnieuw te testen/verbeteren; vel geen absoluut oordeel |
In dit voorbeeld L = 35 kV: 42,3 − 1,3 = 41,0 ≥ 35, dus als geslaagd beoordeeld.
Als de gemeten waarde 35,8 kV is: 35,8 − 1,3 = 34,5 < 35, wat in de onbepaalde zone valt; hertesten is vereist in plaats van een onmiddellijke slaag.
Als de gemeten waarde 33,0 kV is: 33,0 + 1,3 = 34,3 ≤ 35, wordt deze dus als mislukt beoordeeld.
Proficiency Testing (PT) en interlaboratoriumvergelijking
Ringonderzoek Z-score
Bij deelname aan een ringonderzoekschema wordt de Z-score berekend als Z = (laboratoriumresultaat − toegekende waarde) / standaarddeviatie voor ringonderzoek: |Z| ≤ 2 is een bevredigend resultaat; 2 < |Z| < 3 is twijfelachtig; |Z| ≥ 3 is onbevredigend (uitbijter), waarvoor corrigerende maatregelen moeten worden genomen.
Vergelijking En-waarde
Bij vergelijking met een ander laboratorium of een referentielaboratorium, En = (eigen resultaat − referentiewaarde) / √(U²eigen + U²referentie): |En| ≤ 1 wordt als voldoende beoordeeld; anders is de vergelijking inconsistent en moet de oorzaak worden onderzocht.
Kwaliteitscontrolekaarten en tussentijdse controles
Kwaliteitscontrolekaart: gebruik een stabiel oliemonster voor kwaliteitscontrole voor periodieke metingen om een X (gemiddelde) –MR (bewegend bereik) controlekaart op te stellen, waarin de middellijn plus bovenste/onderste controlelimieten en waarschuwingslimieten worden ingesteld, om te controleren of de resultaten continu onder controle blijven; een aanhoudende verschuiving, trend of gebeurtenis die buiten de limiet valt, leidt tot een vroege waarschuwing.
Tussentijdse controles: tussen twee formele kalibraties, behoud van de geloofwaardigheid van het instrument door middel van methoden zoals het opnieuw testen van bewaarde monsters, controle met referentiematerialen en vergelijking van apparatuur.
Kalibratie-/verificatie-interval: het spanningsmeetsysteem en de elektrodeafstand (standaardschaal) moeten regelmatig traceerbaar worden gekalibreerd, meestal één keer per jaar; bij frequent gebruik of abnormale omstandigheden moet het interval worden ingekort.
Zes typische problemen en oplossingen op het gebied van metrologie en kwaliteitscontrole
| Typische moeilijkheid | Symptoom/risico | Oplossing |
|---|---|---|
| Onbetrouwbare Type A-component | De verdelingsspreiding is groot, slechts 6 metingen, de schatting van de standaardafwijking is onstabiel | Standaardiseer statisch rusten en roeren, verhoog het aantal metingen en gebruik een gepoolde standaardafwijking |
| Type B-component weggelaten of dubbel geteld | Resolutie, indicatiefout en herhaalbaarheid worden herhaaldelijk geteld | Teken een oorzaak-en-gevolgdiagram om elk onderdeel uit te zoeken; Reeds aanwezige componenten worden niet opnieuw geëvalueerd |
| Conformiteitsgeschillen naderen de limiet | Een “on-the-line” resultaat wordt eenvoudigweg beoordeeld als geslaagd/mislukt | Pas de driezoneregel toe; opnieuw testen of onderhandelen over een oordeel in de onbepaalde zone |
| Mengresultaten van verschillende standaarden | GB 507 en IEC 60156 verschillen in methodeparameters | Vermeld de in het rapport gebruikte methode, evalueer afzonderlijk en pas de regels van de ene standaard niet toe op de andere |
| Uitschieter in ringonderzoek | |Z| ≥ 3 of |En| > 1 | Onderzoek per 5M1E (vaak problemen met bemonstering/elektrode/kalibratie), corrigeer en verifieer vervolgens |
| Bemonsteringsonzekerheid genegeerd | Slechte representativiteit van de steekproef; resultaat kan de werkelijke toestand van de apparatuur niet weerspiegelen | Stel een bemonsterings-SOP op (schone, droge containers; spoelen; bescherming tegen vocht en stof; representatieve bemonsteringspunten), evalueer en controleer de bemonsteringscomponent |
Toepassingsscenario's
- Testlaboratoria van derden: CNAS-accreditatieaanvraag, onderhoud en uitbreiding van de reikwijdte, voldoen aan de vereisten voor onzekerheids- en bekwaamheidstesten.
- Onderzoeksinstituten voor vermogenstesten / onderzoeksinstituten voor elektrische energie: testen van oliechemie, organisatie van vergelijkingen en technische arbitrage.
- Centrale testlaboratoria van energieopwekkings-/leveringsbedrijven: interne kwaliteitscontrole en poortbeheer van monitoringnetwerkgegevens.
- Metrologie- en kalibratieorganisaties: kalibratie van indicatiesystemen voor oliebestendige spanningstesters en onzekerheidsoverdracht.
- Kwaliteitscontrolelaboratoria van olieproducenten: bewijs van de geloofwaardigheid van fabrieksinspectiegegevens.
- Laboratoria van grote industriële gebruikers: werking van het kwaliteitssysteem van interne laboratoria op het gebied van de metallurgie, petrochemie en spoorwegvervoer.