浅谈电涌保护器CNAS能力验证的指导意义

李 斌 窦俊杰（德州市气象局）

浅谈电涌保护器CNAS能力验证的指导意义

李 斌 窦俊杰
（德州市气象局）

摘 要：中国合格评定国家认可委员会（CNAS）已将电涌保护器列入能力验证计划，对参与这项计划的实验室开展电涌保护器的残压测试的能力验证活动，引起电涌保护器行业的高度重视。该能力验证计划对提高电涌保护器的研发水平和品质控制，提高雷电防护行业规范有序推进有积极的指导意义。

关键词：能力验证；电涌保护器；残压测试

1　能力验证概述

能力验证（Proficiency Testing）是利用实验室间比对来判定实验室和检查机构能力的活动，也是认可机构加入和维持国际相互承认协议（MRA）的必要条件之一。

CNAS根据国际实验室认可合作组织（ILAC）、亚太实验室认可合作组织（APLAC）的相关要求制定了能力验证政策和要求，组织开展能力验证活动并参加国际能力验证计划。寻求CNAS认可和已获准认可的机构必须满足CNAS的能力验证相关政策，并按照CNAS能力验证领域、频次要求参加CNAS组织或承认的能力验证活动，包括能力验证计划、实验室间比对和测量审核活动。

CNAS按照ISO/IEC 17043等国际通行要求开展能力验证活动。实验室和检查机构等可以通过利用能力验证这种外部质量保证（EQA）工具，识别与同行机构之间的差异，补充其内部质量控制技术，为自身的持续改进和质量管理提供信息；实验室的用户、监督和管理机构、评价机构等可通过利用CNAS能力验证结果，判断实验室和检查机构等是否具有从事校准/检测活动的能力，以及监控他们能力的持续状况。

CNAS能力验证的作用和意义表现在两个方面：对认可机构来讲这是评价实验室技术能力的重要技术方法之一，也是判断和监控实验室能力的有效手段；对实验室来讲通过能力验证来满足认可机构和有关管理机构的要求，是推进实验室自身建设，并进行产品质量控制的有效手段，同时，也是向用户说明所

拥有技术能力的不可或缺的依据。

能力验证标志为：

2　能力验证主要概念

《能力验证规则》CNAS−RL02中明确了能力验证活动包括计划、对比、审核等三个环节的主要概念。

1）能力验证：利用实验室间比对确定实验室的校准、检测能力或检查机构的检测能力。

2）能力验证活动：用于监控实验室能力的任何实验室间比对或测量审核，例如由国家或区域的认可机构、合作组织、政府、行业组织或提供正式能力验证计划的商业提供者运作的实验室间比对和测量审核。

3）能力验证计划：为保证实验室在特定检测、测量或校准领域的能力而设计和运作的实验室间比对。

4）实验室间比对：按照预先规定的条件，由两个或多个实验室对相同或类似被测物品进行校准/检测的组织、实施和评价。

5）测量审核：实验室对被测物品（材料或制品）进行实际测试，将测试结果与参考值进行比较的活动。

按此规则描述，能力验证又可分为两个阶段，拓扑如图1所示。

3　能力验证内容和流程

3.1 能力验证内容

中国家用电器研究院作为CNAS认可的能力验证提供者，确定了2015年度实施的六项能力验证计划，首次将电涌保护器（SPD）的残压测试（CHEARI−PT016）纳入了能力验证项目。详见表1。

图1　能力验证拓扑图

表 1

3.2 能力验证流程（见图2）

图2　能力验证流程图

4　残压测试的基本含义

残压（Residual voltage）的定义是指放电电流流过电涌保护器（SPD）时，在其端子间产生的电压峰值（详见GB 18802.1—2011 3.17），英文：Ures。电涌保护器（SPD）的残压测试（CHEARI−PT016）能力验证，通常由权威的测试机构提供标准测试样品和规定波形（幅值）、参考测试数据和分析统计数据。测试（或测量）按照GB 18802.1—2011/7.5.2条款执行。

雷电防护分为内部防护和外部防护两个层次，电涌保护器（SPD）是内部防护的重要的部件。电涌保护器（SPD）在待机状态下，呈现高阻状态，不应影响低压配电系统的正常运行，当雷电流袭扰时，电涌保护器（SPD）便呈现低阻状态，释放雷电流，并将过电压嵌在一定的安全范围之内。电涌保护器（SPD）运用了非线性元件物理特性达到保护用电设备的目的。

电涌保护器的残压值，表征了电涌保护器（SPD）限制电压的高低，可确定电涌保护器（SPD）的电压保护水平（Up）。笔者认为，残压测试的基本含义就是测试（或测量）电涌保护器（SPD）的限制电压，限制电压（Measured Limiting Voltage）是指施加规定波形和幅值的冲击时，在SPD接线端子间测得的最大电压峰值（详见GB18802.1—2011 3.16）。残压（Ures）描述了电涌保护器（SPD）在放电电流流过时，在其端子间必然会产生一个电压峰值的物理现象，限制电压则是在一定的电应力作用下，电涌保护器（SPD）限压的实际值。CNAS能力验证应该就是取到各实验室所测的这个限制电压值数据，进行比对、审核。

5　残压测试的技术要点

电涌保护器（SPD）的残压测试的能力验证，是通过对比各实验室数据，并与专业的测试机构提供的参考值进行数据审核。《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》（CNAS−GL02）规定了能力验证的统计处理和测量审核的方法。

5.1 正态分布（见图3）

图3　正态分布图

5.2 测量比对

稳健统计比分值，Z比分值计算

En比率来评定某一实验室的每一个单独结果，En值计算式中，xLAB为参加实验室的结果；xREF为参考实验室的结果；ULAB为参加实验室报告的不确定度（如是认可项目，即为认可的不确定度）；UREF为参考实验室报告的不确定度。ULAB和UREF的置信水平为95%。

5.3 审核判定

（1）Z比分值

Z≤2满意结果

2＜Z＜3有问题或可疑结果

Z≥3不满意或离群的结果（2）En值

En≤1满意结果

En＞1不满意结果

5.4 技术要点分析

（1）波形校验

能力验证残压测试8/20波形应按标准校验，如图4所示。

8/20的波形校验时，波头时间允差范围越小越好，尽量与提供的参考值接近。这与测试设备计算精度有关，测试时应反复调整，力求设备精度在可接受的范围内，校验确实有一定的难度，它与实际测试结果密切相关。

图4　能力验证残压测试8/20波形图

（2）通流量的校验

假如规定的波形和幅值为标称放电电流In取20kA，同样，其允差范围也是越小越好，标称放电电流In最好能接近20.00kA。这是考核测试的精度，需要反复调整冲击电流设备的高压输出值，其难度也是不小的，几百安的电流偏离，直接影响测试结果。通流量校验时，还应将电流互感器计量考核在内。

（3）采样部件的校验

采样部件包括电流互感器、电压采集器（高压探头或分压器）、示波器、PC（计算软件）。据了解目前各SPD实验室主要差异在电压采集器部件上。而电压采集器又是测量SPD残压值核心部件，因此，该部件的校验是避免系统性误差的关键所在。分压器与高压探头的区别在于其内在阻抗的存在，而且这一阻抗的大小由于受分布参数的影响难以控制测量的误差。权威测试机构一般都采用高压探头。因此，假如实验室对分压器的阻抗能够有效控制，测试/测量的误差风险就小一点，若不能建立有效的控制机制，那最好采用与权威测试机构一致的采样部件。

分压器与高压探头的残压（Ures）测试/测量比较如表2所示。

同样的标准试品，不同的采样方式，偏离比值只有2号试品相对接近，残压值偏离比值＜2%。由此可见，统一采样部件还是很重要的。

5.5 接地电阻的校验

电流冲击试验设备的接地电阻应符合设计要求，接地电阻偏离，也会影响到残压测试的准确度。在正式测试/测量之前，对接地电阻做好测定工作，并做好记录，以便于分析。

表2　分压器与高压探头的残压（Ures）测试/测量比较表

6　CNAS能力验证的风险评估

由于能力验证是采用各参加实验室的测试数据的比对的一种活动。正态分布图的µ值，不是事先约定的，而是加权平均计算而来。由于各种客观原因，实验室系统误差必然存在，还有各实验室的测试人员的熟练程度等人为因素，也会导致测试/测量数据的偏离。这些都会影响到比对的最终结果。CNAS能力验证的风险确实存在不可预测性。

这就要求参加CNAS能力验证活动的各实验室，一定要以认真的态度，高度负责的精神，把握好测试/测量过程中的每个细节，确保所提供的测试/测量数据能够反映电涌保护器（SPD）实验室真实水平。也可以在正式测试之前，按参考值来进行自我比对和校验，也许能将风险降到最低。

7　CNAS能力验证的指导意义

随着国家行政管理体制和方式改进步伐的加快，负面清单和市场化的监管模式渐露雏形。对雷电防护电涌保护器（SPD）来讲，也在发生深刻的变化，从行政管理逐步转向市场化管理，从粗旷式管理逐步转向精细化管理。作为电涌保护器制造商需要不断适应这种行业管理模式。

20多年来，电涌保护器（SPD）在雷电防护的实践中发挥了不小的作用。电涌保护器（SPD）制造商为满足雷电防护市场的需求，提供了不同类型、不同规格的产品，也建立各自的实验室，确保了产品的安全性和可靠性。但是，在如此众多的制造商中，也难免存在鱼龙混杂的现象。有的企业虽然购置了冲击电流等电涌保护器（SPD）所必需的相关设备，但日常维护和使用是否正常，测试/测量精度是否达到标准要求，都存在不确定因素。

首次开展的电涌保护器（SPD）CNAS能力验证活动，是对电涌保护器行业一次大检阅。对雷电防护行业的指导意义极为明显。

1）推动了电涌保护器（SPD）行业的整体研发水平和质量控制能力进一步提高。

2）推动了电涌保护器（SPD）乃至雷电防护市场进一步规范，作为电涌保护器（SPD）制造商，不具备研发验证和质量控制的必要设备，或者不具备测试/测量的应有能力，就难以被用户所接受，企业的市场可信度和客户的忠诚度将会大大降低。

3）推动了电涌保护器（SPD）行业管理模式的进一步提升。

8　结束语

电涌保护器（SPD）CNAS的能力验证对各制造商实验室的能力和水平确实是一个大考验。作为气象部门应该关注和积极参与这次活动，也希望在不久的将来，针对电涌保护器（SPD）增加更多的CNAS能力验证项目，推动电涌保护器（SPD）行业在雷电防护事业中发挥更大的作用。

参考文献

[1] CNAS−RL02能力验证规则[S].

[2] CNAS−AL07 CNAS能力验证领域和频次表[S].

[3] CNAS−GL02 能力验证结果的统计处理和能力评价指南[S].

[4] CNAS−QM: 01 中国合格评定国家认可委员会质量管理手册[S].

[5] GB 18802.1—2011低压电涌保护器（SPD） 第1部分: 低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法[S].

收稿日期：（2015-06-22）