Analiza pomiarów termoluminescencji izolatorów porcelanowych średniego napięcia

Transkrypt

1 Rafał SOBOTA, Janusz SOWIŃSKI Instytut Elektoenegetyk, Poltechnka Częstochowska do: / Analza pomaów temolumnescencj zolatoów pocelanowych śednego napęca Steszczene. W atykule pzedstawono wynk analzy statystycznej w opacu o jednoczynnkową analzę waancj ANOVA, na podstawe danych uzyskanych z pomaów zjawska temczne stymulowanej lumnescencj (TL) w zolatoach pocelanowych LSP-4, podukowanych z masy pocelany elektotechncznej C10 C130. Ponadto, dogłębne omówono metodykę wybanego sposobu do analzy danych pomaowych, któe otzymano podczas badań temolumnescencj zolatoów enegetycznych w konfguacj podstawowej apaatuy laboatoyjnej oaz ozszezonej. Abstact. The pape summazes the esults of a statstcal analyss based on the ANOVA method fo data obtaned fom measuements of the phenomenon of themally stmulated lumnescence (TL) n pocelan nsulatos LSP-4 manufactued fom the mass of electcal pocelan C10 and C130. In addton, the analyss methodology of data, obtaned as the esult of the themolumnescence measuements fo powe nsulatos wth basc and extended confguaton of laboatoy equpment, was thooughly dscussed. (Analyss of the themolumnescence measuements of pocelan medum-voltage nsulatos). Słowa kluczowe: analza statystyczna, ANOVA, temolumnescencja (TL), zolatoy pocelanowe. Keywods: statstcal analyss, ANOVA, themolumnescence (TL), pocelan nsulatos. Wstęp Dostępne metody analzy danych w znacznym stopnu ułatwają opacowane statystyczne wynków pomaów laboatoyjnych. Dotyczy to także elektoenegetyk, szczególne w takch pzypadkach, gdy wynk badań są dużym zboam danych, zaweającym szeeg chonologczne [1]. Do opacowana wynków pomaów temolumnescencj (TL) zolatoów pocelanowych typu LSP-4 wykozystano metodę analzy waancj. Podstawy tej analzy zostały opacowane pzez R. A. she'a. Omawany w atykule sposób powadzena analzy opato na metodyce opsanej pzez S. Bandt a []. Podstawowy poblem spowadza sę do analzy klku se pomaów wykonywanych dla óżnych waunków. Na wynk póby mogą wpływać óżne czynnk (zmenne) zewnętzne, natomast analza waancj ma za zadane potwedzć stotność ch wpływu. W celu ozwązana tak postawonego zadana, gdy dysponuje sę tylko dwoma póbam, możlwe jest wykozystane testu óżnc Studenta. Dla pzypadków wększej lczby pób do dyspozycj jest analza waancj z pojedynczą klasyfkacją, gdy uwzględnana jest tylko jedna zmenna, lub analza waancj z welokotną klasyfkacją stosowana w pzypadku welu zmennych zewnętznych []. Temolumnescencja pocelany elektotechncznej zolatoów Zjawsko temczne stymulowanej lumnescencj TL występuje wtedy, gdy mateał emtuje śwatło pod wpływem zmany tempeatuy, lecz ne jest to pomenowane temczne. Mechanzm powstawana zjawska TL, z ejestacją ntensywnośc TL w funkcj tempeatuy pzedstawono na ysunku 1. Zjawsko występowana oaz chaakteystyka temolumnescencj w zolatoach pocelanowych nejednokotne opsywana już była w klku publkacjach naukowych. Za poneów tych badań można uważać Ramzaev'a Göksu'a, któzy w dzedzne dozymet wykozystal pomay TL do wyznaczena dawk pomenowana jonzującego pochłonętej pzez zolatoy podczas kontolowanego wybuchu nukleanego, któy mał mejsce w Rosj. W powadzonych badanach podjęto póbę wykozystana zjawska TL do opacowana metody dagnostyk jakoścowej zwązanej z pocesem stazena sę mateału ceamcznych zolatoów enegetycznych śednego napęca typu LSP-4. Rys.1. Mechanzm zjawska temolumnescencj Mateał do badań w postac póbek pocelany elektotechncznej o śedncy ok. 5 mm pobeano w sposób mechanczny z wcześnej ustalonych mejsc zolatoa enegetycznego. Pzyjęto tzy, uznane za stotne, punkty do badań: śodek (dzeń), część wewnętzną (kołpak) oaz osłonowa wastwa zewnętzna (szklwo). Wykozystując tak pzygotowane póbk mezono temolumnescencję natualną, w któej ekscytacja dokonywała sę samozutne popzez natualne pomenowane jonzujące, tzw. pomenowane tła. W celu wzmocnena sły ejestowanego sygnału część póbek ekscytowano dodatkowo źódłem pomenowana beta 90 S 90 Y. Do pomau póbka była montowana na stolku gzewczym kostatu (Rys.). W celu unknęca nepożądanej deekscytacj mateału, czynnośc te, jak ówneż samo pzygotowane póbk, wykonywano w cemnośc, używając jedyne słabego czewonego śwatła. Pomau TL dokonywano podczas lnowego ogzewana póbk z szybkoścą = 0,7 K/s w zakese tempeatu K. Rolę detektoa pełnł fotopowelacz balkalczny fmy Hamamatsu dzałający w tybe zlczana fotonów (photon countng). W wysokch tempeatuach (powyżej 530 K) poma TL może być slne zabuzony pzez natualne pomenowane temczne. Dlatego też, po zakończenu właścwego pomau, dokonywano pomau tła, któe w dalszym etape odejmowano od zmezonego wdma. ekscytowane były w czase ok. 3 dób (dawka ok. 65 Gy). 104 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 4/017

2 W opsywanych w tym atykule badanach TL dawka pomenowana była znana pzyjęta zgodne z metodyką badawczą (~65 Gy), a celem pomaów była dagnostyka stuktuy defektowej sec kystalcznej zolatoów elektoenegetycznych z okesu lat podukowanych w tym czase z dwóch odzajów masy ceamcznej C10 C130. Dzęk tym badanom możlwe jest óżncowane obu odzajów mas pocelany elektotechncznej stosowanej w elektoenegetyce. Rys.. Schemat stanowska do pomau temolumnescencj Zjawsko lumnescencj zwązane jest z występowanem dużej lczby defektów stuktualnych mateału zolacyjnego spowodowanych np.: domeszkam, wtącenam, dyslokacjam tp. Pzekłada sę to na jakość mateału, a defekty powodują powstane zlokalzowanych stanów enegetycznych wewnątz pzewy wzbononej zolatoa. Otzymane wynk badań temolumnescencj w dalszej częśc poddano analze statystycznej celem potwedzena hpotezy o możlwośc óżncowana mas pocelany elektotechncznej stosowanej w zolatoach elektoenegetycznych LSP-4. Intensywność TL 45000, , , , , , , , ,00 0, Tempeatua [K] Rys.3. Chaakteystyk temolumnescencj póbek masy ceamcznej C10 pobanych kołpaka zolatoów podukowanych w oku [1] Intensywność TL Tempeatua [K] Analza ANOVA Jednoczynnkowa analza waancj ANOVA (Analyss of Vaance) to test statystyczny służący do weyfkacj hpotezy o ównośc watośc śednch welu populacj. Pzy ocene wynków badań TL można uwzględnć analzę waancj z klasyfkacją pojedynczą, czyl jednoczynnkową analzę waancj. Omawana analza ANOVA okeśla pawdopodobeństwo, z jakm dany czynnk wywołuje óżnce pomędzy śednm gupowym [1]. Rozważa sę póbę o lcznośc n, któą zgodne z pzyjętym kyteum dzel sę na gup lub klas. Każda z tych gup pobana została z populacj o ozkładze nomalnym z watoścą waancj. W ogólnym pzypadku kyteum okeślone jest popzez sposób pobeana póby lub sposób powadzonego pomau. W zwązku z powyższym, celem analzy ANOVA jest wykyce wpływu waunków zewnętznych na własnośc póby. [3] Pzepowadzono ekspeymentów (każdy z tych ekspeymentów to chaakteystyka dla jednej póbk masy ceamcznej zolatoa C10 lub C130) dla n punktów pomaowych. Pzykładowe pzebeg chaakteystyk temolumnescencj podano na ysunkach 3 4. Każdy z ekspeymentów pzyjęto jako póbę losową. Pzyjęto, ż z populacj wylosowanych jest pób, każda o lcznośc n, któe pzyjmują watośc: x j, = 1,..., ; j = 1,...,n. Spełnona jest zależność: (1) n = =1 Spawdzenu pawdzwośc poddano hpotezę, któa mów o ównośc watośc śednch z poszczególnych populacj [3]. Bak pzesłanek do hpotezy oznacza, ż wszystke póby pochodzą z tego samego ozkładu nomalnego o waancj ównej. Zakładając pawdłowość hpotezy, jednocześne uznano, ż jest sumą kwadatów zmennych losowych o ozkładze nomalnym, a to mplkuje, że watość / ma ozkład x o n - 1 stopnach swobody. Podobne wnoskuje sę o ozkładze sumy dla każdej gupy /, wyażonej następującym wzoem: () n n 1 = xj - x j=1 Welkośc / mają ozkłady x o n - 1 stopnach swobody. Toteż wyznaczona została welkość W / ówna: (3) W = =1 Suma W / ma zatem ozkład x o lczbe stopn swobody okeślonej sumą: (4) 1 =1 n- = n - Neobcążonym estymatoam waancj populacj są następujące welkośc: (5a) s = n Rys.4. Chaakteystyk temolumnescencj póbek masy ceamcznej C130, pobanych kołpaka zolatoów podukowanych w oku [1] (5b) (5c) K sk = - 1 W = W s n - PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 4/

3 Hpoteza odzucana jest pzy zadanym pozome stotnośc α, gdy zachodz neówność (test she a - Snedeco a): (6) > - 1, n - 1-α Natomast statystykę testu she a - Snedeco a wyznacza sę z ponższego wzou: sk (7) = sw Jeżel dokonywana jest analza waancj, to póby dla poszczególnych gup muszą posadać ozkład nomalny. Natomast, gdy gęstość pawdopodobeństwa odbega od ozkładu nomalnego, np. jest ozkładem skośnym, to emedum są pzekształcena dające dobe pzyblżena do ozkładu nomalnego [], np. pzekształcene okeślone wzoem (8): ' (8) x = alog( x + b) gdze: a, b - stałe dobane ekspeymentalne, x - wynk pomaów TL zolatoów LSP-4. Badana ozkładów w poszczególnych gupach wykonane zostały w opacu o omawaną metodę ANOVA pzy wykozystanu paketu analzy danych dostępnego w pogame MS Offce Excel. Testy analzy waancj pzepowadzono na pzekształconych danych otzymanych w pomaach TL zgodne ze wzoem (8), w któym założono a = 1 b = 0. Pozwolło to na spełnene podstawowego waunku dla powadzena analzy waancj, jakm jest wymóg, aby póby dla poszczególnych gup posadały ozkład nomalny. Po pzekształcenach poddano badanu każdą póbę potwedzając jej ozkład nomalny o watośc oczekwanej oaz odchylenu standadowym zgodnym z badaną póbą. Podczas wykonywanej analzy użyto testu Kołmogoow a - Smnow a, któy mał za zadane poównać ozkłady dla dwóch pób. Hpoteza zakłada, ż obe póby pochodzą z tego samego ozkładu. Dla wszystkch analzowanych pób pzy założonym pozome stotnośc α = 0,1 zatem żadnych hpotezy [4]. Wynk analzy ANOVA dla pomaów TL w konfguacj podstawowej Konfguację podstawową ozumeć jako standadowy układ apaatuy laboatoyjnej do badań TL wyposażony tylko w okno kwacowe pzed fotopowelaczem (bez dodatkowych fltów optycznych), pzyjętą zgodne z metodyką badań temolumnescencj zolatoów pocelanowych opsywaną w [4, 5]. W tabel 1 pzedstawone zostały zbocze wynk jednoczynnkowej analzy waancj dla wybanych ekspeymentów otzymanych w badanach TL zolatoów w konfguacj podstawowej. Opsy w tabel są zgodne z oznaczenam pzyjętym w pogame MS Offce Excel. Test dotyczył gup póbek badawczych pocelany elektotechncznej pobanych kołpaka oa dzena zolatoów z lat 1960, 1999 dla masy ceamcznej C10 oaz z lat 003, 005, dla masy ceamcznej o oznaczenu C130 (w tym pzypadku każdy ok stanowł gupę). Lczność każdej z póbek to n = 41 pomaów. Watośc wyznaczonych statystyk, poównywać z watoścam tablcowym 1-α pzy założonym pozome ufnośc α = 0,05, znajdującym sę w tabel 1 w kolumne Test. Hpotezę o ównośc watośc śednch z poszczególnych populacj odzucć dla pzypadków, gdy zachodz zależność (6), czyl > Test. Tabela 1. Wynk zbocze jednoczynnkowej analzy waancj dla pomaów TL w konfguacj podstawowej [4] Watość Test Wynk Ops póbk Ops gup statystyk 1-α testu dłuższy okes dłuższy okes z z z 01. z 010. z 01. z 005. z ,03 3,86 0,11 3,86 70,98,61 78,6 3,01 135,5 3,86,36 3,86 133,71 3,86 Tylko watośc statystyk dla póbek pobanych dzena zolatoa wykonanego z masy ceamcznej C10 oaz dla póbek kołpaka dla masy ceamcznej C130 (póbk o dłuższym okese ) ne spełnają zależnośc (6), dlatego też hpoteza w tym pzypadku ne może być odzucona. W zwązku z tym wnosek jest następujący: óżnce w obsewacjach w pzypadku powyższych póbek pocelany elektotechncznej mają chaakte losowy. Wynk obsewacj dla tych pzypadków ne wykazują znaczących óżnc pzy poównanu danych uzyskanych w badanach temolumnescencj zolatoów. Natomast, watośc statystyk dla pozostałych pzepowadzonych testów spełnają zależnośc (6), dlatego też hpoteza w tych pzypadkach mus być odzucona. Wynk analzy dla omawanych pzypadków wykazują bowem znaczące óżnce podczas poównana watośc ntensywnośc temolumnescencj. [4] Wynk analzy ANOVA dla pomaów TL z fltem optycznym BG-39 W kolejnych badanach TL apaatuę laboatoyjną wyposażono dodatkowo w flt optyczny (okula BG-39 fmy Shott), któy pełnł olę sepaatoa pomenowana temcznego tła oaz pozwolł na ejestację śwatła lumnescencyjnego w zakese długośc fal nm. [6] Co węcej, część mateału badawczego została napomenona akceleatoem medycznym, pzy zachowanu tej samej dawk pomenowana jonzującego. 106 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 4/017

4 W tabel pzedstawono zbocze wynk jednoczynnkowej analzy waancj dla wybanych ekspeymentów otzymanych w badanach TL z fltem optycznym BG-39. Test dotyczył gup póbek pocelany elektotechncznej pobanej kołpaka dzena zolatoów z lat 1960, 1963, 1970, 1975, (masa ceamczna C10) oaz z lat 003, 005, dla masy pocelany elektotechncznej C130 (każdy ok w tym pzypadku stanowł gupę). Zakes analzowanych watośc ntensywnośc temolumnescencj oganczono do pzedzału tempeatu K, stąd lczność każdej z póbek to n = 166 pomaów. Analzując ezultaty uzyskane w tabel można zauważyć, że tylko watośc statystyk dla póbek kołpaka dla masy C130, dłuższy okes oaz dla póbek dzena dla masy C130, ne spełnają zależnośc (6), dlatego też hpoteza w tym pzypadku ne może być odzucona. Implkuje to wnosek, że óżnce w obsewacjach w pzypadku powyższych póbek mają chaakte losowy. Wynk obsewacj dla tych pzypadków ne wykazują znaczących óżnc pzy poównanu chaakteystyk uzyskanych w badanach temolumnescencj zolatoów pocelanowych. Natomast, watośc statystyk dla pozostałych ekspeymentów spełnają zależnośc (6), toteż hpoteza dla tych pzypadków mus zostać odzucona. Wynk obsewacj w tych pzypadkach wykazują znaczące óżnce podczas poównana chaakteystyk TL uzyskanych w pomaach z fltem optycznym [4]. W wynku pzepowadzonej analzy ANOVA możlwe jest stwedzene, ż póbk dzena masy C10 oaz kołpaka dla masy C130 (póbk o dłuższym okese, pomay w konfguacj podstawowej), a także kołpaka dla masy C130 (pomay z fltem optycznym, dłuższy okes ) oaz dla póbek dzena masy C130 (pomay z fltem optycznym, ) wykazują duże podobeństwo. Natomast, analzując wynk dla pozostałych póbek test statystyczny she a - Snedeco a wykazuje óżncę w śednch. Można doszukwać sę wyjaśnena tego mechanzmu analzując fzykalną stonę zagadnena. Potwedza to zaazem tezę o możlwośc detekcj stazena sę pocelany elektotechncznej zolatoów metodą TL. Podsumowane W wynku pzepowadzonej analzy ANOVA możlwe jest stwedzene, ż póbk dzena masy C10 oaz kołpaka dla masy C130 (póbk o dłuższym okese, pomay w konfguacj podstawowej), a także kołpaka dla masy C130 (pomay z fltem optycznym, dłuższy okes ) oaz dla póbek dzena masy C130 (pomay z fltem optycznym, ) wykazują duże podobeństwo. Uzyskany wynk dla pozostałych póbek, któych test statystyczny she a - Snedeco a wykazuje óżncę w śednch może być zwązany np.: z fzykalną stoną zagadnena mechanzmu temolumnescencj, boąc pod uwagę poces stazena sę pocelany elektotechncznej zolatoów na pzełome klkudzesęcu lat oaz zóżncowany skład chemczny obu mas ceamcznych. Z pzepowadzonych testów statystycznych wynka stotna óżnca w chaakteystykach temolumnescencyjnych dla mas ceamcznych C10 C130. Śwadczy to o możlwośc óżncowana mateału elektotechncznego użytego do podukcj zolatoów pocelanowych na podstawe badań temolumnescencj. Pzepowadzone badana są wstępnym ekspeymentam fomułowane dalszych wnosków wymaga żmudnych badań, któe są obecne ealzowane. Tabela. Wynk zbocze jednoczynnkowej analzy waancj dla pomaów TL z fltem optycznym BG-39 [4] Watość Test Wynk Ops póbk Ops gup statysty k 1-α testu, napomenona akceleatoem, napomenona akceleatoem dłuższy okes C130 C130. z z z z z póbka z z 01. z 010. z 01. z 005. z 005. z z z z z 01.. z z z ,95,61 508,37,6 759,4 3,01 34,03 3,01 48,65,61 4,9 3,87 0,33 3,87 7,03 3,01 0,008 3,87 638,57,0 61,68,11 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 4/

5 Badana lumnescencyjne wykonano w amach pojektu badawczego n NCN/01/07/B/ST8/03890 pt.: Optyczna chaakteyzacja stuktuy defektowej zolatoów ceamcznych sec enegetycznych śednch wysokch napęć uzyskanego z Naodowego Centum Nauk. Autozy: pof. nadzw. d hab. nż. Janusz Sowńsk, d nż. Rafał Sobota, Poltechnka Częstochowska, Wydzał Elektyczny, Instytut Elektoenegetyk, al. Am Kajowej 17, 4-00 Częstochowa, E-mal: jansow@el.pcz.czest.pl; sobota@el.pcz.czest.pl. LITERATURA [1] Sobota R., Sowń s k J., Wybane systemy nfomatyczne w analze ekspeymentu na pzykładze badana temolumnescencj zolatoów SN, Rynek Eneg, N 1 (104), (013), [] Bandt S., Analza danych, Państwowe Wydawnctwo Naukowe - PWN, Waszawa, (1998), [3] Reddy T.A., Appled Data Analyss and Modelng fo Enegy Engnees and Scentsts, Spnge scence + busness meda LLC, New Yok, (011) [4] Sobota R., Wykozystane zjawska temolumnescencj w badanach pocelany elektotechncznej zolatoów enegetycznych do 4 kv, ozpawa doktoska, Poltechnka Częstochowska, Wydzał Elektyczny, Częstochowa (014) [5] Sobota R., Themolumnescence phenomena of electcal pocelan, Poceedngs of the 8th Intenatonal Scentfc Symposum on Electcal Powe Engneeng - ELEKTROENERGETIKA 015, Septembe 16-18, Staá Lesná, Slovak Republc, (015), [6] Sobota R., Temolumnescencja obecne stosowanej pocelany elektotechncznej z użycem fltu optycznego, Pzegląd Elektotechnczny, n 14, Waszawa, (014), PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 4/017