防雷插座電壓保護水平試驗方法解析

馬 壯

（上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 201114）

引言

防雷插座，可以將電源系統的瞬態過電壓、電涌脈沖和短時雷電感應電壓快速吸收，減少電器損壞的幾率。目前家庭中的智能電器越來越多且價格昂貴，越來越多的消費者選擇購買有保護功能的防雷插座[1]。

當電源系統中有過電壓出現時，防雷插座的防雷模塊可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現對后級電路的保護[2]。防雷插座限制接線端子間電壓的性能參數被稱為電壓保護水平，電壓保護水平是防雷插座的一個重要參數，它衡量了防雷插座在面對瞬態過電壓、電涌脈沖或雷電感應電壓時的保護能力[3]。

防雷插座近幾年發展迅猛，市場規模不斷擴大，產品質量的參差不齊也會影響到使用及消費者財產安全，對防雷插座性能的測試尤為重要。本文主要比較了歐標和美標對防雷插座電壓保護水平測試的差異，對防雷插座電壓保護水平試驗進行比較深入的分析和討論。

1 防雷插座電壓保護水平檢測方法介紹

防雷插座的防雷模塊可以看作是一個電涌保護器。目前檢測使用的國家標準是：GB/T 18802.11-2020《低壓電涌保護器（SPD） 第11部分:低壓電源系統的電涌保護器 性能要求和試驗方法》[4-6]。該標準是修改采用國際電工委員會（IEC）標準：IEC 61643-11:2011《低壓電涌保護器 第11部分：低壓電力系統的電涌保護器要求和試驗方法》。北美市場檢測使用的標準是UL 1449-2021安全浪涌保護裝置標準。IEC 61643-11和UL1449是用于測試防雷插座的電壓保護水平兩個常用的標準，它們在電壓保護水平測試方面存在一些區別。主要體現在：

1.1 分類方面

IEC 61643-11：將電涌保護器的試驗分為3類：Ⅰ類試驗用于模擬部分導入雷電流的沖擊。符合Ⅰ類試驗方法的電涌保護器通常用在高暴露地點，例如建筑物雷電防護系統的入口。Ⅱ類或Ⅲ類試驗方法試驗的電涌保護器承受持續時間較短的沖擊，這些電涌保護器推薦用于較少暴露的地點。防雷插座中的電涌保護模塊屬于Ⅱ類或Ⅲ類試驗，具體屬于Ⅱ類或者Ⅲ類，沒有明確規定，廠商可以自己確定。電涌保護器無論是按照Ⅱ類或Ⅲ類試驗要求進行設計和測試，只是考量的方式是用電壓還是電流，不影響防雷效果和用戶使用。

UL1449：將電涌保護器分為5類：Type1是永久連接型，安裝在變壓器的次級與過流設備的線路側以及負載側；Type2是永久連接型，安裝在總過流保護設備的負載側；Type3是用電點型電涌保護器，安裝在用電點處如直插式，插座式及安裝在被保護設備上；Type4是由一個或多個Type5組件組成；Type5是單一元件電涌保護器。防雷插座明確屬于Type3類浪涌保護器。

1.2 波形要求

IEC 61643-11：根據廠商聲稱的標稱放電電流In和開路電壓Uoc值，使用等效沖擊電流波或復合波波形進行測試。Ⅱ類試驗采用標稱放電電流In和8/20沖擊電流波做試驗；Ⅲ類試驗采用復合波，開路時施加1.2/50沖擊電壓，短路時施加8/20沖擊電流。

UL1449：該標準明確規定了電壓保護水平的測試波形為6 kV/3 kA復合波。所有防雷插座都需經受這一固定波形的測試。

1.3 電流和電壓范圍

IEC 61643-11：該標準的Ⅱ類試驗的標稱放電電流In值范圍為0.05 kA到20 kA，Ⅲ類試驗的開路電壓Uoc值范圍為0.1 kV到20 kV。測試電壓保護水平時，施加的放電電流和開路電壓是廠商自己聲稱的數值。

UL1449：該標準規定的測試波形為標準波形，即開路電壓為6 kV，短路電流為3 kA的復合波。

1.4 評估標準

IEC 61643-11：根據廠商聲稱的電流和電壓數值，對樣品施加標準中規定的等效波形，確定電壓保護水平Up，對防雷插座的保護水平進行評估。

UL1449：根據6 kV/3 kA復合波浪涌測試結果，確定樣品的電壓保護等級（VPR），將防雷插座分為不同的等級進行評估。

為了清晰起見，我們將IEC 61643-11和UL 1449中電壓保護水平試驗的主要技術要求列于表1。

表1 電壓保護水平試驗的技術要求對比

2 防雷插座電壓保護水平試驗

試驗所用的測試設備主要有： 沖擊電流發生器ENG3040A和力科數字示波器WS62XS。

試驗樣品為市場上購買的主流型號的防雷插座產品，共13個批次。

2.1 電壓保護水平項目分析

防雷插座防雷模塊中的壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的限壓型保護器件，當電源供電系統出現瞬態過電壓、電涌脈沖或短時雷電感應電壓時，利用壓敏電阻的非線性特性，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現對后級電路的保護。

以1號樣品為例，分別用IEC 61643-11規定的沖擊電流波和UL 1449規定的6 kV/3 kA復合波對樣品進行電壓保護水平測試。

圖1為基于IEC 61643-11標準施加In=3 kA的沖擊電流波下的電流和電壓波形圖，由圖1可以看出，當施加In=3 kA的沖擊電流時，防雷模塊將電壓鉗位在969 V以下。

圖1 樣品在In=3 kA下的電流和電壓波形

圖2為基于UL 1449施加6 kV/3 kA復合波下的電流和電壓波形圖，由圖2可以看出，當施加6 kV/3 kA復合波時，防雷模塊將電壓鉗位在992 V以下。

圖2 樣品在6 kV/3 kA復合波下的電流和電壓波形

2.2 電壓保護水平測試結果分析

基于IEC 61643-11標準及UL 1449標準防雷插座電壓水平測試結果如表2所示。按IEC 61643-11方法進行測試，不合格率為38.5 %；按UL1449方法進行測試，不合格率為38.5 %。雖然兩種方法不合格率相同，但是具體不合格樣品不一樣。9號和12號樣品，因為標稱的參數等級比較低，IEC 61643-11按標稱參數進行測試合格；UL1449按規定測試波型6 kV/3 kA進行測試，等于用了超出標稱參數等級的波形進行測試，導致結果不合格。10號和11號樣品，標稱的參數等級比較高，IEC 61643-11按標稱參數進行測試不合格，UL 1449按規定測試波型6 kV/3 kA進行測試結果合格。

表2 防雷插座電壓保護水平測試結果

2.3 防雷插座電壓保護水平的選擇

防雷插座電壓保護水平的選擇要根據需保護設備的耐沖擊電壓來確定，GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》表6.4.4規定了不同設備的耐沖擊電壓值如表3所示，其中防雷插座需要保護的是Ⅰ類—含有電子電路的設備，如計算機、有電子程序控制的設備[7]。一般情況下精密設備的耐沖擊電壓較小，從表3中的各類設備耐沖擊電壓值可看出，Up值低的電涌保護器，其對設備的保護能力也越強，更適用于耐沖擊電壓水平較低的精密設備。我們在選擇電涌保護器時，應該嚴格按照被保護設備的耐壓水平來選擇浪涌保護器，這樣才能做到既適用又經濟。

表3 配電系統中設備絕緣耐沖擊電壓額定值

3 結論

電壓保護水平是影響防雷插座性能的關鍵項目。IEC 61643-11和UL1449給出了不同的測試方法。IEC 61643-11是電力系統SPD的測試標準，此標準的SPD相關建議參數范圍很廣，Ⅱ類試驗的標稱放電電流In值為0.05 kA到20 kA，Ⅲ類試驗的開路電壓Uoc值為：0.1 kV至20 kV。UL 1449標準明文規定電壓保護水平的測試波型為6 kV/3 kA，因此，防雷插座的電壓保護等級至少有6 kV。總體而言，IEC 61643-11和UL 1449在電壓水平測試方面的區別主要體現在波形要求和評估標準上。IEC 61643-11使用等效波形進行測試，而UL 1449則使用固定的6 kV/3 kA復合波進行測試。在選擇測試方法時，應根據具體需求和標準要求進行選擇，以確保防雷插座的性能和質量。