防雷插座电压保护水平试验方法解析

马 壮

（上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114）

引言

防雷插座，可以将电源系统的瞬态过电压、电涌脉冲和短时雷电感应电压快速吸收，减少电器损坏的几率。目前家庭中的智能电器越来越多且价格昂贵，越来越多的消费者选择购买有保护功能的防雷插座[1]。

当电源系统中有过电压出现时，防雷插座的防雷模块可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护[2]。防雷插座限制接线端子间电压的性能参数被称为电压保护水平，电压保护水平是防雷插座的一个重要参数，它衡量了防雷插座在面对瞬态过电压、电涌脉冲或雷电感应电压时的保护能力[3]。

防雷插座近几年发展迅猛，市场规模不断扩大，产品质量的参差不齐也会影响到使用及消费者财产安全，对防雷插座性能的测试尤为重要。本文主要比较了欧标和美标对防雷插座电压保护水平测试的差异，对防雷插座电压保护水平试验进行比较深入的分析和讨论。

1 防雷插座电压保护水平检测方法介绍

防雷插座的防雷模块可以看作是一个电涌保护器。目前检测使用的国家标准是：GB/T 18802.11-2020《低压电涌保护器（SPD） 第11部分:低压电源系统的电涌保护器 性能要求和试验方法》[4-6]。该标准是修改采用国际电工委员会（IEC）标准：IEC 61643-11:2011《低压电涌保护器 第11部分：低压电力系统的电涌保护器要求和试验方法》。北美市场检测使用的标准是UL 1449-2021安全浪涌保护装置标准。IEC 61643-11和UL1449是用于测试防雷插座的电压保护水平两个常用的标准，它们在电压保护水平测试方面存在一些区别。主要体现在：

1.1 分类方面

IEC 61643-11：将电涌保护器的试验分为3类：Ⅰ类试验用于模拟部分导入雷电流的冲击。符合Ⅰ类试验方法的电涌保护器通常用在高暴露地点，例如建筑物雷电防护系统的入口。Ⅱ类或Ⅲ类试验方法试验的电涌保护器承受持续时间较短的冲击，这些电涌保护器推荐用于较少暴露的地点。防雷插座中的电涌保护模块属于Ⅱ类或Ⅲ类试验，具体属于Ⅱ类或者Ⅲ类，没有明确规定，厂商可以自己确定。电涌保护器无论是按照Ⅱ类或Ⅲ类试验要求进行设计和测试，只是考量的方式是用电压还是电流，不影响防雷效果和用户使用。

UL1449：将电涌保护器分为5类：Type1是永久连接型，安装在变压器的次级与过流设备的线路侧以及负载侧；Type2是永久连接型，安装在总过流保护设备的负载侧；Type3是用电点型电涌保护器，安装在用电点处如直插式，插座式及安装在被保护设备上；Type4是由一个或多个Type5组件组成；Type5是单一元件电涌保护器。防雷插座明确属于Type3类浪涌保护器。

1.2 波形要求

IEC 61643-11：根据厂商声称的标称放电电流In和开路电压Uoc值，使用等效冲击电流波或复合波波形进行测试。Ⅱ类试验采用标称放电电流In和8/20冲击电流波做试验；Ⅲ类试验采用复合波，开路时施加1.2/50冲击电压，短路时施加8/20冲击电流。

UL1449：该标准明确规定了电压保护水平的测试波形为6 kV/3 kA复合波。所有防雷插座都需经受这一固定波形的测试。

1.3 电流和电压范围

IEC 61643-11：该标准的Ⅱ类试验的标称放电电流In值范围为0.05 kA到20 kA，Ⅲ类试验的开路电压Uoc值范围为0.1 kV到20 kV。测试电压保护水平时，施加的放电电流和开路电压是厂商自己声称的数值。

UL1449：该标准规定的测试波形为标准波形，即开路电压为6 kV，短路电流为3 kA的复合波。

1.4 评估标准

IEC 61643-11：根据厂商声称的电流和电压数值，对样品施加标准中规定的等效波形，确定电压保护水平Up，对防雷插座的保护水平进行评估。

UL1449：根据6 kV/3 kA复合波浪涌测试结果，确定样品的电压保护等级（VPR），将防雷插座分为不同的等级进行评估。

为了清晰起见，我们将IEC 61643-11和UL 1449中电压保护水平试验的主要技术要求列于表1。

表1 电压保护水平试验的技术要求对比

2 防雷插座电压保护水平试验

试验所用的测试设备主要有： 冲击电流发生器ENG3040A和力科数字示波器WS62XS。

试验样品为市场上购买的主流型号的防雷插座产品，共13个批次。

2.1 电压保护水平项目分析

防雷插座防雷模块中的压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的限压型保护器件，当电源供电系统出现瞬态过电压、电涌脉冲或短时雷电感应电压时，利用压敏电阻的非线性特性，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。

以1号样品为例，分别用IEC 61643-11规定的冲击电流波和UL 1449规定的6 kV/3 kA复合波对样品进行电压保护水平测试。

图1为基于IEC 61643-11标准施加In=3 kA的冲击电流波下的电流和电压波形图，由图1可以看出，当施加In=3 kA的冲击电流时，防雷模块将电压钳位在969 V以下。

图1 样品在In=3 kA下的电流和电压波形

图2为基于UL 1449施加6 kV/3 kA复合波下的电流和电压波形图，由图2可以看出，当施加6 kV/3 kA复合波时，防雷模块将电压钳位在992 V以下。

图2 样品在6 kV/3 kA复合波下的电流和电压波形

2.2 电压保护水平测试结果分析

基于IEC 61643-11标准及UL 1449标准防雷插座电压水平测试结果如表2所示。按IEC 61643-11方法进行测试，不合格率为38.5 %；按UL1449方法进行测试，不合格率为38.5 %。虽然两种方法不合格率相同，但是具体不合格样品不一样。9号和12号样品，因为标称的参数等级比较低，IEC 61643-11按标称参数进行测试合格；UL1449按规定测试波型6 kV/3 kA进行测试，等于用了超出标称参数等级的波形进行测试，导致结果不合格。10号和11号样品，标称的参数等级比较高，IEC 61643-11按标称参数进行测试不合格，UL 1449按规定测试波型6 kV/3 kA进行测试结果合格。

表2 防雷插座电压保护水平测试结果

2.3 防雷插座电压保护水平的选择

防雷插座电压保护水平的选择要根据需保护设备的耐冲击电压来确定，GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》表6.4.4规定了不同设备的耐冲击电压值如表3所示，其中防雷插座需要保护的是Ⅰ类—含有电子电路的设备，如计算机、有电子程序控制的设备[7]。一般情况下精密设备的耐冲击电压较小，从表3中的各类设备耐冲击电压值可看出，Up值低的电涌保护器，其对设备的保护能力也越强，更适用于耐冲击电压水平较低的精密设备。我们在选择电涌保护器时，应该严格按照被保护设备的耐压水平来选择浪涌保护器，这样才能做到既适用又经济。

表3 配电系统中设备绝缘耐冲击电压额定值

3 结论

电压保护水平是影响防雷插座性能的关键项目。IEC 61643-11和UL1449给出了不同的测试方法。IEC 61643-11是电力系统SPD的测试标准，此标准的SPD相关建议参数范围很广，Ⅱ类试验的标称放电电流In值为0.05 kA到20 kA，Ⅲ类试验的开路电压Uoc值为：0.1 kV至20 kV。UL 1449标准明文规定电压保护水平的测试波型为6 kV/3 kA，因此，防雷插座的电压保护等级至少有6 kV。总体而言，IEC 61643-11和UL 1449在电压水平测试方面的区别主要体现在波形要求和评估标准上。IEC 61643-11使用等效波形进行测试，而UL 1449则使用固定的6 kV/3 kA复合波进行测试。在选择测试方法时，应根据具体需求和标准要求进行选择，以确保防雷插座的性能和质量。