摘 要：本文论述了10/350电流/SPD的Ⅰ级试验电流在电涌保护器（SPD）和压敏电阻器（MOV）的研究和生产中的实用意义，对比了发生Ⅰ级试验电流的三种电路——Crowbar电路、过阻尼C-RL放电电路和电感泄能电路，说明了对于MOV这类钳位特性器件的试验而言，电感泄能电路是最适用的电路技术。并讨论了试验电流的实际波形和具体的试验方法。

关键词：SPD Ⅰ级试验 电路

1.10/350电流和SPD的Ⅰ级试验电流

1995发布的技术标准IEC1312-1（附录B）（现为IEC62305-1：2006）提出用10/350电流波来模拟首次雷电闪击。SPD技术标准IEC61643-1：1998（3.9条款）提出以冲击电流Iimp用于Ⅰ级试验SPD的分类试验。论述SPD选用的文件IEC61643-12：2002（5.5.2条款）指出：“Ⅰ级试验旨在模拟传导部分雷电流脉冲的情况”。对于Ⅰ级试验电流Iimp， IEC61643-1：2005（第二版）的7.1.1条款是这样定义的：“冲击试验电流Iimp由其峰值I_peak，电荷量Q和比能量 W/R等参数来确定。冲击试验电流的峰值I_peak应在50μs内达到，在10ms内传输电荷量 Q，比能量 W/R 应在10ms内释放。”

Q（C）、W/R（kJ/Ω）和I_peak（kA）的关系如下：

Q=I_peak×a 其中a=5×10^-4 s （1）

W/R=I_peak²×b 其中b=2.5×10^-4 s （2）

虽然IEC61643-1关于Ⅰ级试验冲击电流Iimp的定义中并没有指明是10/350电流，但是它的Q，W/R和I_peak（kA）三者的数学关系正是10/350电流波的关系，证明如下：

IEC1312-1：1995和它的新版IEC61643-12：2002给出的10/350电流的波形方程为

（3）

式中I为电流峰值。该式是三个因子的乘积，若令第二个因子为函数f(t)，计算出f(t)与时间t的数值关系如表1。

表1 : f(t)与时间t的数值关系

t(μs)

10

12

15.3

19

23.8

27

30

f(t)

0.0016

0.01

0.1

0.5

0.9

0.97

0.99

决定了波前，大体在27μs以后它趋近于1，在这以后电流波是个指数下降波。从电荷量和能量计算的角度出发，电流波可以近似用下式来表示：

（4）

式中τ为时间常数。电荷量Q和比能W/R依据它们的定义可分别表示为；

Q= (5)

（6）

对于10/350波，当时间t=350μS时的电流值i(350)=0.5I_peak，将这一关系代入式（4）可解得：

（7）

将式（7）代入式（5）和式（6）就得到了式（1）和式（2）的关系。这就是说，IEC61643-1的Ⅰ级试验冲击电流Iimp与 10/350电流波的主要数量关系是相同的，但有两点区别：

一是电流峰点时间,前者为50μs，后者10μs；二是传输电荷量Q和能量的时间,前者要求在10ms内发生，后者的实际时间约为1ms。实际上，除非用两个叠加的冲击电流，否则既要满足Iimp的Q、W/R和I_peak三者的数量关系，又要满足Iimp的10ms时间要求是不可能的。目前无论是国内或国外，都用波形大体为10/350的单极性电流作为Ⅰ级试验冲击电流Iimp，不过峰点时间允许增大到50μS。

2.关于10/350电流波的争论

IEC文件将10/350电流波引入防雷技术后，我国和国际防雷界发生了一些争论，部分科技工作者认为没有必要在防雷保护产品中引入10/350电流波，理由主要有两条：

（1）以往ZnO避雷器都用8/20标准雷电流来标定和测试，全球几十年的实践证明，它们的工作是安全可靠的；

（2）IEC1312-1提出的以10/350电流波为典型波形的这种高峰值长持续时间雷电流，它的出现概率极小极小。但提出者认为，用它来模拟雷电首次闪击是合适的。

3.10/350电流波/Ⅰ级试验电流对SPD器件试验的意义

本文并不针对上述争论展开讨论，只是想说明宽脉冲电流测试对于SPD和SPD用元件来说，是与8/20电流波一样必不可少的。宽脉冲电流可以用10/350电流或Ⅰ级试验电流，也可以是2ms方波电流或其他类似的长持续时间电流，然而我们认为Ⅰ级试验电流更可取。在SPD和SPD用元件的研究和生产中，应同时使用8/20和Ⅰ级试验电流的理由如下：

（1）冲击电流对于SPD的劣化和破坏作用主要与三个要素有关：①电流峰值：高峰值的窄脉冲体现绝热破坏（大的应力梯度）和电动力作用； ②能量：高能量低峰值的宽脉冲体现热破坏；③电流升速（di/dt）：大的（di/dt）将使MOV的残压升高，侧面易发生跳火。8/20电流体现高峰值和较大的（di/dt）的作用，但包含的能量较小。电力避雷器是用8/20电流来标定的，但18次2ms方波试验也是必须进行的试验项目，并且在生产流程中，每一只避雷器阀片都必须通过2ms方波筛选工序。可以肯定，仅仅满足8/20电流的考核指标，而没有2ms方波试验的保证，避雷器是不能安全可靠地运行的。也就是说，在避雷器中，是8/20（窄脉冲）和2ms方波（宽脉冲）这两种基本试验电流保证了它的质量。而现行的SPD和MOV技术标准中，还没有规定类似于2ms方波这样的宽脉冲试验。

（2）从作用机理来看，8/20电流与宽脉冲电流也不完全一样。对于MOV来说，在脉冲持续时间小于100μS的窄脉冲作用期间，晶粒间来不及发生热传导，是个绝热过程；而对持续时间mS级的宽脉冲而言，脉冲作用期间晶粒间的热传导就不能忽视了。所以8/20电流试验不能完全替代宽脉冲电流试验。

（3）与电力避雷器相比，SPD的一个重要特点是导通频度要高得多，因为无论是输电线路还是通信线路，电压值高于Vx的过电压的出现频度P（Vx）可表示为：

P（Vx）= C (8)

式中C为常数，指数α随着现场条件的不同在（1-4）之间^[1]。这就是说，随着Vx的降低，它的出现频度迅速上升，因此低电压的SPD的导通频度比高工作电压的避雷器要高得多，这就要求SPD具有大的安-秒资源。我们认为，我国现场安装的SPD的雷击损坏率比较高的一个重要原因^[2]，不是它的最大放电电流能力不够，而是它的安-秒资源不够，因此就目前SPD的状况而言，考核和提高安-秒资源有更重要的意义。因此，宽脉冲电流测试是必不可少的。

（4）就SPD的宽脉冲电流测试而言，用2ms方波电流也是可以的，但用Ⅰ级试验电流更好，主要是因为Ⅰ级试验电流与8/20电流的发生电路雷同，因此这两种电流的冲击发生器可以合成一台，通过简单的转接就可得到两种不同的电流，从而极大地节省设备投资，因为这类设备本身的价格都很昂贵。其次我们在实践中发现，在多次重复冲击电流试验中，用2ms方波电流时产品表现为“突然失效”（在多次冲击中在损坏前压敏电压基本不变），而用Ⅰ级试验电流时则与8/20电流相仿为“逐步失效”过程（在多次冲击中在损坏前压敏电压逐步下降），因而Ⅰ级试验电流更适合于生产中的可靠性筛选试验。

4.发生Ⅰ级试验电流的三种电路

现有的用于Ⅰ级试验的冲击电流发生器有Crowbar电路、过阻尼C-RL放电电路和电感泄能电路等三种，下面分别对它们进行讨论。

4.1 Crowbar电路

北京和上海防雷产品测试中心都配置了一台从瑞士Haefely公司购买的10/350 电流波冲击发生器，这种发生器的电路一般称为“Crowbar电路”。图1表示了它的工作原理和波形。

Crowbar电路的工作过程是这样的：首先给储能电容C 充上电，发生器处在等待状态。在to时刻使球隙G1点火导通，电容C通过电感L1，L2和试样DUT放电。这个

电流从0开始上升，电容C的电场能量转变为电感的磁场能量。L2是主电感，L1用来校正波形，它远小于L2。当电容C放电时，L2两端电压为A（ ）、B（-）。在t1时刻，电容C的电荷全部放完，C上的电压降到0，而回路电流达到最大值 .此后电感产生反电势，L2上的电压变为A（-）、B（ ），这个电压推动电流继续流动，电感的磁场能量开始泄放。就在这一时刻，使球隙G2点火导通，G2将电容C短路（故名Crowbar），这样L2-DUT构成一个简单的“电感-电阻”泄放电路，这个泄能过程取决于时间常数（L2/R）(这个R是指电感泄能回路的全部电阻，它主要是试样电阻，此外还有电感线圈电阻、Crowbar间隙的等效电阻和回路的连接导线电阻等)，当电感中储存的能量被电阻R全部消耗完后，电流降为零，过程结束。

从上面的说明可以看出，这个电路的工作可以分为两个阶段：t₀-t₁的波前时间和t₁以后的波尾时间。

（1）波前时间。这个时间内发生的物理过程是电流从0上升到峰点Ip，电容器上的电压从充电电压 下降到0，电容器储存的电场能量绝大部分转变为电感的磁场能量，一小部分被回路电阻消耗掉。这一阶段要保证两个试验参数符合要求：一是电流峰值Ip，二是波前时间t₁。对于10/350电流t₁=10μS，对于Ⅰ级试验电流t₁≤50μS。

这两个参数可用下面的公式计算出来：

Ip= （9）

t1= （10）

上面两个式子中，ρ是回路的特性阻抗，ρ=。α是回路衰减常数，α=0.5R。在这里通常把 设计为α<1。当α远小于1时，（9）、（10）两式可近似表示为：

（11）

（2）波尾时间。这个时间内发生的物理过程是电感中储存的能量向回路电阻R泄放，电流从峰值Ip降到零。电流的变化规律取决于电感L和电阻R，它可表示为：

（12）

式中的时间t是从Crowbar间隙导通时刻（图1中的t1）开始计算的。

从上面对Crowbar电路的工作原理分析可以看出，这种电路的参数设计主要包括以下三步：

①确定试样的等效电阻值和估算电感泄放电路的总电阻R，然后依据（L/R=500μs）计算出电感L。

②依据）计算出电容C，然后计算出特性阻抗ρ=。

③依据要求的电流峰值，利用公式计算出充电电压。

例如，若试样是一只MOV，且它在电流波作用期间相当于一只0.3Ω的线性电阻，假定回路其他部分的电阻为0.05Ω,即回路总电阻为0.35Ω，要求电流峰值为20kA，则通过上述三步可计算出电容量C≈6μF，充电电压Uo=108kV。这样高的电压，设备费用和运行维护费用高昂，安全性也是个问题。

我国从Haefely公司购买的100kA-10/350发生器所配置的电感有： 6、12、18、24、28μH,它们分别适用于12、24、36、48、56mΩ的回路总电阻。该公司自己也承认当负载电阻大于10mΩ时就不能保证波形正确了^[3]，而SPD用MOV的等效电阻值大多在0.05-0.5Ω之间,因此这种发生器基本上不能用于试验MOV。

4.2过阻尼C-RL放电电路

将Crowbar 电路的间隙G2去掉就是普通的充电电容对L-R放电的电路，当它工作在回路衰减常数 =0.5R>1的过阻尼状态时，也能得到10/350电流。采用过阻尼C-RL放电电路的10/350冲击电流发生器有以下基本关系：

L=1750/C， R=525/C， Ip=1.9

式中，L-μH， C-μF， Ip-A， 充电电压Uo-kV.

这里列举已经投入实际运行的一种发生器，它所使用的电容器的电容量C=720μF，最高充电电压16kV。据此，可推算出它的回路电感量L≈2.4μH，包括试样在内的回路电阻R≈0.73Ω，输出Ip=20kA时的充电电压 Uo=Ip/1.9C=14.6kV。

从上面的例子可以看出，由于过阻尼C-RL放电电路允许使用大电容量，因此充电电压可以相当低，这是它的优点，但存在有两大问题：第一，能量利用率低，在上面这个典型设计中R≈0.73Ω，若试样电阻与Crowbar电路中讨论的例子一样，也是0.3Ω，回路不可避免的接线电阻等也是0.05Ω的话，那么，在这个回路中还要再加入0.73-0.35=0.38Ω电阻，这个电阻将白白地消耗掉0.38/0.73=52%的电容器储能。在小型低能量设备中，能量利用率是不重要的，但是对于这里所讨论的大型高能试验设备而言，能量利用率是个不能忽视的指标。当然我们可以采用更大的电容量来减小要求串联到回路中去的电容量，但太大的电容量又会带来其他诸多问题，例如防止并联电容器的爆炸问题等。第二，这个电路不适用于MOV这类非线性电阻器的试验，因为在放电过程的尾部，MOV的等效电阻很快增大，电容器放电速度很快减小，波尾可以拉得很长，直到放电电流下降到球隙的维持电流（小于1A）才截止。所以，实际上这个放电电流的持续时间可以长达秒级，但从电流的示波图上是发现不了这个问题的，原因很简单，对于kA级的峰值电流波来说，安培级的尾部电流在示波图上是看不出来的。如果同时观看试样上限制电压的波形问题就清楚了，它持续时间可以长达秒级。这就是说，有过多的电荷量流过试样，结果，造成试样异常损坏。

4.3 电感泄能电路

电感泄能电路冲击电流发生器的原理框图及其工作波形见图2。它是常州市创捷电子和常州市毕升电子有限公司的研究成果，是对Crowbar电路的改进（已申办专利）。

i_L

该电路的工作过程是这样的：首先由直流充电电源给储能电容C充电到电压Uo,（假定极性为上正下负），Uo的数值是依据被试物DUT的阻抗和所要求的电流峰值来确定的。

在t1时刻接通开关K，电容C向波形电感L放电，由于电流控制器件KI的阻隔作用，C的放电电流不能进入DUT（这是与Crowbar电路不同的），在此过程中电流iL从0开始上升，电压uL（极性为上正下负）从Uo开始下降。在t1时刻，电容C上储存的电荷全部放完，Uc=UL=0，ic=iL=Ip,即电流达到最大值。

在t1时刻电感L产生反电势，UL反向（极性为上负下正），电感给电容器反充电，此时电流控制器件KI对电感L的泄放电流是短路的，由于DUT和KI的阻抗远小于电容C的阻抗，因而电感的泄能电流iL大体上就是iDUT，而电压uL则由被试物DUT的阻抗特性所决定，这一过程一直进行到电感L的泄放电流iL小于KI的维持电流时才终止。图2中的工作波形图表示的是DUT为钳位特性元件的情况。

从上面的关于工作过程的说明可以看出，电感泄能电路与Crowbar电路的主要区别是储能电容器C的放电电流不进入试样，因而，试样电流的波前时间不受电容量C的制约。在Crowbar电路的设计中，试样电阻和时间常数τ=L/R≈500μS限定了电感L，波前时间（1）限定了电容量C，电感L、电容量C、电流峰值Ip又限定了充电电压uL，一环扣一环，设计者没有参数选择的余地。而在电感泄能电路的设计中，由于波前时间不受（1）的制约，设计者可以选用比Crowbar电路大但比过阻尼C-RL放电电路小的适中的电容量，因而充电电压Uo也可以是比Crowbar电路低但比过阻尼C-RL放电电路高的适中数值。

一个实际结果是:试样为压敏电压430V的压敏电阻器，L约260μH，C=40μF，充电电压约18kV，电流波前时间t1=22μS，波尾基本上是直线下降的，从峰值Ip=7kA下降到零的时间1ms,因此电荷量Q=3.5As，符合I级试验电流的要求。由此可推算出C=80μF，充电电压约35kV，对于常用压敏电阻器，将可实现Ip=20kA,Q=10As。可见，这个电容量和充电电压都在适中的范围内。

采用电感泄能电路，只要在现有的8/20大电流冲击发生器上配备几个电感线圈，一台电流控制器件KI和气缸控制的转接电路，就很容易使它成为8/20电流试验和Ⅰ级试验的双功能试验机，从而极大地节省设备投资。

5.实际的试验电流波形和试验方法

采用Crowbar电路和电感泄能电路来发生Ⅰ级试验电流的一个共同点，都是先向电感线圈L灌入电流 ，然后由电感线圈L向试样放电，试样电流的波形方程如式（12）所示。从这个式子可以看出当回路电阻R（主要是试样电阻）是个线性电阻，即它在电流波的作用期间，电阻值R保持不变的话，电流波是个简单的指数下降波，它的半峰值时间为350μS。但在SPD中主要是非线性电阻，它们的电阻值在电流波的作用期间是变化的。

图3所示的是波峰时间25μS，半峰值时间约350μS，峰值3.8kA的电流加在MO(34S621)上时，MOV电阻值r的变化情况。从r曲线可以看出，随着电流的减小电阻值 r 迅速上升。r 的上升将加快电感L的能量泄放过程，使电流波尾时间缩短。图3中的i1是试样为线性电阻时的波形，是指数下降波；i2是试样为压敏电阻时的波形，电流差不多是直线下降的。因此为实现Q=0.5IpAs(Ip以kA计），就要调整电感L，使电流大约在1000μS时截止，这样半峰值时间就不是350μS，而是大约为500μS了。所以IEC61643-1不要求“10/350”波形，而要求“Ⅰ级试验电流”。但该标准要求“比能量 W/R 应在10ms内释放”对于非线性电阻试样是无法执行的，因为：第一，讲到“比能量”，首先要确定试样电阻R是多少，而象图3这样的试样，如何确定它的电阻值？第二，当Ⅰ级试验电流的峰值Ip和电荷量Q达到规定值后，试样所吸收的能量便由它的阻抗特性所决定，也就是说，这个能量不是一个独立的可控的试验参数。

所以对于SPD及其元件的Ⅰ级试验，实际上只要满足电流峰值Ip，电荷量Q=0.5Ip，这两个条件就可以了，至于电流的实际波形和试样所吸收的能量，是由试样的阻抗特性所决定的，电流波的半峰值时间可能与350μ相差甚远。对于冲击电流发生器来说，通过选配电感量L和调整电容器的充电电压，是不难满足Ip和Q这两项要求的。为了试验的方便，冲击电流发生器上可配置直接显示电流峰值Ip，电荷量Q和能量W的指示仪表。

6.结论

SPD在其服役过程中的导通频度远高于电力避雷器，因此安秒资源对SPD及其他低压电路的过电压保护元器件有重要意义。8/20这样的窄脉冲电流不能完全代替宽脉冲电流，因此象Ⅰ级试验电流这样的宽脉冲电流，对于SPD及其元器件的研究以及生产中的质量保证是必要的。

发生Ⅰ级试验电流的电路有三种，Crowbar电路的工作电压太高；过阻尼C-RL放电电路不能用于压敏电阻这类钳位特性元件的试验，且电容量太大；电感泄能电路克服了它们的缺点，是一种实用的电路技术。

在Ⅰ级试验电流下，试样的电流/电压波形及其吸收的能量是由试样内在的阻抗特性决定的。对于MOV来说，电流波是个上升时间不大于50μS，峰值为Ip，半峰值时间约500μS，总时间约1000μS的下降三角波。

参考文献

1 IEEEC62.42-1991,IEEE Recommended Practice on Surge Voltage in Low-Voltage AC Power Circuits, P26

2 刘吉克.根据雷击因素正确选择SPD的通流容量，防雷世界， 2004.1 P78-83

3 蔡振新.目前电涌保护器（SPD）Ⅰ级分类试验方法探讨，防雷世界，2003.12，P55-58