雷击浪涌试验波形概述及主要标准的具体要求

雷电是自然界中破坏力的现象之一，对电子设备的破坏力极强，其作用原理主要有：

· 直接雷击于外部（户外）电路，注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生电压；

· 雷电击于附近物体的间接雷击在建筑物内、外导体上产生感应电压和电流；

· 附近直接对地放电的雷电入地电流，耦合到电气装置接地系统的公共接地路径时产生感应电压。

以下介绍不同的标准对于雷电波形的规定。

一、冲击全波电压时间参数

GB/T 16927.1-2011《高电压试验技术 第1部分：一般定义及试验要求》标准中描述了主要用于电力设备雷电冲击电压绝缘测试的雷电冲击全波电压时间参数定义，见图1。

图1  冲击全波电压时间参数

—U，试验电压值，从与施加冲击一致的基准水平上测得的试验电压曲线的最大值。

—T1，波前时间，视在参数，定义为试验电压曲线峰值的30%和90%之间时间间隔T的1/0.6倍。

—T2，半峰值时间，视在参数，定义为从视在原点O1到试验曲线下降到试验电压值一半时刻之间的时间间隔。

—平均上升率：由记录曲线极限值的30%和90%之间的全部数据点计算得到最佳拟合直线的斜率，通常用kV/μs表示。

雷电波形可通过双指数波实现近似模拟，公式如下：

——A，决定峰值大小；

——α，控制波形下降沿，决定持续时间；

——β，控制波形上升沿，决定达到峰值的速度。

二、10μs/350μs电流波

直击雷常用峰值电流(kA)、电荷量(As)、比能量(kJ/Ω，在数值上等于电流平方在时间上的积分)来表征，用于风电叶片，建筑物入口处的一级电涌保护器（SPD）等产品的考核。10/350μs电流波目前是国际上大多数国家认可的，用来模拟雷电直接击中建筑物、输电塔或线路的“首次回击”电流波形，其峰值幅度可达几百kA。

主要采用该波形的标准有GB 18802系列标准，该系列标准对低压电涌保护器（SPD）的规范、选择和使用导则、性能要求和试验方法进行了规定，适用于包含限制电压或泄放电涌电流非线性元件的SPD。直接雷属于I类试验，试验等级最高为25kA。

GB/T 33629-2024《风能发电系统 雷电防护》标准规定了大电流物理损坏试验用于测定雷击对叶片或机舱表面的影响，也采用10/350μs电流波作为主要考核波形之一，电流等级可达到200kA。

三、4μs/10μs电流波

架空输电线路非常容易受到雷电作用的危害，GB 11032-2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》规定了用于输电线路保护避雷器雷电冲击放电能力试验的要求，其试验等级在10kA-100kA范围内，但却采用了4/10μs大电流冲击波作为考核能量影响的波形。而且在强雷电负载避雷器冲击动作负载和热稳定试验中还采用了一种30/80μs的波形，试验等级为40kA。

四、8μs/20μs电流波

8/20μs电流波常用于模拟雷击附近地面或建筑时，在电源或信号线上感应出的过电流，是评估设备抵抗感应雷击和开关操作瞬态电流能力的标准波形，应用非常广泛。例如GB 18802系列标准对SPD产品的II类试验即采用该波形进行验证，试验等级为：0.05kA-20kA。

五、1.2μs/50μs电压波

当8/20μs电流波流过阻抗比较大的物体或路径时，电流波所带来的危害程度往往不如在物体或路径两端产生的电压危害大，因此很多标准中也采用1.2/50μs电压波进行雷电冲击的表征。例如GB 18802系列标准规定SPD产品的II类试验电压等级为：0.1kV-20kV。

六、1.2μs/50μs-8μs/20μs组合波

该组合波在GB 18802系列标准中，用于开展SPD产品的III类试验验证，同时该组合波也是电磁兼容基础抗扰度标准GB/T 17626.5-2019所采用的波形，用于对开关和雷电瞬变过电压引起的单极性浪涌（冲击）抗扰度。产生该波形的发生器内阻为2Ω，其开路电压波形和短路电流波形如图2所示。

a) 开路电压

b）短路电流

图2  1.2/50μs-8/20μs组合波发生器开路电压和短路电流波形

GB/T 17626.5-2019标准对电源端口、非屏蔽对称信号端口、非屏蔽不对称信号端口以及屏蔽信号线端口的差模试验、共模试验的配置，耦合去耦网络的要求等进行了非常详细的规定。

其他标准在采用该波形时，有时会规定不同于基础标准的耦合网络参数，例如EN 50121轨道交通系列标准针对电源端口会采用40Ω源阻抗+0.5μF电容的注入方式，大家在使用时应注意区分。

七、10μs/700μs组合波

对与户外电信网络相连接的对称通信线，并不适合1.2/50μs-8/20μs波形。因为户外通信网络的电缆长度通常超过300m并可能达到数千米，根据这些网络的特性，10/700μs-5/320μs的波形更能代表户外实际遇到的浪涌情况。GB/T 17626.5-2019标准附录中给出了发生器的电路原理图，其源阻抗采用15Ω（内部）+25Ω（外部）的组合方式。

八、10μs/1000μs组合波

同样是连接电信中心至用户端的室外通信线路，GB/T 3482-2008《电子设备雷击试验方法》、GR-1089-CORE:2017《电信网络设备通用准则-电磁兼容和电气安全》两份标准却采用了10/1000μs电流波进行考核，源内阻为10Ω，试验等级为2kV/200A。

九、10μs/200μs冲击波

在某些特殊行业，会由于线路连接方式、应用场景、以及某些端口的特殊性，而采用其他雷击浪涌波形进行考核。例如TB/T 3498-2018《铁路通信信号设备雷击试验方法》就规定了与钢轨连接的信号设备通信端口的传导雷模拟雷击试验采用10/200μs的冲击电压波形，耦合方式包括：直接耦合、电容耦合、气体放电管耦合等，基本要求为1kV，加强要求为10kV。

同时该标准还规定了用于铁路通信信号系统的交直流电源设备的输入、输出端口应进行8/20μs电流波冲击试验，具体端口和等级归纳如下：

1）输入端口：

——与一级防雷设备馈线并联，20kA；

——与二级防雷设备馈线并联，10kA；

——与三级防雷设备馈线并联，1kA。

2）输出端口

——与有防雷设备的机房输出馈线并联，5kA。

十、ITU和telcordia标准

其他非常有影响力的标准还包括国际电信联盟的ITU-T K.21和K.44，其使用的主要波形有10/700μs组合波、8/20μs电流波、1.2/50μs组合波、2/20μs(电压波)等。

telcordia公司现已被爱立信收购，其发布的GR-1089-CORE:2017中针对电信设备规定了如下端口类别定义：

· Type1——电信中心的室外接口，与户外暴露线缆（架空、管道或直埋）连接；

· Type2——电信中心建筑物内非暴露线缆接口；

· Type3——客户位置室外设施电缆端口；

· Type3a/5a——基站内部线缆端口；

· Type3b/5b——短距离户外线缆端口；

· Type4——未直接连接到金属户外电缆导体的设备端口；

· Type4a——用户端光网络终端和智能网络接口设备的电缆端口；

· Type5——电信网络户外设施的电缆接口；

· Type6——天线端口；

· Type7——交流电源端口；

· Type8——直流电源端口；

· Type8b——蜂窝基站内部直流电源。

涉及到10/360μs(40Ω)、10/700μs、10/1000μs、2/10μs(5Ω)、10/250μs(8Ω)等波形，共计38种测试条件。

上述两类标准在测试端口要求、测试方法、耦合去耦网络的选择上与基础标准差别非常大，如使用该标准进行产品考核，需要进一步领会标准的要求和意图。

十一、总结

首先，对于雷击浪涌试验，除直接雷外，其他无论是电压波、电流波或是组合波，归根结底都是发生器源阻抗、耦合网络、EUT端口阻抗之间的匹配问题。如果EUT端口阻抗高，则电压考核占主导地位；如果EUT端口阻抗低，则电流考核占主导地位；

其次，测试时，需要注意不同标准对源阻抗的要求存在差异，尤其是单独的电压波或电流波；

最后，测试时，需要关注施加等级电平的要求。标准中究竟是规定以发生器的开路电压/短路电流达到标准电平为准，还是以测试过程中的实时监测值为基准。

十二、系统解决方案

苏州泰思特电子科技有限公司作为国内的电磁兼容测试仪器设备生产商，在雷击浪涌领域提供了涵盖全部波形、不同电压等级的产品，图3给出了部分产品展示。

I类雷电电流试验系统 LCG 200A

I类雷电电流试验系统 LCG 200A，可产生200kA的I类10/350μs直接雷电波形和300kA的II类8/20μs间接雷电波形，同时本套系统可通过不同的调波模块调试出满足航空标准及军用标准的直接雷电电流波形中的A分量和D分量，同时可扩展更多的其他波形，可用于防雷浪涌保护产品（SPD、GDT等），引雷产品（避雷针等）的抗雷电测试，也可用于风电、太阳能、以及军用产品的雷电直接效应测试。

多功能雷击浪涌模拟器 CWS 1500MS/CWS 2000MS

多功能雷击浪涌模拟器依据GB/T 17626.5标准开发设计，配套拔插式波形模块，能够产生多达9种浪涌脉冲波形的输出，最高脉冲电压可达20kV。

低压组合波雷击浪涌模拟器 CWS 3G

低压组合波雷击浪涌模拟器 CWS系列是一款为了模拟低压浪涌脉冲干扰现象而专门设计的高端测试设备，适用于浪涌保护器件（如TVS管、TSPDs、SIDAC、浪涌抑制器等）的测试，亦可用于晶圆或封装级的浪涌抗扰度测试。输出电压范围从1 V至30 V可调。