本文以Dion Neri和Bruce Glushakow所著的白皮書為基礎(chǔ)，該白皮書經(jīng)IEEE審核后被確定為學術(shù)理論性文件。
開始論述之前，我們先關(guān)注一下這樣一個事實：多年來，美國的浪涌保護器(又稱瞬態(tài)電壓抑制器TVSS)的測試方案都以ANSI/IEEEC62.41(美國國家標準委員會/電氣電子工程師協(xié)會C62.41標準)為測試規(guī)范。而在實際應(yīng)用中，按照該標準進行設(shè)計、生產(chǎn)、測試的浪涌保護器在全球市場上取得了良好的應(yīng)用效果。
一、歷史回顧：10/350作為一級測試波形的由來
在1995年以前，包括美國在內(nèi)的大多數(shù)國家都采用8/20波形測試浪涌保護器，“國際電氣規(guī)范”(IEC)也采用相同的做法。但此后，在IEC61643標準文件中，卻對安裝在建筑物進線處的浪涌保護器引入了新的“配電系統(tǒng)1級防護”測試方案。為了適應(yīng)IEC61643對沖擊脈沖電流(Iimp)的要求，測試機構(gòu)不得不將測試波形改為10/350。而這一變化的所謂“理論基礎(chǔ)”是：10/350的波形更接近于直接雷擊的波形參數(shù)，因此，在對此類進行浪涌保護器(IEC稱SPD)的有效性測試時采用10/350波形比8/20波形更合適。
然而，在經(jīng)過大量可靠的跟蹤調(diào)查之后，IEEE認為對測試方案做出類似的改動根本不具備充分的理由，因此仍然堅持采用8/20波形。但在現(xiàn)實中，IEC引入的“配電系統(tǒng)1級防護”測試新方案卻在浪涌保護器市場上造成了混亂：在某些歐洲生產(chǎn)商的鼓動下，“配電系統(tǒng)1級浪涌保護器”在設(shè)計、生產(chǎn)上按照10/350測試脈沖為參考，采用真空管作為防護元件，并宣稱該種保護器成為所謂“主流”。他們依據(jù)很簡單：“既然直接雷擊的波形只能用10/350波形的脈沖進行模仿，所以，ANSI/IEEE所主張的8/20波形的測試規(guī)范就不足以起到防護直接雷擊的作用?！?emsp;
二、IEC選擇10/350的技術(shù)依據(jù)
按照IEC的“新要求”，測試“防護直接雷擊的浪涌保護器”時應(yīng)采用10/350波形沖擊脈沖，而測試“防護間接雷擊的浪涌保護器”時應(yīng)采用8/20波形。
100kA的10/350波形脈沖的放電強度是20kA的8/20波形脈沖的125倍。125×0.4=50
如果使用壓敏電阻MOV作為浪涌抑制元件，設(shè)計一個能防護100kA的10/350波形的沖擊脈沖的保護器，它所具備的放電能力必須相當于防護2500kA的8/20波形沖擊脈沖的能力。
以上結(jié)論的計算過程發(fā)表在IEC的規(guī)范文件中，并以此作為理論依據(jù)證明：“按10/350波形測試設(shè)計的保護器的防護能力比按8/20波形測試的保護器要高20倍以上?！?/span>
三、對10/350波形的采用的爭議
我們討論這樣的結(jié)論是否正確之前，先看看這樣一些事實：
1、按8/20設(shè)計的浪涌保護器的實際應(yīng)用狀況
多年來，在所有采用ANSI/IEEE標準測試的低壓浪涌保護器的市場上，至今沒有，也沒有必要設(shè)計出浪涌能力在2500kA的保護器。其原因在于：
(1)多年現(xiàn)實的應(yīng)用告訴我們：即使是在雷電現(xiàn)象zui惡劣的地方，浪涌能力在8/20波形400kA的保護器所具有的防護水平，對付極端惡劣的直接雷擊事件都已經(jīng)綽綽有余。
(2)在世界范圍內(nèi)，采用8/20測試波形的保護器在保護敏感電子設(shè)備免遭直接雷擊的打擊時所表現(xiàn)出的性能一直非常穩(wěn)定可靠。
2、IEC內(nèi)部關(guān)于是否應(yīng)該采用10/350波形也存在爭議
1995年，10/350測試波形首先出現(xiàn)在IEC61312-1標準文件中。但在此前后，IEC內(nèi)部對是否采用10/350波形存在著不同的看法，這種反對意見隨著人們對直擊雷認識的提高，反對的聲音也越來越高。
在1995年召開的TC81委員會會議上，通過多方游說，18個選舉國家中的14個對10/350測試波形議案投了贊成票，并通過議案。2000年，在對“IEC61312-3：2000”修改案進行投票時，19個選舉國家中投贊成票的國家減少為13個。從此我們可以看出，到2000年，在IEC內(nèi)部有近1/3的國家對10/350測試波形持反對態(tài)度。
四、IEEE對直擊雷的研究
在IEC61312-1標準文件推出以后，IEEEC62.41.2-2002標準文件對“雷擊(first-strokelightning)進行了評估，評估范圍包括了IEC61312文件中規(guī)定的“半峰值時間”為350毫秒的沖擊脈沖(10/350波形)，并得出以下結(jié)論：
“IEC所謂‘高能量浪涌的防護要求’是建立在有限的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)之上，其原因在于：當我們把這樣的‘要求’和按照IEEEC62系列文件所設(shè)計的浪涌保護器的實際應(yīng)用效果相比較時，就發(fā)現(xiàn)這種‘要求’不可靠”。
IEEE的這次評估審查了以下三方面的問題：
(1)10/350波形是誰首先提出的，依據(jù)是什么？
(2)在決定浪涌保護器的測試波形時，到底應(yīng)該以什么樣的技術(shù)數(shù)據(jù)為依據(jù)？
(3)10/350波形和直接雷擊的相似性到底有多少？
1、什么叫10/350波形？
10/350是表示沖擊脈沖電流時間變化的數(shù)據(jù)。其中10(微秒)表示沖擊脈沖到達90%電流峰值的時間，而350表示從電流峰值到半峰值的時間(T2)。
事實上，不管成因是否為雷擊，任何一個持續(xù)時間在350毫秒的高峰值電流(Ipeak)對于任何一種以半導體元件為主的保護器都是致命的。
現(xiàn)在我們可以明確：IEC61312-1標準文件的制定者們采用了10/350波形這個事實。然而，通過該標準文件的IECTC81委員會會議還在其標準文件中宣稱“采用10/350測試波形的理由就是：常見雷擊的‘半峰值’時間就是350毫秒?！?/span>
2、確定10/350測試波形到底應(yīng)該以什么樣的技術(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)？
既然IEC確定10/350波形是根據(jù)這樣的理由，現(xiàn)在我們對這種理由的正確性做出分析。
(1)IEC61643-1號文件將IEC61312-1指定為雷電浪涌測試參數(shù)的*規(guī)范性文件。(請參見IEC61643-1號文件143頁的附錄A)。
(2)IEC61643-1號文件有關(guān)雷電電流的參數(shù)的確定依據(jù)僅僅只是憑借于1975年和1980年發(fā)表在國際電氣雜志上的兩篇文章。
現(xiàn)在，我們就對這兩篇文章進行分析。
▼1975年文章
在分析K·Berger結(jié)論之前，我們先看看IEC61312-1文件的測試波形的選擇依據(jù)：IEC61312-1文件的主要依據(jù)是“陽性雷擊(first positive stroke)”的參數(shù)。對于這種做法，TC81委員會在該文件的附錄A中這樣解釋到：“我們認為，在所有的閃電中，90%的閃電為陰性，10%為陽性。但由于陽性閃電的構(gòu)成為：雷擊＋長時雷擊，所以陽性放電能量很大，因此，雷擊的峰值參數(shù)應(yīng)該以此作為依據(jù)。就1級防護來說，盡管陽性雷擊的出現(xiàn)機率低于10%，但其各項數(shù)據(jù)可以涵蓋所有閃電中的99%，因此，雷電參數(shù)的峰值，如電流峰值參數(shù)Ipeak，閃電電荷參數(shù)Qf，短時雷擊參數(shù)Qs，具體能量參數(shù)W/Q，都應(yīng)該以此為依據(jù)。另外，大多數(shù)陰性閃電的峰值遠遠低于陽性直擊雷，雖然有些陰性閃電的參數(shù)可以比陽性直擊雷還要高，但比例在所有閃電中不足1%，因此可以忽略不計。
換句話說，IEC61312-1文件的制定者們認為：只要他們考慮到了那些出現(xiàn)雖然機率較低，但持續(xù)時間較長的“陽性雷擊(first positive stroke)”，就可以確保“安全”。但對于這樣的結(jié)論，連1975年文章的作者K·Berger自己都認為是片面的。
1975年，從事雷電研究的瑞士電氣工程師K·Berger在國際電氣雜志上發(fā)表文章，認為直擊雷的電流波形近似10/350波形。
現(xiàn)在我們來分析一下他得出該結(jié)論的關(guān)鍵因素：
雷擊采集地點：位于瑞士Lugano湖邊附近的San Salvatore山上的一所雷電監(jiān)測站。
問題1：將高塔引雷造成的回擊雷當成直擊雷
K·Berger文章中所提到的陽性云—地閃電的探測地點是位于有高塔的山頂上，這和位于山頂?shù)臎]有高塔的其它建筑的雷電情況不同。有高塔的山頂建筑會引雷。事實上，在K·Berger探測到的所有閃電中，除一次例外，其余的閃電的構(gòu)成都是先由高塔向上引雷，然后是向下的雷擊。而的IEC61312-1文件卻以此為依據(jù)，將這種山頂高塔回擊雷當作所謂“占自然雷擊10%的陽性直擊雷”。然而在現(xiàn)實環(huán)境中，高塔引雷所引發(fā)的回雷擊事件在所有雷擊事件中的比例還遠不到1%。
現(xiàn)在我們知道，IEC61312-1文件的制定者們以K·Berger的研究結(jié)果為依據(jù)，把陽性的回擊雷(positive return strokes)看作是陽性直擊雷，并得出結(jié)論：“陽性雷擊”的電流峰值Ipeak比陰性的雷擊要高得多。但這種認識卻是值得懷疑的，依據(jù)如下：20世紀末，“美國國家雷電探測網(wǎng)NLDN”對6千萬次閃電進行了研究，結(jié)果顯示：陽性或陰性的云—地高峰值電流閃電(LPCCG)占其中的146萬次，比例為2.46%。而對于所有Imax＞75kA的閃電，陰性云—地高峰值電流閃電在數(shù)量上大大超過陽性云—地高峰值電流閃電。由此可見，IEC有關(guān)陰性雷和陽性雷電流大小的結(jié)論是站不住腳的
問題2：對陽性回擊閃電的波形和陰性閃電的波形的理解
IEC61312-1文件認為，陽性回擊閃電的波形和陰性閃電的波形存在著很大的差異。然而，“美國國家雷電探測網(wǎng)NLDN”的研究卻證明這兩種波形在很大程度上是類似的。
▼1980年文章
1980年，國際電氣雜志發(fā)表的一篇文章認為，雷擊事件的電流波形近似10/350波形。IEC再次接受了文章的觀點。但在國際范圍內(nèi)，包括歐洲其它的機構(gòu)，對此種觀點并沒有表示贊成。例如總部位于法國的知名非政府國際組織“大型配電系統(tǒng)國際理事會(CIGRE)”的專家們就對此持反對態(tài)度，其雙語雜志《Electra》也拒絕刊登任何支持類似觀點的學術(shù)文章。(CIGRE成立于1921年，其創(chuàng)建宗旨是促進各國電氣工程師及專家之間的知識信息交流，并開展學術(shù)研究。)
10/350波形和直接雷擊的相似性到底有多少？
雷擊持續(xù)時間研究說實話，雷擊事件可能是自然界中zui難以琢磨的現(xiàn)象之一。其中的主要原因是由于雷電現(xiàn)象研究本身難度很大，因此，在現(xiàn)階段zui可靠的依據(jù)就是實際應(yīng)用效果和大規(guī)模的調(diào)查研究的結(jié)果。目前，大量的研究證明以下的事實是值得信賴的：
(1)2001年，“高壓電氣工程”的作者J·R·Lucas在其文章中提出，在計算雷電浪涌時，回擊雷過程中出現(xiàn)的高電流是*比較特殊的情況。在這一過程中，電流的波形可以表示為：i＝I(e-alphaxt–e-betaxt)其中波前時間為0.5～10毫秒，波尾時間為30～200毫秒。但通常來說，雷擊電流波形的波前時間應(yīng)為6毫秒，波尾時間為25毫秒(即6/25)。
(2)韓國電力公司進行一項為期5年的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在他們所監(jiān)測到的雷擊中，95%的半峰時間不到22毫秒，而平均峰值時間為10.82毫秒。
(3)1977年，在日本舉行的一項研究中，發(fā)現(xiàn)平均半峰時間為40毫秒。
(4)美國國家海洋&大氣管理局(NOAA)經(jīng)研究提出：“回擊雷的峰值電流的變化范圍在5～200kA，而半峰時間的變化范圍在20～50毫秒。
從以上研究中我們看出：除了回擊雷這一例外(0.5～10/30～200)，大多數(shù)直擊雷的比較接近8/20波形。
五、IEEE采用的直擊雷測試波形：
在對雷電浪涌環(huán)境，測試波形及測試程序進行了廣泛深入的調(diào)查研究之后，IEEEzui終確定應(yīng)用于浪涌保護器測試的波形，并在IEEEC62.41.2-2002標準文件中推薦采用：
(1)配電系統(tǒng)C，B類：1.2/50～8/20混合波，前者用于電壓測試，后者用于電流沖擊測試。
(2)配電系統(tǒng)A類：100kHz環(huán)波(模擬低幅瞬態(tài)電壓和電磁射頻干擾)
IEEE有關(guān)雷電浪涌防護的標準文件包括C62.45-2002，C62.41.1-2002及C62.41.2-2002，技術(shù)材料總共292頁。按照IEEE標準設(shè)計生產(chǎn)的浪涌保護器廣泛應(yīng)用在世界上電子設(shè)備最敏感，數(shù)量最密集的地方，實際應(yīng)用效果在世界范圍長期得到肯定。
