SPD 突波保護器

SPD（Surge Protective Device，突波保護器）是一種在規定條件下，用以保護電源系統及其設備免受雷擊突波或操作突波等各類過電壓與過電流損害的一種保護裝置。過電壓包括低頻過電壓與瞬態過電壓。SPD 是作為一種限制瞬態過電壓的保護裝置，可以抑制的過電壓類型包括緩波前過電壓、快波前過電壓，以及特快波前過電壓。低頻過電壓則包含持續性過電壓與暫態性過電壓。SPD 對於這類低頻過電壓並不能提供相應的保護，在這類過電壓下，SPD 應以某種方式失效或者可以承受這類過電壓，而不會產生一些不希望見到的結果，例如燃燒。

IEC 61643-41:2025 標準（SPD）

由於直流電源應用場景日益多元，如分散式發電與採用直流供電的設施：風力發電、水力發電、PV系統、地熱能源、燃料電池、電動車充電與供電設備、電池及其他儲能裝置、分散式電網、多電機驅動的中間直流環節、直流/直流與交流/直流變流器、控制電路等。

然而，在 IEC 61643 系列標準中尚無關於直流SPD的規範。為了更好的滿足市場需求和促進產業健康發展，國際電工委員會（IEC）於 2025 年 5 月正式發布關於低壓直流電源系統突波保護器的性能要求與試驗方法。本部分標準適用於對雷電的間接和直接效應或其他瞬態過電壓的突波進行保護的突波保護器，這些SPD將被連接到額定電壓不超過1500V的直流電路和設備。

IEC 61643-41:2025 標準係以 IEC 61643-01:2024 為基礎，進一步補充適用於直流系統的相關試驗項目。這些試驗依據 SPD 將安裝於線性直流電源系統的條件進行設計；若 SPD 要被連接到其他類型的電源中，則須進行特別考慮。

典型試驗項目解析（SPD）

一、短路電流特性試驗

SPD 發生失效時，不應導致危險，或能承受在SPD失效過程中可能產生的電源預期短路電流。當SPD 壽命終結時，可能會有短路電流流過，因此為確保此過程中產生的能量不致引發火災，需依據標準進行短路耐受能力試驗。試驗要求 SPD 本體及其搭配的脫離裝置或過電流保護器，必須能承受製造商所聲明的額定短路電流值。試驗中，SPD 不應出現燃燒、碳化、噴出熔融物質，亦不得於外殼表面形成開孔。本項試驗僅適用於在壽命終結時呈現「開路失效模式」的 SPD。此類 SPD 必須配備必要的脫離裝置，可為內建式或由製造商指定的外部裝置（如斷路器、熔斷器或 SSD 等）。外部脫離裝置或過電流保護器應符合相關過流保護標準之規範。若 SPD 發生故障，脫離裝置須能迅速動作，以保護 SPD 並維持供電系統的連續性。在直流電路中，時間常數 τ = L/R 為關鍵參數。隨著時間常數增加，預期短路電流也將上升。IEC 標準對於電源時間常數與對應的預期短路電流已有明確規定，試驗過程中必須特別注意此項因子。此外，本試驗需製造商提供專用樣品，其電壓限制元件與電壓開關元件應由純銅塊替代，但 SPD 的內外部結構與使用材料等不得做任何其他更動。

對於聲明的額定短路電流試驗，試驗需要在Utest和ISCCR下進行，根據被試品的不同類型有以下四種試驗方式：

1. 具有集成或者外接熔斷器的SPDA，可以參考IEC 60269系列標準中不同標準的要求（工業用、家用和類似場所用、電池和電池系統用、太陽能光伏系統用等不同的應用場景），確定SPDA的ISCCR。

2. 具有集成或者外接斷路器的SPDA，可以參考IEC 60947-2（工業用）、IEC 60898系列標準（家用和類似場所用）中不同標準的要求，確定SPDA的ISCCR。

3. 具有集成特定短路保護功能的SPD（無外部脫離器）。

4. 具有突波保護功能和特定短路保護功能的SPDA（這種SPD的兩種功能是組合在一起的，無論是在試驗或者樣品準備的時候都是不可分離）。

對於低短路電流試驗，試驗需要在Utest下進行，具體的預期短路電流值，需要根據被試品的不同類型具體選擇：

1. 如分類為SPD和熔斷器的組合，即SPDA，短路電流可以根據熔斷器的額定電流查表選擇。

2. 如分類為SPD和斷路器的組合，即SPDA，使用的是基於IEC60898標準的斷路器，要使用瞬時脫扣電流的上限值進行試驗，如果使用的是基於IEC60947標準的斷路器，要使用1.2倍的瞬時脫扣電流進行試驗（瞬時脫扣電流與斷路器的額定電流有關）。

3. 如果分類為具有特定短路保護功能（無外部脫離器）的SPD和有複合功能的SPDA，被試品需要進行三個預期短路電流值（Imin；Imin + 0.05 ×（ISCCR − Imin）；Imin + 0.1 ×（ISCCR − Imin））的試驗，這裡要注意，對於這類的SPD，短路電流要在5秒（+0.5/0）內被斷開。如果聲稱了ISCCRMIN，則Imin= ISCCRMIN，如沒有聲稱，則Imin = 300A，當SPD應用在額定電流小於等於20A的電路中，Imin = 100A。

二、專用過載試驗

本試驗需要準備特殊的試驗樣品，如對於僅包含電壓限制元件的保護模式，按照步驟1) 的方式準備試驗樣品；如對於電壓限制元件和電壓開關元件串聯的保護模式，可依次按照步驟1)2)3)4) 的方式準備試驗樣品；如對於僅包含電壓開關元件的保護模式，按照步驟3) 的方式準備試驗樣品，如果不可行（例如空氣間隙），則該試驗不適用於這種保護模式。

步驟1 | 對於僅包含電壓限制元件的保護模式，要替換電壓限制元件，替換後的電壓限制元件的U1mA值要降低到Uc值的90%及以下，樣品準備完畢，進行過載試驗。對於電壓限制元件和電壓開關元件串聯的保護模式，在假定保護模式中的開關元件都已經短路的情況下，同樣要替換電壓限制元件，替換後的電壓限制元件的U1mA值要降低到Uc值的90%及以下，樣品準備完畢，進行過載試驗。

步驟2 | 對於電壓限制元件和電壓開關元件串聯的保護模式，可在過載試驗的同時對SPD施加1.2/50的衝擊電壓波，如能使開關元件處於導通狀態，樣品準備完畢，進行過載試驗。

步驟3 | 對於電壓限制元件和電壓開關元件串聯的保護模式，如按照步驟1)2) 準備的樣品在過載試驗中沒有使開關元件處於導通狀態，則需要按照步驟3) 準備樣品，替換電壓開關元件，可使用同類型更低額定值的開關元件，樣品準備完畢，進行過載試驗。

步驟4 | 對於電壓限制元件和電壓開關元件串聯的保護模式，如按照步驟1)2)3) 準備的樣品在過載試驗中沒有使開關元件處於導通狀態，則短路該保護模式中的開關元件，樣品準備完畢，進行過載試驗。

過載試驗需要在UC下進行，電源的時間常數要滿足標準要求，試驗用電源要有足夠的容量，能提供試驗所需的ISCCR和低短路電流值，內部或外部脫離器必須要在規定的時間內中斷試驗電流，使試驗樣品處於OCM模式。如內部或外部脫離器的動作時間不能滿足標準要求，則提高試驗電壓，使用新的樣品進行試驗。

三、暫時過電壓（TOV）下的特性

試驗程序取決於SPD製造商安裝說明書中提供的在直流低壓配電系統中的預期應用，標準中規定了四種暫時過電壓的類型，分別是：

1. 低壓系統故障（接地故障和短路故障）引起的TOV。

在該TOV應力下，可接受的壽命終結方式是耐受模式。

2. 低壓系統故障（失中點連接）引起的TOV。

在該TOV應力下，可接受的壽命終結方式是耐受或可接受的安全失效模式。

3. 中高壓交流系統故障轉移到直流系統（該直流系統起源於TT-或IT-低壓交流系統，並且是無隔離的）。

在該TOV應力下，可接受的壽命終結方式是耐受或可接受的安全失效模式，如SPD預期應用的直流系統與AC系統是電氣隔離的，則該TOV應力不適用於該預期應用的場景。

4. 中高壓直流系統故障轉移到TT-或IT-直流系統。

在該TOV應力下，可接受的壽命終結方式是耐受或可接受的安全失效模式，如SPD預期應用的直流系統與上游直流系統是電氣隔離的，則該TOV應力不適用於該預期應用的場景。

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