一個典型的400V配電盤的實際工作電壓僅400伏特。然而，固定在該配電盤上的每一個斷路器都標明了耐壓值，這個數值看似荒謬地高得離譜：Uimp 8 kV。八千伏特乘以二十，相當於1.2微秒的電壓脈衝。沒錯，這不是筆誤。這實際上是我們電力系統的一個切實可行的設計：雷擊和開關操作產生的電壓變化如此迅速且劇烈，以至於整體電氣保護必須高於正常運行電壓，才能確保電力線、電纜網路和配電設備的正常運行電壓安全。
額定衝擊耐受電壓 (Uimp) 是指電氣設備在不發生絕緣擊穿且仍能滿足設備規格要求的情況下，必須承受的最大電能強度。它使您能夠根據應用選擇合適的設備，從 230V 家用中壓斷路器到 400 kV 海底交聯聚乙烯 (XLPE) 變壓器，從而滿足相關標準的要求。在 IEC 介電測試的每個測試類別中，從主配線架 (MDF) 開關設備到 765 kV XLPE/高壓電纜接頭，所有設備都必須按照規定的衝擊耐受電壓曲線運作。如果您在電氣設計中指定了該電壓，並按照該電壓的精確標準進行測試，則預計浪湧會立即在您的裝置中傳播，導致電器和設備損壞。
本文著重介紹IEC 60060-1和IEC 60664-1標準如何定義絕緣測試的衝擊耐受電壓，IEC如何規定過電壓類別和相關測試波形，雷電衝擊測試與開關衝擊測試的區別，以及Marx電路如何產生衝擊波形。我們重點闡述了近期電氣產品故障的原因，以及符合2025版IEC 60060-1標準的現代化實驗室的測試程序。
額定衝擊耐受電壓 — 快速參考
| 國際電聯符號 | 烏姆普 |
| IEEE等效 | 基本脈衝水平 (BIL) |
| 標準測試波形 | 1.2/50 μs（閃電脈衝） |
| 表達方式 | 峰值千伏（kv peak）－而非均方根值。 |
| 管理標準（LV） | IEC 60664-1（絕緣配合） |
| 管理標準（測試） | IEC 60060-1:2025（第 4 版） |
| 管理標準（MV） | IEC 62271-100 |
| 電壓層級 | Ue ≤ Ui << Uimp（數量級差距） |
額定衝擊耐受電壓（Uimp）是什麼？
根據IEC 60664-1標準和某些開關設備協議，額定衝擊耐受電壓（Uimp）相當於設備在按照規定方法進行測試時，能夠承受的規定形式和極性的電壓衝擊的峰值，而不會導致絕緣失效。這個定義中的四個字──高峰和規定形式──就包含了大部分意義。
峰值電壓 Uimp 指的是千伏特峰值電壓 (kVp，而非均方根電壓)。例如，8 kV 的衝擊電壓意味著被電設備必須能夠承受瞬間 8000 伏特的電壓尖峰－此處僅作簡寫描述，而非以平均均方根電壓表示。這種差異在比較衝擊耐受電壓與工作電壓 (Ue) 或絕緣電壓 (Ui) 時尤為明顯，因為後兩者均以均方根電壓表示。
規定形式是指雷電衝擊波形（IEC 60060-2），其上升沿為 1.2 微秒，下降沿為 1.2 千伏，作為測試所使用的波形。而 IEC 標準電衝擊波形則為下降沿為 50 微秒，下降沿為整個衝擊波形的一半。
為什麼 Uimp 的值遠高於工作電壓
Uimp 並非設備的正常工作電壓。雷擊和開關瞬態產生的瞬態過電壓出現在系統峰值以下 1 微秒到幾毫秒。它們的峰值遠高於系統標稱電壓。一個 230V 的電路如果附近遭到雷擊，配電盤端子處可能會出現 4kV 或更高的瞬態尖峰電壓－幾乎是標稱電壓的 18 倍。正常工作的絕緣材料（以 230V 加上安全裕量設計）無法承受如此巨大的瞬時應力。
IEC電壓等級標準對此有明確規定：
- Ue（額定工作電壓）- 正常系統電壓，例如 400 V。這是設備執行其額定開關任務時的電壓。
- Ui（額定絕緣電壓）是交流持續介電參考電壓，例如 690 V。這是設備設計能夠承受的最大電壓（耐久性測試的參考電壓）。此測試電壓用於 60 秒工頻介電測試。
- Uimp（額定衝擊耐受電壓）－設備必須能夠承受的瞬態峰值電壓，例如 8 kV。這可以透過 1.2/50 μs 衝擊耐受試驗來驗證。
Ui 和 Uimp 之間的數量級差異並非偶然。衝擊耐受能力指的是絕緣體承受間隙（即氣隙）衝擊的能力，而非承受絕緣層厚度衝擊的能力。例如，3 毫米厚的空氣層可以無限期地承受 690 V 交流電，但如果氣隙幾何形狀並非針對衝擊電壓設計，則在 4,000 V 峰值電壓下可能會發生閃絡。 Uimp 描述的是絕緣體幾何形狀必須承受的瞬態應力，而 Ui 描述的是固體絕緣層必須承受的持續應力。兩者不可互相替代。
絕緣配合－使用與工地瞬態暴露相符的Uimp值，低壓設備採用IEC 60664-1標準，輸電級系統採用IEC 60071-1標準。這兩個標準都將安裝暴露水準與所需的Uimp值相匹配，然後透過IEC 60060-1標準中的經典衝擊耐受電壓試驗進行驗證。
IEC 與 IEEE：Uimp、BIL 和脈衝測試標準
在國際專案中，對於同一現象會遇到兩個術語：IEC 標準中的 U imp 和 IEEE/北美標準中的 BIL（基本脈衝電平）。兩者都衡量設備在每次放電中承受特定 1.2/50 μs 雷電脈衝的能力。其基本物理原理相同；區別在於測試程序和大氣校正。
| 方面 | IEC Uimp | IEEE BIL |
|---|---|---|
| 測試波形 | 1.2/50 微秒 | 1.2/50 微秒 |
| 波形定義 | IEC 60060-1 | IEEE 標準 4 |
| 碎浪測試 | 並非所有設備類型都需要此功能 | 某些設備（例如變壓器）需要用到 |
| 大氣參考 | 20°C，101.3 kPa，濕度 11 g/m³ | 通常參考溫度為 30°C |
| 環境矯正 | 根據IEC 60060-1標準強制執行 | 根據 IEEE Std 4 程序 |
| 一級市場 | 國際/歐洲 | 北美 |
空氣溫度參考值的差異（IEC 為 20°C，IEEE 為 30°C）會產生實際影響。當實驗室溫度、壓力或濕度與參考值不同時，大氣校正係數會將施加的測試電壓調整為標準條件。在 20°C 參考值下驗證的設備，在 30°C 下可能會產生略微不同的校正係數。這會導致跨標準區域採購元件時出現明顯的差異。在國際專案中，務必確認適用的標準，並確保產生的型式試驗報告使用了正確的參考值。
IEC衝擊耐受電壓標準層級
U imp 的全貌由三項 IEC 標準描繪而成——每項標準涵蓋了系統的不同層面：
- IEC 60664-1 (2020，第 3 版)－適用於 1.000 V AC / 1500 V DC 低壓系統設備的絕緣配合標準。此標準包含過電壓類別表，將系統電壓和安裝位置與所需的 Uimp 值關聯。設備設計人員在為塑殼斷路器 (MCCB)、接線端子或接觸器選擇 Uimp 值時，應參考此標準。
- IEC 60060-1 (2025，第 4 版)—高壓試驗技術，第 1 部分。本標準規定了 1.2/50 μs 波形、容差和大氣修正係數，並確立了實驗室衝擊耐受型試驗的合格/不合格標準。 2025 年第四版將適用範圍擴展至超高壓設備，並明確增加了數位波形評估技術。本標準是試驗實驗室制定試驗程序時應參考的文件。
- IEC 62271-100 (2021)－交流斷路器。該標準規定了所需的和建議的額定雷電衝擊耐受電壓。對於額定電壓高於約72.5 kV的設備，除了雷電衝擊試驗外，還需要進行經認可的開關衝擊試驗。
若要查看有關 DEMIKS 高壓設備中雷電衝擊耐受的詳細章節，請參閱：雷電衝擊耐受電壓簡介。
系統電壓的過電壓類別與 Uimp 值
IEC 60664-1 根據設備相對於電源入口點的安裝位置，將低電壓裝置分為四個過電壓類別（OVC I-IV）。靠近電源的設備會受到來自雷擊和開關的更大瞬態能量，因此其額定過電壓 Uimp 更高。在安全裝置深處，電壓會經過電纜阻抗和突波保護裝置等衰減級。
| 過氧化氫 | 設備位置 | 典型範例 | 所需 Uimp (kv) |
|---|---|---|---|
| IV | 裝置的供水入口點 | 電表、架空線路設備、主電源開關 | 6 |
| III | 建築物內的固定設備 | 配電盤、塑殼斷路器、固定式工業開關設備 | 4 |
| II | 固定裝置的負載側 | 家用電器、手提工具、插電式設備 | 2.5 |
| I | 帶有上游突波保護器的保護電路 | 敏感電子設備、電信設備、突波保護器後方的控制電路 | 1.5 |
避雷器和第二部分——浪湧保護器 (SPD)——通常需要高達 8 kV 的 Uimp 值，以確保足夠的設備裕量並應對供應商的差異。這一裕量對於配電盤特別重要——因為設備安全開關會切換到配電裝置，而且單一配電盤通常比同等配置的 OVC IV 系統需要為更多分散的下游負載供電。
中壓 Uimp 要求（IEC 62271-100）
對於主配電開關設備和變壓器主饋線，中壓塑殼斷路器和開關設備可指定為 10-12 kV Uimp。通常認為，高壓範圍應選用工業級塑殼斷路器，Uimp 為 8 kV 或更高是傳統做法——超過了 OVC III 設備 4 kV 的最低要求：
| 額定電壓 Ur（千伏特有效值） | 所需 LIWV（千伏峰值） | 比率（LIWV / Ur） |
|---|---|---|
| 3.6 | 40 | 11× |
| 7.2 | 60 | 8× |
| 12 | 75 | 6× |
| 17.5 | 95 | 5× |
| 24 | 125 | 5× |
| 36 | 170 | 5× |
對於1 kV以上的開關設備和斷路器，IEC 62271-100規定了所需的雷電衝擊耐受電壓（LIWV），電壓值是額定電壓Ur的函數。這些數值是基於多年的現場數據和故障統計，每個電壓類別都有其下限和上限：
對於11 kV開關設備（英國和英聯邦配電網路中常見的額定電壓等級為Ur=12 kV），其LIWV要求為75 kV。這意味著額定電壓為12 kV的設備必須通過75 kV的峰值衝擊試驗。在該試驗中，斷路器必須能夠承受超過額定電壓六倍以上的單次開關或雷擊衝擊。電壓越高，衝擊比也越高，因為較大的物理間隙能夠更好地承受突波衝擊。
閃電脈衝與開關脈衝：兩種波形，同一個目標
除了衝擊試驗外，通常還會驗證型式試驗期間是否有局部放電活動，以確定衝擊試驗是否已發現亞閃絡絕緣應力。
IEC 60060-1 標準中使用了兩種相似的波形。每種波形代表電力系統中不同的物理過程，並且分別適用於不同類別的設備。選擇與測試要求不符的標準波形屬於規範錯誤。
雷電衝擊 (LI) 波形模擬了雷電產生的浪湧的電學形態：電壓快速上升至一個階躍，隨後是較長的下降尾波。此標準波形的記錄值為 1.2/50 μs。考慮到 T1 = 1.2 μs (30%) 的波前時間，實際波前測量值可以在 0.84 μs 到 1.56 μs 之間，並且測試仍然合格。 T2 = 50 μs (20%) 的半電壓時間意味著實際波前時間為 40–60 μs 仍然合格。幾乎所有高壓設備，從 400V 真空開關櫃到 765 kV 變壓器套管，都需要進行此類測試。
開關脈衝 (SI) 模擬了電網中開關操作產生的瞬態過電壓事件，例如長距離輸電線路通電、電容器組斷路器或高壓斷路器帶載跳脫。與快速瞬態雷電脈衝相比，所有這些事件都會產生延遲更慢、持續時間更長的尖峰。典型的開關脈衝波形為 250/2500 μs，前緣時間為 250 μs (20%)，半值時間 (Tf) 為 2,500 s (60%)。由於開關瞬態變化幅度較大，因此開關脈衝波形採用較寬的容差範圍。
| 參數 | 閃電脈衝（LI） | 開關脈衝（SI） |
|---|---|---|
| 標準符號 | 1.2/50 微秒 | 250/2500 微秒 |
| 前期時間（T1） | 1.2 微秒 ± 30% | 250 微秒 ± 20% |
| 半值時間（T2） | 50 微秒 ± 20% | 2,500 微秒 ± 60% |
| 模擬 | 雷擊引起的突波 | 開關瞬態（線路通電、斷路器動作、電容器組） |
| 所需設備類別 | 所有電壓等級 | 一般額定電壓≥72.5千伏 |
| 關鍵失效機制 | 短氣隙間的脈衝火花放電（陡鋒應力） | 跨越長外部間隙的閃絡（慢速前應力） |
| 管理標準 | IEC 60060-1 | IEC 60060-1 |
在額定電壓約 72.5 kV 以上，IEC 62271-100 標準通常要求同時進行雷擊和開關衝擊耐受試驗。這似乎與實際情況相反：對於較長的外部空氣間隙（例如架空線路、室外表面絕緣子、戶外設備的長爬電路徑），在緩慢上升的開關衝擊作用下，擊穿電壓會高於雷擊衝擊電壓。這就解釋了為什麼在較長的空氣間隙（放電傳播需要時間才能完全發展）下，慢速開關衝擊引起的閃絡電壓低於雷擊衝擊引起的閃絡電壓。 250/2500 μs 波形<sup>2</sup>適用於此測試，因為它模擬了完整轉換過程所需的時間，而 1.2/50 μs 波形<sup>2</sup>則不適用。
如何指定脈衝測試系統？
DEMIKS 代表將推薦合適的脈衝產生器、分壓器和數位測量系統，以滿足您的 Uimp 要求—從小型實驗室系統 100 kV 單元到大型變壓器 7,200 kV 型式試驗配置。
衝擊耐受電壓測試的工作原理：逐步詳解
根據 IEC 60060-1 標準，衝擊耐受電壓測試——如果執行得當——需要結合所有驗證測試細節：確認波形、大氣校正和衝擊順序有效。
第一階段：考前準備
- 校準測量系統。每次測試前，必須檢查數位測量系統和分壓器的精度，並依照 IEC 60060-2 標準重新校準。設備超出公差範圍可能會掩蓋故障或導致不必要的廢品。
- 大氣校正。 IEC 60060-1 要求在每次測試前記錄溫度、壓力和絕對濕度。根據大氣校正係數 k，使用 IEC 60060-2 方法乘以 k 計算的程式化 Uimp 值可能高於實際用於發射脈衝的電壓。在高海拔或潮濕環境下測試時，結果可能相差幾個百分點。
- 檢查樣品。觀察表面是否有污染、潮濕和機械損傷。受污染樣品的測試結果無法準確反映設備的脈衝耐受能力，因此可能被拒收。
- 進行降壓波形檢查。對試樣施加相當於預期 Uimp 50-75% 的脈衝，並記錄波形形狀的 T1 和 T2 點（IEC 60060-1）。確認 T1 值在 IEC 60060-1 預期值的 1.2 μs 範圍內，T2 值在 50 μs 範圍內。降壓波形檢查確認無誤後，在後續脈衝測試中恢復至全電壓。
第二階段：耐受性測試序列
基本測試協定在指定的 Uimp 處施加一系列脈衝：
- 衝擊次數：依產品標準，典型衝擊耐受範圍通常為每極性 15 次衝擊，用於型式試驗。通常，低電壓例行測試會減少衝擊次數，以確保產品一致性，而無需重新執行完整的型式試驗程序。
- 極性順序：施加正負脈衝。某些絕緣幾何形狀受極性的影響不同：對於能夠承受 75 kV 正脈衝的非對稱電極系統，負脈衝可能導致較低電壓下的閃絡。
- 射擊間隔：兩次射擊之間至少間隔 1 秒。因為此時空氣間隙中的瞬態電離會因衰減而減弱。
- 評估標準： 消除破壞性獨特性、閃絡或穿孔、測試中的重要事件、最終結果。所有隔離降級都應考慮在測試中進行降級。
斬波脈衝測試
除了規定的全波測試外，一些產品標準（最常見的是電力變壓器的IEC 60076-4標準和一系列IEEE BIL協議）還要求進行斬波測試。在斬波測試中，波形會上升到預定的過電壓等級（通常約為全波峰值的1.1-1.15倍），然後透過火花隙“斬波”，使電壓在2-6微秒內驟降。斬波波形會在繞組絕緣上產生獨特的應力分佈，有時可以辨識出全波波形難以發現的薄弱區域。
DEMIKS匝間衝擊耐壓試驗機用於偵測馬達和變壓器繞組的匝間絕緣性能，它透過施加特殊的脈衝，在測試繞組早期就能發現匝間絕緣的損壞。此試驗機通常適用於設備級的整體衝擊耐壓試驗。
脈衝電壓產生器內部結構：從馬克思電路到測量
在40 kV至7200 kV的測試電壓下，使用任何電路拓樸結構都無法直接從單一高壓電源產生1.2/50 μs的波形。解決方法——可以追溯到1923年埃爾溫·馬克思發明的電路拓撲結構，該結構至今仍主導著傳統的脈衝電壓發生器設計——是將多個電容器並聯充電，然後透過級聯的火花隙將它們串聯放電。
馬克思電路的工作原理
馬克斯電路由n個相同的電路級組成。每個電路級包含一個電容器C、一個用於充電的電阻和一個火花隙。在充電階段，高壓直流電源同時將所有電容器充電至電壓Vc。
在電荷電阻器中，所有元件並聯，同時使各級分開。
當觸發點火時，初始火花隙瞬間被點燃，引發連鎖反應；第一個電容器上的電壓與第二個電容器上已有的電荷疊加，在第二個火花隙兩端形成 2Vc 的電壓。這導致火花隙短路，第三個電容器兩端電壓變成 3Vc，產生電子流。這種級聯反應在奈秒內依序通過所有 n 個級，電容器實際上已串聯起來，輸出電壓為 nVc。
（其中 n = 級數，Vc = 每級充電電壓）
示例： 一台十級電壓產生器，每級充電至120千伏，可產生約1,200千伏特（1.2兆伏特）的峰值輸出電壓。實際上，電阻損耗和電感損耗會將實際輸出電壓降低至理想值的85%至95%。電壓產生器的額定電壓為其實際輸出電壓。
波形整形：前端和後端電阻
1.2/50 μs 的形狀是由 Marx 銀行外部的兩個 RC 網路決定的：
- 前端電阻 (Rf) 是位於訊號產生器和被測物件之間的電阻。此電路元件負責控制上升時間 (T1)。增大 Rf 會減緩上升沿；減小 Rf 會加快上升沿。
- 尾部電阻 (Rt) – 與測試對象並聯。用於設定衰減時間 (T2)。 Rt 值越大，衰減時間越長。
發生器製造商選擇 Rf 和 Rt 值，以在 IEC 60060-1 容差範圍內獲得所需的波形。被測物件電容的變化（例如，測試一小段電纜與測試大型變壓器套管）會產生不同的有效波形，因此可能需要對前端/後端電阻進行微調，以使波形保持在容差範圍內。
測量鏈
測量持續時間僅為微秒的百千伏故障需要一套專用的測量系統，該系統由三個基本組件構成：
- 高壓脈衝分壓器－根據精確設定的比例（例如 1000:1 或更高）分壓脈衝電壓，使測量儀器能夠接收到可接受的訊號量級。 交流/直流分壓器 可提供符合 IEC 60060-2 標準規定的比例和精度。如果頻寬足夠，分頻器可以精確地再現脈衝波前（例如 1.2 μs 波前時間）。
- 低損耗同軸電纜－將分頻器輸出的縮放訊號無失真地傳送至錄音設備。電纜的長度和阻抗與分頻器輸出的阻抗相符。
- 數位脈衝記錄器－以奈秒的時間解析度捕捉波形，用於記錄和後續的波形分析。 IEEE Std 1122-2024 標準現在已規定了脈衝記錄器必須使用的頻寬、取樣率和整體精度，以確保測得的脈衝結果可用於可信任的測試報告。
在數位時代，校準分壓器和高頻寬數位記錄器的組合，作為 IEC 60060-1:2025 標準系統的推動，用於脈衝測量系統，取代了模擬電壓表，記錄電暈電離活動以及主波形，從而為閃絡前活動提供了額外的見解。
介電強度測試與衝擊強度測試：哪個測試能證明什麼？
介電耐壓試驗（高壓試驗）和衝擊耐壓試驗均用於評估絕緣系統的絕緣性能，但它們施加應力條件的方式不同，因此識別出的失效模式也不同。混淆這兩種試驗會導致設備設計在其中一項或兩項試驗中表現不佳；深入了解每項試驗的具體內容，將有助於制定設計規範，並判斷哪一項或兩項試驗至關重要。
| 獨特之處 | 耐壓（Hipot） | 衝擊耐受性測試 |
|---|---|---|
| 測試電壓型 | 交流電源頻率（50/60 Hz） | 1.2/50 μs 脈衝（或 SI 制下的 250/2500 μs） |
| 應用持續時間 | 60秒（持續） | 每次拍攝耗時微秒；多次拍攝 |
| 它驗證了什麼 | 持續交流應力下的體絕緣完整性（介電強度） | 峰值瞬態應力下的間隙充足性 |
| 評分證實了這一點。 | Ui（額定絕緣電壓） | Uimp（額定衝擊耐受電壓） |
| 偵測到的故障模式 | 污染、老化裂縫、潮氣滲入、絕緣層過薄 | 間隙不足、波形敏感擊穿、設計缺陷 |
| 合格標準 | 無故障；漏電流在規定限值內 | 拍攝過程中未發生破壞性放電（閃絡）。 |
| 初級標準 | IEC 60947-1（低壓）；IEC 62271-1（高壓） | IEC 60060-1 + 適用產品標準 |
| DEMIKS 測試設備 | 高壓耐壓測試儀; 耐頻裝置 | 脈衝電壓產生器 |
為什麼通過一項考試並不意味著通過另一項考試
對於低電壓設備（約 2Ui + 1,000V，IEC 60947-1），介電耐壓試驗電壓與同一設備的 Uimp 值在量級上幾乎相同。例如，對於 Ui 額定值為 690V 的塑殼斷路器 (MCCB)，介電耐壓試驗電壓約為 2,380V AC，遠低於 8,000V 的峰值 Uimp。應力差異意味著這兩種試驗評估的是絕緣性能的完全不同的方面：一種試驗檢測的是本體絕緣層在緩慢增加的應力作用下的性能；另一種試驗檢測的是目標間隙幾何形狀在瞬時過衝過程中的性能。
即使設備具有一定的空氣間隙，通過 60 秒介電測試電壓並不意味著該設備在承受相同大小的衝擊電壓 (Uimp) 時也能通過測試，即使其絕緣系統相同。反之，即使設備在衝擊電壓測試中具有足夠的間隙，如果受到某種污染（這種污染不會影響短期衝擊閃絡測試），也可能無法通過工頻介電測試；兩種測試都需要進行才能可靠地確定設備的耐電性能。
DEMIKS 工頻耐壓測試儀非常適合生產線或現場調試期間的介電測試，可支援從製造到調試的所有常規耐壓測試。如果您的介電測試包含高絕緣電阻值測試，請參閱我們的指南：《了解絕緣電阻測試儀》。
脈衝測試失敗的真正原因是什麼？以及如何解讀這些結果？
脈衝測試失敗不僅僅是合格/不合格的判定，它更是一個診斷訊號。了解試驗實驗室和現場調查中四種典型的脈衝測試失敗模式，可以將不合格的樣品轉化為寶貴的設計資訊。
故障模式 1：表面閃絡
表面閃絡是衝擊試驗中最常見的失效模式。電壓不會穿透固體絕緣層，而是沿著電阻最小的路徑在表面流動－例如沿著套管、印刷電路板或絕緣體的爬電距離。當衝擊衰減時，產生的電弧熄滅，並在表面留下碳痕。
表面閃絡的根本原因有三：爬電距離不足以應付污染程度和電壓等級；導電粉塵或水膜污染表面；或幾何特徵使電場集中在絕緣體的特定邊緣或角落。增加爬電距離、塗覆保形塗層或改進電極幾何形狀可以解決大多數表面閃絡故障，而無需從元件上移除絕緣材料。
失效模式 2：大塊絕緣層被刺穿
當衝擊電壓擊穿固體絕緣材料主體時，就會發生穿刺，形成永久性導電通道。與表面閃絡不同，穿刺是不可修復的。測試樣品會被徹底破壞，無法恢復使用。在額定衝擊耐受電壓或更低電壓下發生的穿刺失效表明設計不符合其公佈的額定值——要么是絕緣層厚度不足，要么是材料存在製造缺陷，例如空隙、夾雜物或分層。
脈衝型試驗結束時發生的穿刺失效表示設計有缺陷，而非製造缺陷。必須先修改設備設計，認證試驗才能繼續進行。
故障模式 3：漸進式局部放電（亞閃絡劣化）
內部低能量空隙、放電電極邊緣或絕緣體之間的界面不會立即產生閃絡。相反，多次上升脈衝引起的反覆局部放電活動會造成漸進性損傷，使絕緣體逐漸脆化。設備在首次使用時可能會通過衝擊耐受性測試，但電阻絕緣中局部放電的長期影響會在長時間運行後導致逐漸劣化——尤其是在頻繁開關瞬態的裝置中，這些瞬態會反覆對低於衝擊閃絡閾值的絕緣體施加應力。
國際大電網會議（CIGRE）的分析表明，超過20%的斷路器在工作電壓下的故障與絕緣有關。其中許多故障是由於局部放電活動造成的累積損傷，而非衝擊耐受試驗能夠檢測到的單一擊穿。在型式試驗期間，將短期局部放電試驗與衝擊試驗並行進行，可以在發布日期之前識別潛在的局部放電故障模式及其前兆——這是僅憑合格/不合格標準無法提供的洞察力。
失效模式 4：型式試驗與例行試驗的混淆
另一種失效機制是採購錯誤，而非實際的物理故障──但其造成的現場後果可能同樣慘重。任何設備資料手冊上的Uimp值均源自經認可的實驗室對設計樣品進行的型式試驗。通常情況下，每台設備都會進行常規生產測試，以驗證製造質量，但這些測試採用較低的電壓和較短的測試時間。僅憑例行測試報告就斷定設備的Uimp值是錯誤的：例行測試僅能證明工廠內部生產的一致性，只有型式試驗才能證明設計的真實衝擊耐受值。
隨後發現，雷擊後現場故障源於採購時僅檢查了例行測試報告的設備，並且此類設備被安裝在過電壓類別中，而其 Uimp 規格低於該類別的要求——這並非 OEM 的疏忽，而是因為採購規範未能區分兩個測試級別。
脈衝測試的未來：IEC 60060-1:2025 及其變化
脈衝測試技術並非停滯不前。將於2025年發布的IEC 60060-1第四版以及新的IEEE數位記錄器標準均已納入了切實的變化，這些變化如今已在頂尖測試實驗室中得到體現。
IEC 60060-1:2025（第四版）－三個值得關注的變化
- 針對超高壓 (UHV) 應用領域的需求，第四版標準特別針對交流電壓超過 1,000 kV 或直流電壓超過 1,500 kV 的設備——這類設備正迅速湧現於亞洲和中東地區新建的巨型超高壓輸電走廊中。先前，IEC 標準並未提供具體的測試方法，而只是提供了測試的便利性。如今，為超高壓設備製造商提供服務的脈衝實驗室擁有了正式的測試流程，無需再根據具體項目做出妥協。
- 新版本更新了波形驗證程式。在高電壓等級下，被測對象內部極高的電容負載可能會造成波形畸變。 發電機電壓 波形會影響待測參數的計算－新版詳細闡述如何解決這個問題。電力變壓器實驗室在第三版中針對大型測試對象開發了一種變通方法，新版收錄了此方法。
- 第四版新增了正式的數位波形分析附錄，增加了一個專門的基於軟體的波形分析框架，以補充第三版附錄C中的手動計算方法。這正式承認了數字比較（即自動比較降壓和滿壓下的波形）現在是標準分析方法，而不是一種補充方法。
IEEE Std 1122-2024 — 數位錄音機的最低標準
與IEC更新同步，IEEE發布了Std 1122-2024標準，規定了用於脈衝電壓和電流測量的數位記錄器所需的運行參數，包括最小頻寬、取樣率、動態範圍和精度。該標準非常有用，因為並非所有數位示波器的頻寬或精度都足以滿足IEC 60060-1規定的1.2ms前端時間要求。現在，測試實驗室和採購人員在申請或評估用於脈衝測量的數位記錄器時，可以直接參考IEEE Std 1122-2024標準，而無需依賴可能不適用於脈衝測量的通用頻寬規範。
自動化和現場脈衝測試
影響脈衝測試常規實施的兩個長期趨勢是：
- 自動化測試平台將脈衝產生器控制、波形擷取、天氣校正係數計算、合格/不合格判定以及測試報告產生整合到一個軟體套件中。這最大限度地減少了人為操作失誤，提高了批量型式試驗的效率，並產生符合IEC 60060-1文件要求的標準化報告，無需人工謄寫。
- 由於100-500 kV範圍內的微型馬克思發生器可現場部署，因此對配電網路設備進行現場便攜式衝擊試驗是可行的。近期對配電開關設備現場雷電衝擊試驗的研究表明，試驗設備的校準過程無法在製造商的工廠完成，但可以在現場進行，並達到工廠校準和測試品質標準，尤其適用於那些無法合理地運送至中央實驗室的設備。此資訊對DEMIKS的客戶（他們為配電網路營運商提供服務）至關重要。
關於額定衝擊耐受電壓的常見問題
什麼是額定衝擊耐受電壓（Uimp）？
額定衝擊耐受電壓 Uimp 是指設備在不發生絕緣擊穿的情況下，能夠承受的標準 1.2/50 μs 衝擊波形的最大電壓值，以千伏峰值 (kV) 表示。低電壓設備的額定衝擊耐受電壓在 IEC 60664-1 標準中規定，中壓開關設備的額定衝擊耐受電壓在 IEC 62271-100 標準中規定。 Uimp 為峰值電壓，而非有效值 (RMS)。例如，8 kV 的 Uimp 適用於 400V 塑殼斷路器 (MCCB)。
Uimp 和 BIL 有什麼區別？
U imp（IEC）和 BIL（基本衝擊電平，IEEE）測量的是同一特性：設備能夠承受的最大衝擊電壓。兩者都使用 1.2/50 μs 的標準波形。但測試程序有所不同：IEC 的容差定義在 IEC 60060-1 中；IEEE 的容差定義在 IEEE Std 4 中；IEC 使用 20°C 作為大氣參考溫度，而 IEEE 使用 30°C；IEEE BIL 測試程序也規定了其他一些變化。經測試能夠承受特定最大 U imp 的設備，並不一定滿足相應的 BIL 要求——反之亦然。
如何進行衝擊耐受電壓測試？
衝擊試驗程序遵循IEC 60060-1標準。 Marx電路產生規定衝擊電壓U<sub>imp</sub>下的所需波形。測量天氣狀況並相應地應用修正係數。在U<sub>imp</sub>的50%~75%範圍內確認波形形狀後，對每個極性施加15次全電壓衝擊；一次閃絡即視為失效。記錄每次衝擊的波形，用於產生報告。
Uimp 要求由哪一類過電壓類別決定？
IEC 60664-1 標準描述了低電壓裝置的四種過電壓類別（OVC I-IV）。 OVC IV 與電源互連點（電錶、主開關）相關，規定了最高的衝擊耐受電壓 U imp – 對於 230/400V 電源，最高可達 6 kV。 OVC III 用於線路和固定設備，要求不低於 4 kV。 OVC II 用於工作電壓為 2.5 kV 的電器和便攜式工具。 OVC I 用於受保護的電子內部元件，且無直接線間電壓接觸，最高可達 1.5 kV。過電壓類別取決於安裝位置，而不僅僅是設備的 U imp 值。
什麼是 1.2/50 微秒波形？
1.2/50 μs 波形是 IEC 60060-1 標準中規定的標準雷擊波形。其中，數字表示：「虛擬」波前時間 T1 = 1.2 μs（或 30%~90% 歸一化電壓-時間斜率），容差為 30%；「半值時間」 T2 = 50 μs（或波前到達最大電壓 50% 所需的時間），容差為 20%。此衝擊波形近似模擬了雷電瞬態電流從外部電網傳入電氣裝置的電氣特性。 IEC 和 IEEE 使用相同的雷電波形標稱「形狀」。
雷電衝擊試驗和開關衝擊試驗有什麼不同？
雷電衝擊試驗 (LI) 採用 1.2/50 μs 波形來模擬雷電引起的突波。開關衝擊試驗 (SI) 採用 250/2500 μs 波形來模擬大型斷路器切換或長距離輸電線路投入使用時產生的緩慢上升的瞬態過程。所有適用電壓等級的電氣設備均需進行雷電衝擊試驗，而高壓設備（額定電壓約 72.5 kV 及以上）還需按照 IEC 62271-100 標準進行工頻電壓耐受試驗；在這些較高電壓下，設備具有較長的外部空氣間隙，與雷電衝擊試驗室相比，在較慢的空氣溫度下，這些溫度
11 kV 設備需要多大的 Uimp？
11 kV 設備屬於 IEC 62271-100 標準中額定電壓等級 Ur = 12 kV。此等級所需的雷擊耐受電壓 (LIWV) 為 75 kV 峰值——超過額定電壓的六倍，持續時間為 1.2 微秒。 12 kV 斷路器必須能夠承受此衝擊而不發生閃絡或絕緣擊穿。 IEC 62271-100 標準也規定了同一設備等級的單獨一分鐘工頻耐受電壓要求（通常為 28 kV RMS）。這兩項測試在中壓開關設備認證的型式試驗階段都是強制性的。
使用DEMIKS設備依照IEC 60060-1標準進行測試
DEMIKS 為發電、科研或製造認證實驗室提供完整的衝擊試驗系統，包括 100 kV 至 7,200 kV 的高壓 Marx 脈衝產生器、校準後的高壓分壓器和數位測量系統。歡迎致電我們的高壓測試專家，以取得報價或討論您的特定需求和應用範圍。
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