避雷器 5 種電流衝擊波形 — 8/20、4/10、1/20、30~100 μs、200~230 μs 試驗用途完整對照（IEC 60099-4:2014）

採購規格書「LIPL ≤ 350 kV」是常見要求，但賣方提供型式試驗報告時可能用「8/20 波 10 kA」、「4/10 波 100 kA」、「30/60 μs 波 1.6 kA」、「2 ms 矩形波」、「200 μs 半波 100 A」五種完全不同電流波形測出的數據——選錯波形對應的殘餘電壓，採購驗收會放過根本不合格的避雷器。

本文逐波形拆 IEC 60099-4:2014 五種試驗電流的物理意義、時間參數、對應 LIPL/SIPL/STIPL 三層保護位準的量測用途，及採購規格書避坑模板。

五種波形總覽

波形	條款	時間參數	對應 PowerLex 條目	主要試驗用途
8/20 lightning current impulse	§3.31	前緣 7~~9 μs / 半值 18~~22 μs	SA-015	LIPL（殘餘電壓型式試驗，§8.3）
4/10 high current impulse	§3.25	前緣 4 μs / 半值 10 μs	SA-016	conditioning 試驗（Table 4）
1/20 steep current impulse	§3.66	前緣 0.9~1.1 μs / 半值 ≤ 20 μs	SA-017	STIPL 殘餘電壓
30~100 μs switching current impulse	§3.68	前緣 > 30 μs 但 < 100 μs / 半值 ≈ 2× 前緣	SA-027	SIPL 殘餘電壓
200~230 μs lightning impulse discharge	§3.32	正弦半波，瞬時值 > 5% 峰值持續 200~230 μs	SA-036	能量負擔型式試驗（§8.X）
長時矩形 long-duration current impulse	§3.35	矩形波，2~4 ms 總持續	SA-032	站類能量負擔（§H.X）

8/20 — 雷擊電流衝擊（最常見）

IEC 60099-4:2014 §3.31（OCR line 802）原文：

“8/20 current impulse with limits on the adjustment of equipment such that the measured values are from 7 μs to 9 μs for the virtual front time and from 18 μs to 22 μs for the time to half-value on the tail”

參數：

前緣（virtual front time）：8 μs ± 1 μs
半值時間（time to half-value）：20 μs ± 2 μs
形狀：雙指數曲線

用途：LIPL（lightning impulse protection level，§3.33）量測——避雷器對 8/20 波的最大殘餘電壓。這是規格書最常出現的數值（如「LIPL ≤ 350 kV at 10 kA」）。

§3.31 NOTE 1：「The time to half-value on the tail is not critical and may have any tolerance during the residual voltage type tests」（殘餘電壓試驗時尾部半值時間不嚴格，可有任意容差）— 因為殘餘電壓主要由前緣決定。

實務：避雷器例行試驗（§9.1(b)）強制使用 0.01~2 倍 In 的 8/20 波量測殘餘電壓，每具避雷器都要驗。

4/10 — 高電流衝擊（conditioning 用）

§3.25（OCR Table 4 line 476）。參數：

前緣 4 μs / 半值 10 μs（更陡更短）
峰值大於 8/20（站類 100 kA 級）

用途：conditioning 試驗（OCR line 1836）—型式試驗前的「老化模擬」：

“Conditioning Station class arresters: Two high current impulses (as per Table 4); Distribution class arresters: One high current impulse”

意義：模擬避雷器一輩子可能遇到的最強雷擊，先「壓力測試」再做正式型式試驗。不用於規格書一般採購要求，主要影響型式試驗報告的 sample 處理。

1/20 — 陡波電流衝擊（STIPL）

§3.66（OCR line 956）原文：

“current impulse with a virtual front time of 1 μs with limits in the adjustment of equipment such that the measured values are from 0,9 μs to 1,1 μs and the virtual time to half-value on the tail is not longer than 20 μs”

參數：

前緣 0.9~1.1 μs（比 8/20 更陡）
半值 ≤ 20 μs
模擬：直接雷擊架空線後傳遞至設備端的快速波

用途：STIPL（steep current impulse protection level，§3.67）量測：

§3.67 OCR：「the maximum residual voltage of the arrester for a steep current impulse of magnitude equal to the magnitude of the nominal discharge current」

對 nominal discharge current（In，§3.40）的殘餘電壓。為何要分 1/20 與 8/20？因為避雷器內部 MO 材料對「上升速率（dv/dt）」敏感——更陡的波形觸發更快的 V-I 特性曲線轉換點，殘餘電壓通常比 8/20 高 5~15%（業界 working observation）。

實務上，靠近輸電線路接收端的避雷器（如變電所第一具）保護需求關鍵指標即 STIPL，不是 LIPL。

30~100 μs — 開關電流衝擊（SIPL）

§3.68（OCR line 965）原文：

“peak value of discharge current having a virtual front time greater than 30 μs but less than 100 μs and a virtual time to half-value on the tail of roughly twice the virtual front time”

參數：

前緣 30~~100 μs（比 8/20 慢 4~~12 倍，遠較雷擊「鈍」）
半值 ≈ 2× 前緣（如 30/60、50/100、100/200 等組合都符合）
模擬：開關操作（如電容器投切、長線投切）造成的 switching surge

用途：SIPL（switching impulse protection level，§3.69）量測：

§3.69 OCR：「the maximum residual voltage of the arrester for the switching impulse discharge current specified for its class」

對應該避雷器 class（station SH/SM/SL）的開關電流。SIPL 典型遠低於 LIPL——因為避雷器對慢波形的殘餘電壓較低（V-I 特性曲線在較低電流端）。

實務：超高壓（≥ 245 kV）系統的 switching surge 是絕緣設計主要威脅（不是雷擊），SIPL 才是這類系統的核心避雷器規格。

200~230 μs — 雷擊衝擊放電（能量試驗）

§3.32（OCR line 808）原文：

“an approximately sine half-wave current impulse having a time duration within 200 μs to 230 μs during which the instantaneous value of the impulse current is greater than 5% of its peak value”

參數：

正弦半波（不是雙指數）
5% 以上峰值持續 200~230 μs
等同「持續較長時間的中等強度電流」

用途：能量負擔型式試驗——驗證 Qrs / Qth / Wth（避雷器三能量指標，見 Blog 14）的承受能力。不用於殘餘電壓量測。

NOTE（OCR line 1782）：「an ideally sinusoidal half-wave current of 200 μs base time in case of the lightning impulse discharges」

這個波形重要在於「避雷器吸熱量」遠大於 8/20——因為時間長 10 倍以上，總電荷與總能量也大 10 倍以上。能量耐受是避雷器壽命的核心指標。

長時矩形 — long-duration current impulse（站類能量）

§3.35（OCR line 820）原文：

“rectangular current impulse which rises rapidly to maximum value, remains substantially constant for a specified period and then falls rapidly to zero, with defining parameters being polarity, peak value, virtual duration of the peak and virtual total duration”

參數：

矩形波
持續 2~~4 ms（ms 級，比 200~~230 μs 又長 10 倍）

用途：站類避雷器（station class）能量負擔試驗，模擬：

線路長線投切造成的 trapped charge 放電
故障期間長時間電流流動

§8.X OCR 引述（line 1731）：

“for arresters not intended for application on overhead transmission or distribution lines (i.e. intended for use in stations): long-duration (rectangular) impulses of 2 ms to 4 ms virtual total duration or unipolar sine half-wave impulses of 2 ms to 4 ms total duration”

NGLA（non-gapped line arrester）等距類避雷器則用 8/20 或 §3.32 半波取代（OCR line 1706）。

採購規格書避坑範本（業界 working example，非標準規範文字）

5.X 避雷器（IEC 60099-4:2014 station class）
5.X.1 額定電壓 Ur：100 kV
5.X.2 連續運轉電壓 Uc：78 kV
5.X.3 額定衝擊放電電流 In：10 kA
5.X.4 殘餘電壓三層保護位準（依不同電流波形量測）：
   - LIPL（lightning impulse protection level，§3.33）：≤ 270 kV
     測量條件：8/20 波（§3.31），10 kA（即 In）
   - SIPL（switching impulse protection level，§3.69）：≤ 230 kV
     測量條件：30/60 μs 波（§3.68），1.6 kA（依 class）
   - STIPL（steep current impulse protection level，§3.67）：≤ 290 kV
     測量條件：1/20 波（§3.66），10 kA（即 In）
5.X.5 能量耐受 Qrs（§3.57）：2.5 C
   測量條件：§3.32 200~230 μs 半波或 §3.35 2~4 ms 矩形波
5.X.6 高電流耐受（conditioning，§3.25 Table 4）：
   2 次 4/10 波（站類），峰值依 Table 4
5.X.7 廠驗報告須含：
   - 8.3 殘餘電壓型式試驗報告（含 8/20 + 1/20 + 30~100 μs 三波形）
   - §H.X 能量負擔試驗報告（含 §3.32 / §3.35 波形）

關鍵差異 — 5.X.4 不指定波形，賣方可能全部用 8/20 量測（最低數值，最易過關），STIPL 與 SIPL 號稱合格但實際未被驗證。

三個常見規格書陷阱

陷阱 1：把 LIPL 當「最大耐受電壓」

LIPL 是「8/20 波形下的最大殘餘電壓」，不是「任何條件下都不會超過」。實際 STIPL 通常 5~15% 高於 LIPL，SIPL 則低於 LIPL。三者都要分別指定。

陷阱 2：以為 LIPL 與 STIPL 等同

§3.66 vs §3.31 波形時間差 8 倍。MO 材料對 dv/dt 敏感 → STIPL 不可由 LIPL 推算，必須各自量測。

陷阱 3：忽略能量試驗波形

§3.32 與 §3.35 是能量耐受試驗，與殘餘電壓無關。規格書 5.X.5 若不指定波形，賣方可用最寬鬆的 8/20 量測 Qrs，實際避雷器可能撐不過真實線路 trapped charge 事件。

對應 PowerLex 條目

完整定義：

SA-014 discharge current of an arrester — 總概念
SA-015 lightning current impulse (8/20)
SA-016 high current impulse (4/10)
SA-017 steep current impulse (1/20)
SA-027 switching current impulse (30~100 μs)
SA-032 long-duration current impulse (矩形)
SA-036 lightning impulse discharge (200~230 μs 半波)
互動圖：surge-arrester-cross-section（V-I 曲線含五波形對應殘餘電壓位置）
對應檢測：TEST-SA-RS-001 殘餘電壓

引用來源

IEC 60099-4:2014（Edition 3.0）, Surge arresters – Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems. §3.25 high current impulse、§3.31 lightning current impulse、§3.32 lightning impulse discharge、§3.33 LIPL、§3.35 long-duration current impulse、§3.40 In、§3.66 steep current impulse、§3.67 STIPL、§3.68 switching current impulse、§3.69 SIPL、§8.3 residual voltage type test、Annex H lightning impulse discharge capability、Table 4 high current impulse requirements。
註：本文之 5.X 規格書模板、STIPL vs LIPL 5~15% 差異、超高壓 SIPL 主導性等屬業界 working example，非 IEC 條款規範文字。實際採購應對照 IEC 60099-4:2014 §8.3 + Table 1 之 rated values。