避雷器能量額定 Qrs vs Qth vs Wth — 三個指標物理意義完全不同（IEC 60099-4:2014 §3.57/3.72/3.73）

避雷器規格書一句「能量耐受 5 kJ/kV」常被解讀為「絕對能量上限」。但 IEC 60099-4:2014 把這個概念拆成三個獨立指標：Qrs（§3.57）、Qth（§3.72）、Wth（§3.73）——三者單位、量測條件、物理意義完全不同，混用會讓避雷器選型嚴重失準。

本文逐層拆 2014 改版後的新分類體系（取代舊 line discharge class）、三指標差異對照、規格書避坑模板。

2014 改版背景：為何捨棄 line discharge class

IEC 60099-4:2014 改版引言（OCR line 525）原文：

“A new concept of arrester classification and energy withstand testing was introduced: the line discharge classification was replaced by a classification based on repetitive charge transfer rating (Qrs), as well as on thermal energy rating (Wth) and thermal charge transfer rating (Qth), respectively.”

關鍵字：「the line discharge classification was replaced」（舊體系被取代）。改版理由：

舊 line discharge class 1~5 過於粗糙：只看單次衝擊承受能力，不分「短時 vs 長時」、「衝擊 vs 熱效應」
不同避雷器應用差異被掩蓋：distribution class（配電型）與 station class（變電所型）需求差異大，同一 class 套用不準
熱效應與衝擊效應不同物理機制：應分別量測

§3.57 + §3.72 + §3.73 三指標即是新體系，清楚區分「重複衝擊壽命累積」vs「單次熱事件耐受」。

三指標對照表（IEC 60099-4:2014）

指標	條款	全名	單位	量測條件	物理意義
Qrs	§3.57	repetitive charge transfer rating	C（庫倫）	多次衝擊累積	長期機械/電氣退化門檻
Qth	§3.72	thermal charge transfer rating	C（庫倫）	3 分鐘內單次累積	即刻熱穩定門檻
Wth	§3.73	thermal energy rating	kJ/kV of Ur	3 分鐘內單次累積	即刻熱穩定門檻（能量制）

Qrs — 多次衝擊累積（§3.57）

完整 OCR 引述（搭配 §3.57 與 §8.5 試驗章節）：

§8.5 — “Test to verify the repetitive charge transfer rating, Qrs” §8.5.4 — “Rated values of repetitive charge transfer rating, Qrs”

物理意義：避雷器一輩子可承受多次重複衝擊累積的總電荷上限。每次雷擊累加一點，達到 Qrs 即避雷器壽命終止。

實務：架空線雷區頻繁雷擊環境，Qrs 是核心指標。distribution class（5 kA / 10 kA In）的 Qrs 通常 < station class（10 kA / 20 kA In）。

Qth — 單次熱穩定（§3.72，OCR line 980）

完整定義（OCR 引述）：

“thermal charge transfer rating … maximum specified charge that may be transferred through an arrester or arrester section within 3 minutes in a thermal recovery test without causing a thermal runaway”

物理意義：3 分鐘內避雷器可吸收的最大電荷，不致觸發 §3.74 thermal runaway（熱崩潰）。

注意關鍵字「within 3 minutes」——這是即時事件容忍度，不是長期累積。Qrs 累積一輩子；Qth 是「這 3 分鐘給我吃多少電荷我都還能維持熱穩定」。

驗證方式（§3.72 NOTE 1）：「This rating is verified by the operating duty type test」（依運轉責任型式試驗驗證）。

Wth — 單次熱能量（§3.73，OCR line 986）

完整定義（OCR 引述）：

“thermal energy rating … maximum specified energy, given in kJ/kV of Ur, that may be injected into an arrester or arrester section within 3 minutes in a thermal recovery test without causing a thermal runaway”

物理意義：與 Qth 平行的指標——同樣是 3 分鐘內熱穩定上限，但單位是能量（kJ/kV），不是電荷（C）。

Qth vs Wth 為何分兩個：在不同電流波形下，「電荷」與「能量」的限制機制不同。某些波形先到 Qth 上限，某些先到 Wth 上限。設計避雷器時兩個都要考慮。

§3.73 NOTE 1：「This rating is verified by the operating duty type test」（同 Qth）。

§3.74 + §3.75：熱崩潰 vs 熱穩定

理解三指標前需先理解這兩個 boundary 條件：

§3.74 thermal runaway（熱崩潰，OCR line 990~995）

“situation when the sustained power loss of an arrester exceeds the thermal dissipation capability of the housing and connections, leading to a cumulative increase in the temperature of the MO resistor elements culminating in failure”

避雷器發熱量 > 散熱能力 → 溫度持續上升 → MO 電阻元件失效。Qth、Wth 即是「不觸發此狀態」的最大值。

§3.75 thermal stability（熱穩定，OCR line 996）

“state of an arrester if, after an operating duty causing temperature rise, the temperature of the MO resistors decreases with time when the arrester is energized at specified continuous operating voltage and at specified ambient conditions”

意思是：吸收能量後，避雷器在持續運轉電壓（Uc）與額定環境條件下，MO 電阻溫度會隨時間下降——即避雷器「能自己冷下來」。這是運轉條件，不是試驗結果。

實務：地理位置高溫地區（如台灣中南部夏季 35 °C+）需驗證避雷器在當地 ambient 下仍能滿足 §3.75。

Distribution class vs Station class 配對

IEC 60099-4:2014 同一段（OCR line 525）續：

“Requirements depend on the intended arrester application, being either a distribution class arrester (of In = 2,5 kA; 5 kA or 10 kA) or a station class arrester (of In = 10 kA or 20 kA).”

對照 §3.16（distribution class）與 §3.65（station class）：

應用	In	Qrs 典型範圍（業界 working values）	Qth/Wth 典型範圍
Distribution	2.5/5/10 kA	0.4~1.6 C	0.6~~3.0 C / 1~~4 kJ/kV
Station	10/20 kA	1.6~4.5 C	4.0~~10 C / 4~~10 kJ/kV

注意：上表業界 working values，非 IEC 條款規範值。IEC 60099-4:2014 §8.5.4 + Table 5（Qth）+ §3.73 註解列出實際 rated values，採購時依該表為準。

規格書避坑範本（業界 working example，非標準規範文字）

反面教材

❌「避雷器能量耐受 ≥ 5 kJ/kV」

這句話沒指 Qth、Wth、或 Qrs 哪一個。賣方有權詮釋為「Qth 5 C 對應 ~5 kJ/kV」（極弱避雷器），也可能給 Wth 5 kJ/kV（station class 入門款）。

正解

5.X 避雷器
5.X.1 標準依據：IEC 60099-4:2014
5.X.2 額定電壓 Ur：100 kV（依 §3.54）
5.X.3 連續運轉電壓 Uc：78 kV（依 §3.10）
5.X.4 額定衝擊放電電流 In：10 kA（依 §3.40，station class）
5.X.5 重複充電額定 Qrs：2.5 C（依 §3.57，§8.5 試驗）
5.X.6 熱充電額定 Qth：4.5 C（依 §3.72，§8.X 試驗）
5.X.7 熱能量額定 Wth：5 kJ/kV of Ur（依 §3.73，§8.X 試驗）
5.X.8 熱穩定確認：依 §3.75，環境溫度 50 °C 下持續供電 Uc 後 MO 溫度可下降
5.X.9 鄉場驗收：reference current Ire 與 reference voltage Uref（§7.2）
5.X.10 殘餘電壓量測：依 §9.1(b)，Ur > 1 kV 強制要求

關鍵差異——5.X.5 + 5.X.6 + 5.X.7 三項分開要求，賣方無從以「平均」或「概估」混淆。

三個常見採購陷阱

陷阱 1：把 Qrs 當「絕對能量耐受」

Qrs 是重複累積門檻——避雷器一輩子吸收的電荷總額。一次強雷擊吃 0.5 C，Qrs = 2.5 C 表示理論上可承受 5 次強雷擊累積。但單次事件能不能承受由 Qth/Wth 決定，不是 Qrs。

陷阱 2：忽略「3 分鐘」時間窗

Qth、Wth 都是 3 分鐘內事件容忍度。若實際操作（如 OLTC 切換、再閉路 79）造成多次連續事件，每次間隔 < 3 分鐘，能量會疊加累積——避雷器可能在 Qth 標稱值內仍熱崩潰。

正解：實務採購規格 5.X.6/5.X.7 額外加 50% 安全餘裕（業界 working margin）。

陷阱 3：把 line discharge class 當主要指標

舊 IEC 60099-4 (2009 版以前) 用 line discharge class 1~5 簡單分類。2014 改版後正式取代為 Qrs/Qth/Wth 三軌。仍以 class 為主指標的規格書 = 過時規格，賣方可能拒絕簽認。

對應 PowerLex 條目

完整定義：

SA-001 metal-oxide surge arrester — 避雷器主類別
SA-002 rated voltage of an arrester (Ur)
SA-005 nominal discharge current (In)
SA-022 station class arrester（vs distribution class SA-021）
SA-028 repetitive charge transfer rating (Qrs)
SA-029 thermal charge transfer rating (Qth)
SA-030 thermal energy rating (Wth)
SA-044 thermal stability
互動圖：surge-arrester-cross-section（剖面 + V-I 曲線含 SIPL/LIPL/STIPL 五層保護位準）
對應檢測：TEST-SA-RF-001 參考電壓、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. §3.16 distribution class、§3.40 nominal discharge current、§3.54 rated voltage Ur、§3.57 Qrs、§3.65 station class、§3.72 Qth、§3.73 Wth、§3.74 thermal runaway、§3.75 thermal stability、§7.2 reference voltage measurement、§8.5 Qrs verification test + Table、§9.1(a) reference voltage routine、§9.1(b) residual voltage routine（Ur > 1 kV 強制）、Annex L 新舊分類體系比較。
註：本文之 Qrs/Qth/Wth 典型範圍對照表、5.X 規格書模板、3 分鐘安全餘裕建議均屬業界 working example，非 IEC 條款規範文字。實際採購應對照 IEC 60099-4:2014 §8.5.4 + Table 5 之 rated values。