1. 过电压类别的定义
过电压类别（OV Category）是电网中最关键的绝缘设计坐标——它告诉你设备安装位置可能遭受多高的瞬态过电压，CAT 等级每升高一级，脉冲耐压和电气间隙要求就会显著增加，选错 CAT 等级意味着产品在真实电网环境中可能发生绝缘击穿
IEC 61010-1 第 3.5.17 条对**过电压类别（Overvoltage Category）**的定义如下：
Overvoltage category: numeral defining a transient overvoltage condition.
简单理解：过电压类别是一个数字编号，它描述了设备安装位置在电网中可能遇到的瞬态过电压的严重程度。这个编号来源于 IEC 60364-4-44（低压电气装置标准），IEC 61010-1 直接引用了这个分类体系并将其应用于测量、控制和实验室设备的安全设计。
过电压类别分为四个等级：CAT I、CAT II、CAT III、CAT IV，其中 CAT IV 是最严格的等级。
1.1 关键概念区分：瞬态过电压 vs 暂时过电压
| 概念 | 英文 | 定义依据 | 典型来源 | 持续时间 |
|---|---|---|---|---|
| 瞬态过电压 | Transient overvoltage | 3.5.17（OV Category 相关） | 雷击、开关操作、故障清除 | 微秒至毫秒级 |
| 暂时过电压 | Temporary overvoltage (TOV) | 第 1302 行注释 | 中性线断线、相线接地故障 | 数秒至数小时 |
工程师提示： 瞬态过电压靠绝缘配合（电气间隙+脉冲耐压）来防护，暂时过电压靠额定电压选择和保护器件来应对。两者不能混淆——你用 CAT 等级解决的是瞬态问题，不等于解决了 TOV 问题。
1.2 为什么需要过电压类别
电网从发电厂到你的设备，经过多级变压和配电。每一级的瞬态过电压衰减程度不同：
- 靠近电源入口（变压器出线端）的位置，雷击和操作过电压几乎不衰减
- 经过建筑内部配电线缆的阻抗，瞬态过电压会显著衰减
- 经过隔离变压器或保护电路后，瞬态过电压进一步降低
因此，标准将电网分成四个"区域"，每个区域定义了一个标称脉冲耐压值。
2. 四级过电压类别的详细说明
下表中的数据来自 IEC 60364-4-44 表 443.2，以 300V 标称系统电压为例：
| CAT 等级 | 安装位置 | 标称脉冲耐压（300V 系统） | 典型设备举例 | 过电压来源特征 |
|---|---|---|---|---|
| CAT IV | 电源引入点 | 6000V | 电表、进线断路器、架空线引入设备 | 几乎不衰减的雷击和操作过电压 |
| CAT III | 固定安装 | 4000V | 配电盘、工业设备、电机、永久连接设备 | 经建筑物配电线路衰减的瞬态过电压 |
| CAT II | 插座连接设备 | 2500V | 家用电器、便携式工具、插头连接设备 | 经配电盘和分支线路两层衰减 |
| CAT I | 经保护后的电路 | ~1500V | 信号级电子电路、已受保护的设备内部电路 | 经过电子保护装置大量衰减的残余过电压 |
2.1 CAT IV —— 电源引入点（Origin of Installation）
CAT IV 是最高的过电压类别。设备如果用于建筑物的电源进线处、架空线引入、或电表前端，就必须按 CAT IV 设计。
典型场景：
- 电度表和进线主断路器
- 架空线路引入建筑物处的设备
- 户外变压器出线端附近设备
- 主配电柜的总进线部分
脉冲耐压要求（以 300V 系统为例）：6000V
这意味着 CAT IV 设备必须承受 6kV 的脉冲电压而不发生绝缘击穿。
工程师提示： CAT IV 的 6000V 脉冲耐压非常高，实际设计时电气间隙往往需要数毫米。如果你设计的设备明确用于配电柜进线侧，务必在设计初期就考虑这个要求。
2.2 CAT III —— 固定安装设备（Fixed Installation）
CAT III 适用于永久连接到建筑物固定线路的设备，即配电盘的出线回路和工业固定设备。
典型场景：
- 配电盘出线断路器和开关
- 工业电机和驱动器
- 永久连接的 HVAC 设备
- 固定安装的照明配电设备
脉冲耐压要求（以 300V 系统为例）：4000V
2.3 CAT II —— 插座连接设备（Energy-Consuming Equipment）
CAT II 适用于通过插头和插座供电的设备，这是大多数消费类、商用和实验室设备的默认等级。
典型场景：
- 家用电器（洗衣机、冰箱、电视）
- 便携式电动工具
- 台式实验室仪器
- 插头连接的工业设备
脉冲耐压要求（以 300V 系统为例）：2500V
IEC 61010-1 中大部分设备的默认设计基准是 CAT II。主标准正文的表 4、表 5、表 6、表 7 都是基于 CAT II 条件给出的。
2.4 CAT I —— 受保护电路（Protected Circuits）
CAT I 适用于已经经过充分保护的电子电路，通常是设备内部经过变压器、滤波器和瞬态保护器件后的次级电路。
典型场景：
- 隔离变压器二次侧
- 经过 SPD（浪涌保护器）后的电路
- 低压直流信号电路
- 已受电子保护的数据通信接口
脉冲耐压要求（以 300V 系统为例）：约 1500V
工程师提示： CAT I 不能单独标记在产品上——它只用于内部电路设计。设备的外部和用户可接触部分的额定值必须至少是 CAT II。
3. CAT 等级与 IEC 61010-1 表格的对应关系
IEC 61010-1 根据不同 CAT 等级分别给出了电气间隙和爬电距离要求，对应的表格如下：
| CAT 等级与电压范围 | 电气间隙表格 | 爬电距离表格 | 脉冲耐压表格 |
|---|---|---|---|
| CAT II ≤ 300V | 正文表 4 | 正文表 7 | 正文表 5 |
| CAT II > 300V | 附录 K.2 | 附录 K.2 | 附录 K.2 |
| CAT III | 附录 K.3 | 附录 K.3 | 附录 K.3 |
| CAT IV | 附录 K.4 | 附录 K.4 | 附录 K.4 |
3.1 CAT II ≤ 300V 示例数据（来自正文表 4）
| 线-中线电压（L-N） | 电气间隙（基本绝缘） | 爬电距离 PD2 PWB |
|---|---|---|
| ≤ 150V | 0.5mm | 0.5mm |
| > 150V ~ ≤ 300V | 1.5mm | 1.5mm |
这是最常见的电压范围——绝大多数 220V 供电的台式仪器都在这个范围内。
3.2 CAT 等级对电气间隙的"加严效应"
以 300V 工作电压为例，不同 CAT 等级对电气间隙的要求：
| CAT 等级 | 脉冲耐压 | 均匀电场电气间隙（大约值） |
|---|---|---|
| CAT II | 2500V | ~1.5mm |
| CAT III | 4000V | ~3.0mm |
| CAT IV | 6000V | ~5.5mm |
可以清楚看到：CAT 每升一级，电气间隙大约翻倍。
4. 设备标记要求
IEC 61010-1 第 5 条要求设备必须标记以下信息：
- 额定电压范围（如 100-240V AC）
- 额定频率（50/60Hz）
- 过电压类别（CAT II 或 CAT III 等）
- 额定污染等级（通常 PD2）
典型的设备铭牌示例：
RATED: 100-240V~ 50/60Hz 100VA
OVERVOLTAGE CATEGORY II
POLLUTION DEGREE 2
工程师提示： 如果你设计的是便携式设备且通过标准插头供电，默认标 CAT II。如果是永久接线设备，需要标 CAT III。不要在 CAT II 设备上标记 CAT III——这会让用户以为它适合安装在配电盘里，造成安全隐患。
5. SVG：建筑配电系统中的 CAT 等级分布
6. 实际设计影响
6.1 电气间隙设计
CAT 等级直接影响**电气间隙（clearance）**的选择。电气间隙是为了防止空气击穿，其大小由脉冲耐压决定——而脉冲耐压又由 CAT 等级决定。
设计流程：
- 确定设备的安装位置 → 确定 CAT 等级
- 根据工作电压和 CAT 等级 → 查表确定脉冲耐压
- 根据脉冲耐压和污染等级 → 确定最小电气间隙
- 如果海拔超过 2000m → 乘以海拔修正系数
6.2 爬电距离
爬电距离主要由工作电压有效值和**材料组别（CTI）**决定，不直接受 CAT 等级影响。但实际设计中，电气间隙和爬电距离取较大值。
6.3 脉冲耐压测试
设备必须通过对应 CAT 等级的脉冲耐压测试（1.2/50μs 波形），测试电压来自正文表 5 或附录 K 表格。测试条件：
- 每个绝缘路径施加 3 次正极性脉冲和 3 次负极性脉冲
- 脉冲之间间隔至少 1 秒
- 不发生击穿或闪络为合格
7. 常见误区
- "我的设备内部有隔离变压器，就可以降级到 CAT I" — 不对。CAT I 不能标记在产品上，设备的额定 CAT 等级由其电源连接方式决定，不是由内部保护决定。
- "CAT III 设备比 CAT II 更安全更好" — 不对。CAT 等级必须匹配实际安装位置。在插座上使用 CAT III 标记的设备虽然更安全，但会误导用户。
- "过电压类别只影响耐受测试，不影响设计" — 大错特错。CAT 等级直接决定电气间隙要求，是影响 PCB layout 的核心参数之一。
8. 参考来源
- IEC 61010-1:2010+AMD1:2016 CSV, Clause 3.5.17 (Overvoltage category definition)
- IEC 61010-1:2010+AMD1:2016 CSV, Clause 5 (Marking requirements)
- IEC 61010-1:2010+AMD1:2016 CSV, Table 4, Table 5, Table 6, Table 7 (CAT II ≤300V data)
- IEC 61010-1:2010+AMD1:2016 CSV, Annex K.2, K.3, K.4 (CAT II >300V, CAT III, CAT IV data)
- IEC 60364-4-44, Table 443.2 (Rated impulse withstand voltage for overvoltage categories)
- IEC 61010-1:2010, line 1302 (Temporary overvoltage note)