當單級SPD不能將入侵的沖擊過電壓抑制到規定保護電平以下時，就要采用含有二級、三級或更多級非線性抑制元件的SPD。
非線性元件Rv2和Rv2都是壓敏電阻，實用中RV1也可以使氣體放電管，RV2也可以是穩壓管或浪涌抑制二極管（TVS管）。兩極之間的隔離元件Zs可以是電感Ls或電阻Rs，若RV1和RV2的導通電壓分別是Un1和Un2，所選用的元件總是Un2>Un1。繼電保護測試儀是總結目前國內同類產品優缺點，充分使用現代先進的微電子技術和器件實現的一種新型小型化微機繼電保護測試儀。相位伏安表是具有多種電量測量功能的儀表。
有人認為，當入侵沖擊波加在X-E端子上時，總是一級RV1先導銅，然后才是第二級。實際上，一級或第二級先導通都是可能的，這取決于以下因素：
(1)入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的聲速（di/dt）；
(2)非線性元件Rv1和RV2的導通電壓Un1和Un2的相對大小；
(3)隔離阻抗Zs的性質是電阻還是電感，以及它們的大小。
當Zs為電阻Rs時，多數情況是第二級先導通。第二級導通后，當沖擊電流I上升到iRs＋Un2≥Un1是一級才導通。一級導通后，由于在大電流下一級的等效阻抗比Rs加第二級的等效阻抗之和小得多。因而大部分沖擊電流經一級泄放，而經第二級泄放的電流則要小得多。若一級為氣體放電管，它導通后的殘壓通常低于第二級的導通電壓Un2，于是第二級截止，剩余沖擊電流全部經一級氣體放電管泄放。
若Zs為電感Ls，且侵入電流一開始的上升速度相當快，條件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到滿足,則一級先導通。若一級導通時的限制電壓為Uc1(1),則以后隨著入侵沖擊電流升速(di/dt)的下降，當條件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到滿足時，第二級才導通。第二級導通后，將輸出端Y的電壓，抑制在一個較低的電平上。
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