家用和類似用途直流小型斷路器標準研究

劉金琰，安海川

(1.上海電器科學研究院，上海200063; 2.上海良信電器股份有限公司，上海201206)

家用和類似用途直流小型斷路器標準研究

劉金琰1，安海川2

(1.上海電器科學研究院，上海200063; 2.上海良信電器股份有限公司，上海201206)

劉金琰(1966—)，女，高級工程師，從事終端電器標準化工作。

介紹了家用和類似用途直流小型斷路器標準的研究情況，闡述了直流小型斷路器國家標準制定的主要內(nèi)容。指出在直流電源系統(tǒng)的直流電路中應選用直流專用斷路器，對于不能滿足可靠分斷直流電流的交流斷路器或交/直流斷路器，應更換為符合GB/T 10963.3的直流專用小型斷路器。

直流小型斷路器;國家標準;YD/T 2378—2011;DL/T 5044—2014

0 引言

隨著風電、太陽能等新能源行業(yè)、通信行業(yè)和軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，直流技術(shù)和直流配電網(wǎng)絡得到越來越廣泛的應用。直流供電系統(tǒng)容量的持續(xù)增長和負荷密度的增加，使得短路故障電流的開斷也面臨嚴重的困難。在直流電源系統(tǒng)應用斷路器進行保護時，不但要考慮負載的容量、電壓允許范圍等常見參數(shù)，還要重點考慮正常負載、過負載與短路的電流范圍，因此開發(fā)與研制新型直流斷路器一直是低壓電器企業(yè)努力的方向。

由于直流電路和交流電路最大的區(qū)別在于電流波形沒有過零點，使得直流和交流電路保護的架構(gòu)設(shè)計在信號采樣、分斷機構(gòu)、觸頭材料、形狀設(shè)計等方面都有不同。這些不同決定了直流斷路器特定的分斷能力和滅弧方式，使故障電路在最短時間內(nèi)分斷隔離。目前，低壓電器行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)相繼推出了一系列直流專用斷路器和相關(guān)的應用方案，故市場急需適用標準來指導和規(guī)范我國處于迅速發(fā)展過程中的直流斷路器的生產(chǎn)、制造及驗證。

1 制定直流小型斷路器標準的需求

1.1 概述

傳統(tǒng)負載和用電設(shè)備都適用于交流電網(wǎng)絡，目前市場上大量使用的交流小型斷路器(Miniature Circuit Breaker，MCB)符合GB 10963.1—2005《電氣附件家用及類似場所用過電流保護斷路器第1部分:用于交流的斷路器》(IEC 60898-1: 2002，IDT)［1］。交流MCB在沒有經(jīng)過專門的設(shè)計和相關(guān)分斷試驗的情況下，在直流電網(wǎng)的實際分斷能力會遠遠低于交流電的情況，這是因為直流電流與交流電流最大的不同是沒有過零點。交流斷路器靠交流電弧過零滅弧。直流斷路器靠磁吹或其他原理滅弧，直流電弧產(chǎn)生后，在一定的維持電壓下電弧可以持續(xù)燃燒，所以滅弧要困難得多。直流電流在整個分斷過程中都需要由觸頭和滅弧室來消耗分斷產(chǎn)生的電弧能量，對主動、靜觸頭的耐壓性能和滅弧室的電弧導引設(shè)計都提出相對更高的要求。因此，在直流系統(tǒng)中應選用直流專用斷路器，不能用交流斷路器代替直流斷路器。

目前市場已有的直流MCB多是在交流MCB基礎(chǔ)上的派生產(chǎn)品，分別符合GB 14048.2—2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分:斷路器》(IEC 60947-2:2006)［2］和GB 10963.2—2008《家用及類似場所用過電流保護斷路器第2部分:用于交流和直流的斷路器》(IEC 60898-2: 2003)［3］。GB 14048.2—2008是適用于交流1 000 V或直流1 500 V及以下的各種電流、各種結(jié)構(gòu)斷路器的通用標準;而GB 10963.2—2008是針對供非專業(yè)人員使用的交/直流斷路器的標準，要求符合GB 10963.2—2008的直流斷路器首先應符合GB 10963.1—2005中的交流斷路器性能和結(jié)構(gòu)安全性能要求，再通過GB 10963.2—2008標準中的直流試驗項目。因此，對于僅應用于純直流系統(tǒng)MCB，符合GB 10963.2—2008不僅增加了產(chǎn)品生產(chǎn)成本和檢測認證成本，還在一定程度上提高了斷路器的制造成本。各生產(chǎn)廠家推出的用于直流系統(tǒng)的MCB，其結(jié)構(gòu)主要在交流MCB基礎(chǔ)上增加磁吹滅弧裝置，以保證直流電弧的迅速滅弧。由于直流斷路器內(nèi)裝配了磁吹系統(tǒng)，意味著直流產(chǎn)品應用于交流分斷時存在電弧反吹(電弧存在極性)的情況，所以直流產(chǎn)品應用于交流環(huán)境時極限分斷能力及電氣壽命均會降低。交流型產(chǎn)品應用于直流環(huán)境，則需要較大的降容才可實現(xiàn)，且很多廠家均無法給出交流型產(chǎn)品應用于直流環(huán)境的參數(shù)。交/直流MCB無論是用于交流系統(tǒng)還是用于直流系統(tǒng)，其性能及保護特性均受到相互制約，因此市場急需制定純直流MCB標準來規(guī)范專用直流系統(tǒng)的MCB的生產(chǎn)、應用，并達到節(jié)能、減排的目的。

1.2 國內(nèi)外直流MCB產(chǎn)品及標準情況

2001年北京人民電器廠建立我國第一個2 000 Ah蓄電池組直流系統(tǒng)試驗站，進行了蓄電池充放電、直流系統(tǒng)保護電器的技術(shù)性能和級差配合性能的試驗研究工作，為企業(yè)直流系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)、應用提供了研究試驗基地，開發(fā)了具備三段保護特性的全選擇性直流斷路器，解決了直流系統(tǒng)保護級差配合的問題。

上海良信電器有限公司的直流斷路器系列產(chǎn)品是針對電力工程直流電源系統(tǒng)中對直流斷路器的特殊要求專門開發(fā)的，包括具有過載、短路保護功能的兩段式直流MCB和具有過載長延時、短路短延時、短路瞬動保護功能的三段式MCB。

北京ABB低壓電器有限公司的直流MCB采用特殊的磁吹及滅弧系統(tǒng)，使電弧在沒有達到最大值時被吹進滅弧室，可迅速分斷直流配電系統(tǒng)的故障電流，產(chǎn)品廣泛應用于電力工程、電信通信、醫(yī)療設(shè)備供電等領(lǐng)域。

北京北元電器有限公司系列無極性MCB，采用無極接線方式，避免正負接線錯誤造成的事故。產(chǎn)品廣泛用于電廠、變電站、電信、交通、冶金和工礦業(yè)等，對建筑及類似場所的直流系統(tǒng)線路設(shè)施、電氣設(shè)備進行過電流保護。

德國也有類似的直流斷路器產(chǎn)品，目前已制定VDE 0641-14:2015標準《家用及類似場所用過電流保護斷路器第3部分:用于直流的斷路器》(DIN EN 60898-3:2015)［4］。德國2011年向國際電工委員會(IEC)提出了制定直流斷路器的國際標準提案，由于提案中包括戶外使用的直流斷路器，如電動汽車用和光伏用等，超出了家用和類似用途的研究范圍而難以協(xié)調(diào)，投票未獲通過。所以該項工作在IEC內(nèi)部長期處于停滯狀態(tài)。2015年我國重新提出該項國際標準提案，已通過立項，將按預留標準號為IEC 60898-3進行國際標準起草工作。

2 標準制定研究的內(nèi)容

目前，國內(nèi)外直流MCB產(chǎn)品主要用于數(shù)據(jù)中心、電廠和變電站、新能源、軌道交通以及光伏發(fā)電的直流系統(tǒng)，分別符合YD/T 2378—2011《通信用240 V直流供電系統(tǒng)》［5］、DL/T 5044—2014《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》［6］、CGC/GF 037:2014《光伏匯流設(shè)備技術(shù)規(guī)范》［7］、CGC-R46045:2012《電子電氣產(chǎn)品認證實施規(guī)則低壓直流斷路器》［8］及VDE 0641-14的要求。

2.1DL/T 5044—2014研究

根據(jù)火力發(fā)電廠直流系統(tǒng)設(shè)備選型及運行情況，變電站、換流站直流系統(tǒng)情況，直流系統(tǒng)保護電器選擇性配合及直流系統(tǒng)新技術(shù)、新設(shè)備應用情況，DL/T 5044—2014做出下述相關(guān)規(guī)定。

220 V和110 V直流系統(tǒng)應采用蓄電池組，在正常運行情況下，直流母線電壓應為直流系統(tǒng)標稱電壓的105%。在均衡充電運行情況下，直流母線電壓應滿足如下要求:①專供控制負荷的直流系統(tǒng)，應不高于直流系統(tǒng)標稱電壓的110%;②專供動力負荷的直流系統(tǒng)，應不高于直流系統(tǒng)標稱電壓的112.5%;③對控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統(tǒng)，應不高于直流系統(tǒng)標稱電壓的110%。在事故放電末期，蓄電池組出口端電壓應不低于直流系統(tǒng)標稱電壓的87.5%。

保護電器選擇應符合下列規(guī)定:①對于蓄電池出口回路，宜采用熔斷器，也可采用具有選擇性保護的直流斷路器;②對于充電裝置直流側(cè)出口回路、直流饋線回路(包括直流電動機回路)和蓄電池試驗放電回路，應采用直流斷路器，當直流斷路器有極性要求時，對充電裝置回路應采用反極性接線;③作為保護電器，直流斷路器的下級不應使用熔斷器。

直流系統(tǒng)保護電器選擇性配合應考慮直流網(wǎng)絡接線、蓄電池組容量和內(nèi)阻、電纜長度和截面、直流斷路器型式和額定電流等因素的影響，合理配置各級保護電器，滿足選擇性保護要求。目前標準型二段式MCB，脫扣器瞬時動作范圍值為(7～15)In，而塑殼斷路器脫扣器瞬時動作范圍值為(8～12)In，因分散性大，實現(xiàn)上下級選擇性配合難度較大。

直流斷路器選擇應符合:①額定電壓應不小于回路的最高工作電壓;②額定電流應大于回路的最大工作電流;③直流系統(tǒng)應急聯(lián)絡斷路器額定電流應不大于蓄電池出口熔斷器額定電流的50%;④斷流能力應滿足直流系統(tǒng)短路電流的要求;⑤當采用短路短延時保護時，直流斷路器額定短時耐受電流應大于裝設(shè)地點的最大短路電流;⑥各級斷路器的保護動作電流和動作時間應滿足上、下級選擇性配合要求，且應有足夠的靈敏系數(shù)。

因此，根據(jù)DL/T 5044—2014及其條文說明的要求，制定純直流MCB標準時，應考慮如下因素:①額定電壓為220 V或110 V;②220 V和110 V直流系統(tǒng)應采用不接地方式;③電壓偏差應不高于直流系統(tǒng)標稱電壓的112.5%，且不低于直流系統(tǒng)標稱電壓的87.5%;④直流斷路器最好無極性要求;⑤符合GB 10963.2—2008的直流保護電器瞬動特性已不太適應實際工程的需要。

2.2 YD/T 2378—2011研究

IT設(shè)備供電技術(shù)應用研究是通信領(lǐng)域長期研究的課題，目前研究熱點聚集在高壓直流。在用電設(shè)備本身不作改動的基礎(chǔ)上，改善現(xiàn)行通信網(wǎng)絡上使用交流380V/220V供電的通信設(shè)備的可靠性，體現(xiàn)安全用電、節(jié)能降耗理念，并結(jié)合各電信運營商近年來推廣應用的成功經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，制定了YD/T 2378—2011。

YD/T 2378—2011適用于通信局站和數(shù)據(jù)機房中向通信設(shè)備供電、標稱電壓為240 V的直流供電系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由交流配電部分、高頻開關(guān)整流模塊、蓄電池組、直流配電部分、監(jiān)控單元以及絕緣監(jiān)察裝置等組成。系統(tǒng)的模塊額定輸出電流為5、10、20、30、40、50、80、100 A，使用時正、負極均不得接地，采用懸浮方式供電，系統(tǒng)應具備絕緣監(jiān)察功能。直流輸出的過流保護要求:①輸出全程正、負極都應安裝過流保護器件進行保護;②直流輸出各級配電應滿足級差配合要求;③直流輸出各級配電(末級除外)應采用熔斷器或直流斷路器保護;④直流輸出末級配電(通信設(shè)備輸入端)應采用直流斷路器保護;⑤采用的直流斷路器或熔斷器都應與系統(tǒng)的直流電壓相適應。啟動引起的輸入沖擊電流應不大于額定輸入電壓條件下最大穩(wěn)態(tài)輸入電流峰值的150%。

根據(jù)通信用直流供電系統(tǒng)研究情況，制定純直流MCB標準時，應考慮如下因素:

(1)以覆蓋98%IT總數(shù)量的240 V直流供電系統(tǒng)的行業(yè)標準YD/T 2378—2011為依據(jù)。

(2)標稱電壓為240 V的直流供電系統(tǒng)，其電壓變化范圍為204～288 V。

(3)使用時正、負極均不得接地，采用懸浮方式供電。

(4)直流斷路器最好無極性要求。

(5)儲運溫度為－40～70℃。

(6)直流輸出的過流保護要求直流輸出各級配電應滿足級差配合要求，直流輸出各級配電(末級除外)應采用熔斷器或直流斷路器保護;直流輸出末級配電(通信設(shè)備輸入端)應采用直流斷路器保護。

(7)開關(guān)機過沖幅度引起直流輸出電壓變化的最大峰值應不超過直流輸出電壓整定值的5%。啟動引起的輸入電流(浪涌電流)應不大于額定輸入電壓條件下最大穩(wěn)態(tài)輸入電流峰值的150%。

2.3 CGC/GF 037:2014及CGC-R46045:2012研究

根據(jù)對CGC/GF 037:2014和CGC-R46045: 2012認證技術(shù)規(guī)范研究情況，制定純直流MCB標準時，應考慮如下因素:

(1)光伏用斷路器主要符合GB 14048.2—2008和IEC 60947-2的附錄P，但對于用于光伏匯流箱保護的MCB，如果環(huán)境參數(shù)、電參數(shù)適合，符合GB/T 10963.3的直流MCB應可以在光伏一定范圍內(nèi)使用。

(2)臨界負載電流試驗方法中需做百余次試驗，適合產(chǎn)品研發(fā)的摸底試驗，不適合用于純直流MCB標準。

(3)無極性斷路器對電流方向沒有要求。2.4VDE 0641研究

根據(jù)VDE 0641研究情況，制定純直流MCB標準時，應考慮如下因素:

(1)GB 10963.3應采納相關(guān)內(nèi)容，如涌入電流、瞬時脫扣的標準范圍、二極斷路器的單極接通和分斷能力Icn1等。

(2)電壓范圍按我國實際應用情況，參考標準YD/T 2378—2011電信標稱電壓240 V、浮充電壓288 V，確定單極斷路器額定直流電壓不超過250 V，二極斷路器不超過500 V，比較合理。

3 國家標準制定的主要內(nèi)容

3.1 直流MCB標準編制的原則

根據(jù)不同應用場所，具體分析了直流系統(tǒng)特征參數(shù)、故障特征等，確定直流系統(tǒng)相關(guān)保護參數(shù)(如直流MCB標準適用范圍、最大工作電壓/電流、時間常數(shù)、短路能力)的原則。

(1)符合相關(guān)國家和行業(yè)規(guī)程的要求，如DL/T 5044—2014、YD/T 2378—2011、CGC/GF 037:2014及CGC-R46045:2012等。

(2)參考國際先進國家的有關(guān)標準，如VDE 0641(DIN EN 60898-3:2015)。

(3)適當考慮行業(yè)及各企業(yè)的產(chǎn)品實際應用情況。

3.2 標準解決的問題

標準起草過程中，討論最為集中的問題如下:

(1)對于“不應區(qū)別直流系統(tǒng)的接地方式，因為現(xiàn)有直流應用電源既有接地也有不接地的使用方式”，工作組討論后規(guī)定:“本部分的斷路器也適用于采用懸浮供電方式(不接地)的直流電源系統(tǒng)，但應符合特定的短路試驗要求?！?/p>

(2)在直流供電系統(tǒng)的實際運行過程中，有時需要分斷臨界電流，而臨界負載電流遠小于斷路器的額定電流，使得分斷臨界負載電流時電弧本身產(chǎn)生的磁場很弱，自身的磁吹作用不夠強烈，電弧在滅弧室中的運動困難，從而導致臨界小電流的開斷非常困難。因此，建議臨界電流試驗方法采用“在試驗電壓為1.05倍額定工作電壓下，試驗電流從4In開始，以50%的遞減率進行試驗，最小試驗電流不等于5%In，試驗的時間常數(shù)符合標準規(guī)定”。工作組討論后認為建議的試驗方法可作為產(chǎn)品研發(fā)過程中摸出臨界電流點的試驗方法。標準中驗證臨界電流型式試驗方法仍按GB 10963.2的要求比較合理。

(3)規(guī)定了“預期在規(guī)定的更嚴酷的環(huán)境溫度條件下使用的直流斷路器的分類”。如果環(huán)境參數(shù)、電參數(shù)適合，符合GB/T 10963.3的直流MCB應可以在光伏一定范圍內(nèi)使用。

(4)規(guī)定了適合于不接地直流電源系統(tǒng)中使用的額定電壓為220 V/440 V的二極斷路器的短路試驗。

(5)規(guī)定瞬動倍數(shù)應為B型(3In～5In)、C型(5In～10In)。因直流系統(tǒng)中容量有限，短路電流偏小。該標準為直流專用標準，所以沒有必要和交流兼用，應符合實際情況。

3.3 標準制定的核心內(nèi)容

經(jīng)過標準工作組和研究小組共同研究，確定了GB/T 10963.3的關(guān)鍵技術(shù)指標。

(1)根據(jù)出口電壓要求，規(guī)定單極斷路器額定直流電壓不超過250 V，二極斷路器不超過500 V。

(2)根據(jù)直流電流小負載電流和小短路電流難分斷的特點，規(guī)定臨界電流(包括臨界負載電流和臨界短路電流)的定義及驗證的試驗方法。

(3)二極斷路器的單極額定短路分斷能力Icn1的定義及驗證的試驗方法。

(4)根據(jù)應用場所的實際需求，繼電保護應用中小電流值比較多的要求，增加1、3、4 A小電流的額定電流優(yōu)選值。

(5)根據(jù)應用場所的保護特性，瞬時脫扣范圍確定為:B型為3In＜I≤5In;C型為5In＜I≤10In;X型為x1In＜I≤x2In。增加X特性的目的主要是方便實現(xiàn)選擇性保護，并將各個廠家的產(chǎn)品瞬時脫扣整定值逐漸協(xié)調(diào)一致。

(6)根據(jù)懸浮供電方式的特點，確定直流MCB特定的短路試驗要求(適合于不接地直流電源系統(tǒng)中使用的額定電壓為220 V/440 V的二極斷路器的短路試驗)。

4 結(jié)語

直流配電相對于交流配電一直以來都是一個很小的市場，因此相應的系統(tǒng)集成商、供應商也不多。隨著新能源的崛起、數(shù)據(jù)電信行業(yè)的發(fā)展、軌交的普及和變頻器等節(jié)能環(huán)保設(shè)備的廣泛使用，直流技術(shù)和直流配電網(wǎng)絡的應用也受到越來越廣泛的關(guān)注。

對于MCB，符合GB 10963.l—2005標準的為交流型MCB;符合GB 10963.2—2008標準的為交/直流型MCB。從上述的兩個標準名稱可以看出，目前市場上的直流MCB其實是交/直流通用型;符合GB 10963.2—2008的產(chǎn)品既可應用于直流系統(tǒng)，也可應用于交流系統(tǒng)，選型時存在交/直流型產(chǎn)品不是純直流的情況，可能存在使用隱患。因此，在直流電源系統(tǒng)的直流電路中應選用直流專用斷路器，不應用交流斷路器代替直流斷路器。對現(xiàn)有不能滿足可靠分斷直流電流的交流斷路器或交/直流斷路器，應通過技術(shù)改造逐步更換為符合GB/T 10963.3標準的直流專用MCB。

［1］GB 10963.1—2005電氣附件家用及類似場所用過電流保護斷路器第1部分:用于交流的斷路器［S］.

［2］GB 14048.2—2008低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分:斷路器［S］.

［3］GB 10963.2—2008家用及類似場所用過電流保護斷路器第2部分:用于交流和直流的斷路器［S］.

［4］VDE 0641:2015Electricalaccessories－Circuitbreakers for overcurrent protection for household and similar installations－Part 3:Circuit-breakers for d.c.operation(DIN EN 60898-3:2015)［S］.

［5］YD/T 2378—2011通信用240 V直流供電系統(tǒng)［S］.

［6］DL/T 5044—2014電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］CGC/GF 037:2014光伏匯流設(shè)備技術(shù)規(guī)范［S］.

［8］CGC-R46045:2012電子電氣產(chǎn)品認證實施規(guī)則低壓直流斷路器［S］.

［9］23E/895/NP，PNW 23E-895 Electrical accessories－Circuit-breakersforovercurrentprotectionfor household and similar installations－Part 3:Circuitbreakers for d.c.operation［S］.

［10］23E/911/RVN，IEC60898-3Ed.1Circuitbreakers for overcurrent protection for household and similar installations－Part 3:Circuit-breakers for d.c.operation［S］.

Research on Standard of d.c.Miniature Circuit Breaker for Domestic and Similar Purposes

LIU Jinyan1，AN Haichuan2
(1.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute，Shanghai 200063，China; 2.Shanghai Liangxin Electrical Co.，Ltd.，Shanghai 201206，China)

The paper introduced the research on the standard of DC miniature circuit breaker(DCMCB)for domestic and similar purposes.The main contents of DCMCB national standard were elaborated。It is pointed out that DCMCB should be selected in the DC circuit of DC power supply system.The DCMCB that comply with GB/T 10963.3，should replace the AC circuit breaker or AC/DC circuit breaker which can＇t meet the reliable breaking.

DC miniature circuit breaker(MCB);national standard;YD/T 2378—2011;DL/T 5044—

TM 561

A

1674-8417(2015)11-0040-05

2015－07－10

安海川(1984—)，男，工程師，從事小型斷路器的開發(fā)與應用。