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摘要：随着直流开关电器日益广泛地应用， 我国目前与之匹配的标准和检测能力却仍显不足 。梳理了直流断路器 、直流熔断器、 直流接触器 3 类中低压直流开关电器现行的国家标准和行业标准， 从标准分布 、标准制修订 、标准采标等情况总结了我国现行标 准体系的特点 。首先厘清标准的适用范围， 详细对比了上述标准的适用对象和产品主参数; 其次， 以直流开关电器的分断能力为 重点研究对象， 对上述标准的分断能力表征及其限值进行了比较; 最后， 对上述标准分断能力试验的试验方法 、试验步骤 、试验 电路进行了详细对比 。对系统了解我国中低压直流开关电器分断能力的检测方法标准及试验系统设计具有参考意义 。在上述分析 基础上， 总结并展望了目前直流开关电器试验系统及检测标准的难点及未来发展方向。
关键词： 中低压直流开关电器,分断能力检测,标准
Review of Breaking Capacity Limits and Detection Standards for Medium and Low Voltage DC Switching Device
Zhao Jing1. Bai Chengzong1. Yang Renxu2
( 1. Guangdong Institution of Standardization, Guangzhou 510240. China;
2. Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision, Guangzhou 510220. China)
Abstract: With the increasingly widespread application of DC switchgear, the current related standard and detection capability in China is still insufficient. The current national and industry standards of three types of medium and low voltage DC switchgear were sorted out , such as DC circuit breakers, DC fuses and DC contactors, the characteristics of China's current standard system were summarized from the standard distribution, standard setting and revision, adoption of international standards. Firstly, the application scope was clarified, and the applicable objects and main product parameters of above standards were compared in detail . Secondly, focusing on the breaking capacity of DC switchgear, the characterization of breaking capacity and its limits of the above standards were compared . Finally, the test methods, test steps and test circuits of breaking capacity tests in above standards were compared in detail . The research has reference significance for systematically understanding the detection methods and test system design of the breaking capacity of medium and low voltage DC switchgear in China. On the basis of above analysis, the difficulties and future development directions of the current DC switchgear test system and testing standards were summarized and prospected.
Key words: medium and low voltage DC switchgear; breaking capacity detection; standards
0 引言
直流开关电器是应用在直流回路中， 用于接通或分 断一个或几个电路中电流的器件 。本文以直流开关电器 的分断能力为研究内容， 讨论的对象只限于可以关合或 分断负荷电流 、故障电流的直流开关电器， 包括直流断 路器 、直流熔断器 、直流接触器 3 类器件 。上述器件用 于直流系统运行方式转换或故障切除， 可对直流配电系 统的设施和电气进行过载和短路保护， 在输电系统 、轨 道交通 、船舶供电系统 、光伏系统 、机车的直流电路中 被广泛应用。
分断能力是上述器件的核心性能， 其开断速度 、开 断可靠性 、承受短路电流的能力都是影响直流开关电器质量的关键因素 。因直流电流不存在自然过零点， 无法 应用成熟的交流灭弧单元， 直流系统中感性元件存储了 较大能量等原因[1]， 因此直流电路开断的难度要高于交 流电路 。对直流开关电器开断能力的试验是直流开关电 器性能试验的核心， 也是考验一个试验系统的关键试验 能力。
额定工作电压大于或等于 6 kV 的直流开关器件， 最 常见的如直流断路器， 其特点为高电压大电流 。严苛的 工作条件对其性能提出了更高的要求， 同时其拓扑结构 也与中低压直流断路器显著不同[2]， 导致其检测方法与 中低压直流断路器的完全不同， 目前以合成试验法居 多[3] 。 由于其技术路线多样化， 产品尚未完全定型 。一般来说， 分为机械式直流断路器 、全固态式直流断路器、 机械开关与固态开关混合式直流断路器 3 大类 。而额定 工作电压介于 220 V~3 kV 的直流开关电器是目前应用较 为广泛和成熟的一类， 其结构普遍为机械式 。产品基本 定型， 标准配套齐全 。本文重点以此类器件为研究对象， 讨论目前现行相关标准的分断能力表征 、限值差异和试 验方法的差异， 以期为中低压直流开关电器分断能力试 验系统设计和改造提供依据。
1 现行标准比较
目前中低压直流开关电器 (限于直流断路器 、直流 熔断器 、直流接触器 3 类) 现行的国家标准 、行业标准 如表 1 所示 。标准的特点如下。
( 1 ) 基本覆盖了中低压直流开关电器的常用领域， 如轨道交通牵引系统 、电动汽车 、光伏系统 、铁路机车 车辆等 。其中断路器标准居多， 接触器 、熔断体标准数 量少 。从上述标准的修订情况来看， 标龄短的标准较多， 标准实时性较好 。值得一提的是， 目前现行标准对 IEC 标准的采标， 尤其是引用， 存在版本滞后的现象。
( 2 ) 中低压直流开关电器的国家标准体系与 IEC 标 准体系基本保持一致， 采标率很高， 且与直流开关电器 3C 认证范围一致[4] 。GB/T 34581—2017 无对口可采标的 标准， 但标准中引用了 GB/T 14048 系列标准 。原因为 PV 系统用直流断路器的运行条件与 GB/T 14048.2 规定的通 用直流断路器并不相同， 其性能要求 、检测方法部分符 合 GB/T 14048.2.
( 3 ) 现行的行业标准同样与 IEC 标准体系有较大的 关联性， IEC 通用的检测方法和性能指标界定部分可适 用于行业标准， 行业标准更多的是根据产品的特性和运 行条件的不同提出差异化的性能要求和检测方法。
2 适用对象比较
对上述标准的适用对象进行比较如下。
( 1 ) GB/T 14048.2—2020 的适用对象为主触头用来 接入额定电压不超过交流 1 kV 或直流 1.5 kV 电路中的断 路器 。标准为直流断路器的通用技术要求， 对工作电压 和电流无规定， 可广泛适用于各类直流断路器， 并提供 通用的检测方法。
( 2 ) GB/T 25890.2—2010 适用对象为牵引系统地面 装置用直流断路器， 包括快速限流断路器 H 、高速限流 断路器 V 、半快速限流断路器 S 。断路器标称电压优选值 介于 0.6~3 kV， 额定短路电流优选值介于 31.5~ 125 kA。
( 3 ) GB/T 34581—2017 适用对象为直流额定电压不 超过 1.5 kV 光伏 ( PV ) 系统的直流断路器， 额定工作电 压优选值介于 300~ 1 500 V。
( 4 ) GB/T 21413.3—2008 的适用对象为标称电压不 超过直流 3 kV 的机车车辆用断路器与直流主电路和/或辅 助电路相连接的主接触器。
( 5 ) JB/T 5796—2021 的适用对象为直流 1.5 kV 及以 下的断路器。
( 6 ) NB/T 10330—2019 的适用对象为主触头用来接 入额定电压不超过直流 1.5 kV 的电动汽车用直流接触器。 额定工作电压优选值介于 150 V~1.5 kV。
( 7 ) NB/T 10329—2019 适 用 对 象 为 直 流 额 定 电 压 1.5 kV 及以下的 、采用锂离子动力蓄电池驱动的电动汽 车保护用直流熔断体， 包括“g”熔断体 (全范围分断能 力熔断体)、“a”熔断体 (部分范围分断能力熔断体)。 额定电压小于或等于 1.5 kV， 额定电流介于 6~800 A。
( 8 ) TB/T 2767—2010 适用对象为机车车辆主电路、 辅助电路和控制使用的额定电压最大至 3 kV， 额定电流 最大至 3 150 A 的直流接触器。
从以上对比可知， 中低压直流开关电器的额定工作 电压最高至 1.5 kV 或 3 kV， 且 1.5 kV 居多 。额定工作电 流最高可至 125 kA， 但不同应用领域最高值相差较大 。 断路器和熔断体属大电流， 接触器为小电流。
GB/T 25890.2—2010 、 NB/T 10329—2019 对 产 品 按 分断能力进行了分类， 且不同类型的分断能力检测要求 不 同， 体 现 了 标 准 的 合 理 性 。 同 时， GB/T 25890.2— 2010 、 NB/T 10329—2019 、 GB/T 34581—2017 、 NB/T 10330—2019 、TB/T 2767—2010 、JB 5796—2021 均规定 有额定电压和/或额定电流 (器件主参数) 的优选值， 说明上述领域的产品成熟度较高 。GB/T 21413.3— 2008 标龄较长， 且标准中未明确额定电压和额定电流的优 选值 。
3 分断能力比较
分断能力是直流开关电器的核心能力， 重点对比上述标准的分断能力限值及测试方法 。上述标准对分断能 力定义和限值及其测试标准如表 2 所示。
由此可见， 上述标准对于分断能力有较为统一的认知， 即器件能分断其额定分断能力的电流值， 额定分断 能力为在规定的分断条件 (分断条件主要指试验电路的 时间常数 、电压 、电流) 下能良好分断的预期电流值。
对于断路器， 额定短路分断能力定义为额定运行短 路分断能力和额定极限短路分断能力 。全部开关电器均 需进行额定运行短路分断能力检验， 有的断路器类型还需进行额定极限短路分断能力检验， 如 GB/T 34581— 2017 、GB/T 14048.2—2020 、JB 5796—2021 属此类 。额 定极限短路分断能力较额定运行短路分断能力来说， 是 一种更为严苛的能力， 两者均是以预期分断电流来表征， 按两者的试验条件不同， 一般来说后者的预期分断电流 至 少 为 前 者 的 25%[7] 。 GB/T 34581—2017 和 JB 5796— 2021 均采用 GB/T 14048.2—2008 的额定运行短路分断能 力和极限短路分断能力的试验方法。
在此基础上， 有的标准有更为详细的要求， 如 GB/T34581—2017 还要求检测正向与反向电流和临界负载电 流 (指在使用条件范围内燃弧时间明显延长的分断电流)。
对于熔断器， 与断路器的定义类似， 即在满足时间 常数的条件下， 能分断其预期电流以下电流范围的任何 电流， 但不同的是要考虑电弧电压。
接触器一般定义为接通和分断能力， 具体定义为在 不同时间常数 (使用负载) 下， 应能接通和分断指定的 试验电流， 且通电时间和间隔时间的要求， 同时试验次 数应能达到要求的操作循环次数 。其中， 试验电流与间 隔时间存在对应关系 。此类试验比较接近接触器实际的 使 用 状 态， 如 NB/T 10330—2019 、 TB/T 2767—2010. GB/T 21413.3—2008 情况比较特殊， 标准同时适用断路 器和主接触器， 表征为额定短路接通与分断能力， 具体 定义为额定工作电压的接通/分断电流值。
从限值来说， 基本上没标准规定短路电流限值， 一般 由制造商规定， 只有 NB/T 10329—2019 规定有 10 kA 的 下限 。有的标准对分断过程有明确的限值要求， 如 GB/T 25890.2—2010 对分断时间 、全分断时间 、[di/dt]_( t=0 ) 等有要求， 这也加大了检测的难度， 但对考核真实分断 性能大有裨益。
4 试验方法比较
从分断能力试验的试验方法 、试验步骤 、试验电路 进行对比。
试验步骤一般包括调校 、试验 、维护 、试验后状态 检查 。调校指调整试验电流稳态值和时间常数， 以适应 不同的试验条件 。试验为在规定的试验条件下， 验证分 断能力的一套试验或单一试验 。维护指试验间对部件的 清洁 、替换等 。试验后状态检查指对开关电器的性能、 外观的检查， 以确认其符合试验通过的要求。
在试验方法方面断路器有两种试验体系， 一是 GB/T 14048.2 的试验体系， GB/T 34581—2017 、GB/T 14048.2 —2020 、JB 5796—2021 均遵循 GB/T 14048 系列标准的试 验方法， 或在 GB/T 14048.2 基础上增加补充条款 。GB/T 14048.2 中额定运行短路分断能力和额定极限短路分断能 力要求符合一定的试验程序 。额定运行短路分断能力试 验程序包括： 额定运行短路分断能力——验证操作性能 能力——验证介电耐受能力——验证温升——验证过载 脱扣器 。额定极限短路分断能力试验程序包括： 验证过 载脱扣器——额定极限短路分断能力——验证介电耐受 能力——验证过载脱扣器。
GB/T 25890.2—2010 为另一种试验体系， 需同时验 证断路器在短路工况下关合和开断短路电流的性能， 且 在 f (最大故障)、 ff (最大正向故障) 和 fr (最大反向故 障) 三种负载下均需验证， 且需准确测量断路器分断过 程的要求指标。
熔断器其原理为测试在不同额定电流下熔断后， 恢 复电压应能保持在额定电压一定时间， 且熔断时出现的 电弧电压不超过限值 。熔断器与断路器分断能力试验区 别在于， 熔断器分断试验前需要预热。
接触器的接通与分断能力均要求同时试验， 但试验 方法并不统一， NB/T 10330—2019 采用 GB/T 14048. 1— 2012 的接通和分断能力试验方法加补充条款 。TB/T 2767 —2010 并未指明方法， 按制造商和用户的要求进行 。 GB/T 21413.3—2008 的额定短路接通与分断能力试验包 括在不同时间常数 ( T1~T4 ) 时短路条件下接通与分断能 力、介电强度验证、温升验证、脱扣操作验证一整套流程。
在试验步骤方面， 调校为必需步骤且功能大致类似。 在操作顺序， 断路器基本相似， 如 GB/T 14048.2—2008 中额定运行短路分断能力的操作顺序为 O-t-CO-t-CO， 额定短路分断能力的操作顺序为 O-t-CO 。GB/T 25890.2 —2010 为 O- 15 s-CO， GB/T 21413.3—2008 为 O-t1-CO- t2-CO， 可以看出断开与闭合之间有时间间隔， 但间隔时 间并不长 (最长不超过 3min)。 维护一般只允许在最后 一个操作程序才能进行， 较高压断路器严苛很多[6]。
试验后检查基本要求一致， 即被试品应保持性能和 功能正常， 断路器不出现重击穿， 熔断器不出现引燃; 试验完毕后， 基本都要求对断路器进行通断验证 。其他 如 泄 漏 电 流 检 测 ( NB/T 10329—2019 、GB/T 25890.2— 2010 )、 温升试验 ( GB/T 25890.2 )、 计算每次分断时的 热应力 ( GB/T 21413.3—2008 ) 等要求各标准不尽试验 电 路 方 面， GB/T 34581—2017 、 GB/T 14048.2—2020、 NB/T 10330—2019 试 验 电 路 是 一 致 的， 均 采 用 GB/T 14048. 1—2012 的试验电路 (见 8.3.4. 1.2 )， 其可适用于单 极 、双极电器的直流试验 。GB/T 21413.3—2008 与 GB/T 14048. 1 的 试 验 电 路 类 似 。 GB/T 25890.2-2010 与 GB/T 14048. 1 实现功能类似， 电路功能更为全面 。NB/T 10329 —2019 采用 GB/T 13539. 1—2015 中 8.5.2 ~ 8.5.4.
试验电路结构相似， 均采用直接试验方法， 即加在 被试样品两端的电压 、流过被试样品的电流以及被试样 品两端的恢复电压全部取自一个电源回路[13] 。试验电路 一般包括保护电路 、测量电路 、调节电路 。调节电路为 通过串接可调电阻器 R 和可调电抗器 L 以调节试验回路 的时间常数和电流值 。保护电路通常使用熔断器和串接 电阻， 起到限制和检测故障电流的作用 。测量电路用于 被试样品两端电压和流过被试样品的电流。
5 研究结论
本文综合对比我国中低压直流开关电器现行标准中 分断能力限值和检测方法， 得出以下结论。
( 1 ) 额定工作电压介于 220 V~3 kV 的直流开关电器 现行国家标准 、行业标准基本覆盖了中低压直流开关电器的常用领域， 如轨道交通牵引系统 、电动汽车 、光伏 系统 、铁路机车车辆， 标准体系完整， 但标准还不能完 全满足产品发展的需要。
( 2 ) 断路器 、接触器 、熔断器对分断能力的定义基 本相同， 即能够分断额定分断能力的电流值， 但对额定 分断能力的表征有差异 。 同时有的标准已出现了对分断 过程的要求。
( 3 ) 我国直流开关电器分断能力试验体系基本与 IEC 保持一致， 上述器件在分断能力试验方面可共用试 验系统， 但在试验程序 、结果判别方面有差异。
6 结束语
开断直流电流是直流输配电系统中的重要难题， 近 年来， 随着直流开关电器的应用越来越广泛， 对直流开 关电器性能的试验验证需求也不断增加 。但目前试验方 法和试验系统的配套相对滞后， 相关公共检测服务能力 不足 。标准既是产品性能检测的依据， 也是试验系统的 设计和试验开展的依据， 应增加标准与检测的有效联动。 本文通过对中低压直流开关电器的分断能力及检测方法 进行综述， 旨在为直流开关电器试验系统的设计和改造 提供参考 。未来， 将在试验系统及标准方面有以下的发 力点。
( 1 ) 在中低压直流开关电器试验系统方面， 我国交 流大容量试验站虽取得了长足的发展， 但是现有的直流 开关试验系统多是以电网为试验电源的低压系统， 其存 在试验容量小、参数调节不便、试品和工况单一、试验时 间和次数受限等不足， 大容量的试验系统亟待突破[14] 。截 至目前， 在中低压区间， 国内还没有电压超过 DC3 000 V 的 直 流 大 容 量 试 验 系 统， 华 南 地 区 没 有 电 压 超 过 DC1 500 V 、25 kA 的试验系统， 我国直流大容量试验系 统的检测能力在提高电压 、电流 、电流上升率和时间常 数延长 、纹波系数降低等方面有待提升 。此外， 由于试 验系统对电源要求高， 为了降低成本， 提高试验系统的 利用率， 交直一体的试验系统也成为试验系统设计或改 造的一个技术趋势[15]， 但交流选相合闸装置[16] 、直流大 电流测量传感器[17]和高压的大电流整流元件[18]等关键器 件或组件有待研发。
( 2 ) 在标准方面， 不同用途的开关电器因使用工况 条件和用途的不同， 导致试验条件和方法的差异， 尤其 是机车用的直流开关电器与普通直流开关电器的试验要 求存在较大差异， 有待进一步讨论 。 同时， 由于直流电 流分断过程中产生的过电压远远超过交流电流分断过程 产生的过电压， 直流开关分断电流时电弧更复杂多变， 为了保证试验结果的准确性， 以及具有更高的重现性， 宜进一步细化对试验的各个环节要求， 如： 预期电流与 实际试验电流允差规定等。
( 3 ) 在高压直流开关电器试验系统方面， 试验系统 基本都是面向高压直流断路器的试验用途 。高压直流断 路器主要应用于柔性直流输电工程的电路开断， 是重要 的技术瓶颈， 其中以混合式 、机械式高压直流断路器应 用居多 。因高压直流断路器的拓扑结构与中低压直流断 路器不同， 因此试验系统与中低压不通用 。我国在高压 直流断路器具备多条独立的技术路线[19-22]和较高的试验 水平， 相继涌现出西高院 160 kV 、25 kA 的直流断路器 试验系统[23] 、舟山 200 kV 直流断路器试验系统[24] 、全球 能源互联网研究院 500 kV 整机直流断路器试验系统[19] 等， 并将创新成果形成了行业标准[25-26]， 下一步亟待将 我国标准上升为国际标准， 但仍面临一些问题： 如高压 直流断路器试验方法本身不够成熟， 仍有很多问题处于 探索研究中， 如试验方法的等效性[27-28]， 不同试验方法的 验证和持续优化[29-30]， 试验系统成本可靠性方面的综合考 量， 才能真正将试验系统推向应用; 直流输电工程在海 外应用规模还有待提升， 更多的工程应用经验有待积累。
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