中低壓直流開關電器分斷能力限值與檢測標準綜述*

趙 婧，白承宗，楊仁旭

（1.廣東省標準化研究院，廣州 510240；2.廣東產品質量監督檢驗研究院，廣州 510220）

0 引言

直流開關電器是應用在直流回路中，用于接通或分斷一個或幾個電路中電流的器件。本文以直流開關電器的分斷能力為研究內容，討論的對象只限于可以關合或分斷負荷電流、故障電流的直流開關電器，包括直流斷路器、直流熔斷器、直流接觸器3類器件。上述器件用于直流系統運行方式轉換或故障切除，可對直流配電系統的設施和電氣進行過載和短路保護，在輸電系統、軌道交通、船舶供電系統、光伏系統、機車的直流電路中被廣泛應用。

分斷能力是上述器件的核心性能，其開斷速度、開斷可靠性、承受短路電流的能力都是影響直流開關電器質量的關鍵因素。因直流電流不存在自然過零點，無法應用成熟的交流滅弧單元，直流系統中感性元件存儲了較大能量等原因[1]，因此直流電路開斷的難度要高于交流電路。對直流開關電器開斷能力的試驗是直流開關電器性能試驗的核心，也是考驗一個試驗系統的關鍵試驗能力。

額定工作電壓大于或等于6 kV的直流開關器件，最常見的如直流斷路器，其特點為高電壓大電流。嚴苛的工作條件對其性能提出了更高的要求，同時其拓撲結構也與中低壓直流斷路器顯著不同[2]，導致其檢測方法與中低壓直流斷路器的完全不同，目前以合成試驗法居多[3]。由于其技術路線多樣化，產品尚未完全定型。一般來說，分為機械式直流斷路器、全固態式直流斷路器、機械開關與固態開關混合式直流斷路器3大類。而額定工作電壓介于220 V~3 kV的直流開關電器是目前應用較為廣泛和成熟的一類，其結構普遍為機械式。產品基本定型，標準配套齊全。本文重點以此類器件為研究對象，討論目前現行相關標準的分斷能力表征、限值差異和試驗方法的差異，以期為中低壓直流開關電器分斷能力試驗系統設計和改造提供依據。

1 現行標準比較

目前中低壓直流開關電器（限于直流斷路器、直流熔斷器、直流接觸器3類）現行的國家標準、行業標準如表1所示。標準的特點如下。

表1 我國中低壓直流開關電器主要標準

（1）基本覆蓋了中低壓直流開關電器的常用領域，如軌道交通牽引系統、電動汽車、光伏系統、鐵路機車車輛等。其中斷路器標準居多，接觸器、熔斷體標準數量少。從上述標準的修訂情況來看，標齡短的標準較多，標準實時性較好。值得一提的是，目前現行標準對IEC標準的采標，尤其是引用，存在版本滯后的現象。

（2）中低壓直流開關電器的國家標準體系與IEC標準體系基本保持一致，采標率很高，且與直流開關電器3C認證范圍一致[4]。GB/T 34581—2017無對口可采標的標準，但標準中引用了GB/T 14048系列標準。原因為PV系統用直流斷路器的運行條件與GB/T 14048.2規定的通用直流斷路器并不相同，其性能要求、檢測方法部分符合GB/T 14048.2。

（3）現行的行業標準同樣與IEC標準體系有較大的關聯性，IEC通用的檢測方法和性能指標界定部分可適用于行業標準，行業標準更多的是根據產品的特性和運行條件的不同提出差異化的性能要求和檢測方法。

2 適用對象比較

對上述標準的適用對象進行比較如下。

（1）GB/T 14048.2—2020的適用對象為主觸頭用來接入額定電壓不超過交流1 kV或直流1.5 kV電路中的斷路器。標準為直流斷路器的通用技術要求，對工作電壓和電流無規定，可廣泛適用于各類直流斷路器，并提供通用的檢測方法。

（2）GB/T 25890.2—2010適用對象為牽引系統地面裝置用直流斷路器，包括快速限流斷路器H、高速限流斷路器V、半快速限流斷路器S。斷路器標稱電壓優選值介于0.6~3 kV，額定短路電流優選值介于31.5~125 kA。

（3）GB/T 34581—2017適用對象為直流額定電壓不超過1.5 kV光伏（PV）系統的直流斷路器，額定工作電壓優選值介于300~1 500 V。

（4）GB/T 21413.3—2008的適用對象為標稱電壓不超過直流3 kV的機車車輛用斷路器與直流主電路和/或輔助電路相連接的主接觸器。

（5）JB/T 5796—2021的適用對象為直流1.5 kV及以下的斷路器。

（6）NB/T 10330—2019的適用對象為主觸頭用來接入額定電壓不超過直流1.5 kV的電動汽車用直流接觸器。額定工作電壓優選值介于150 V~1.5 kV。

（7）NB/T 10329—2019適用對象為直流額定電壓1.5 kV及以下的、采用鋰離子動力蓄電池驅動的電動汽車保護用直流熔斷體，包括“g”熔斷體（全范圍分斷能力熔斷體）、“a”熔斷體（部分范圍分斷能力熔斷體）。額定電壓小于或等于1.5 kV，額定電流介于6~800 A。

（8）TB/T 2767—2010適用對象為機車車輛主電路、輔助電路和控制使用的額定電壓最大至3 kV，額定電流最大至3 150 A的直流接觸器。

從以上對比可知，中低壓直流開關電器的額定工作電壓最高至1.5 kV或3 kV，且1.5 kV居多。額定工作電流最高可至125 kA，但不同應用領域最高值相差較大。斷路器和熔斷體屬大電流，接觸器為小電流。

GB/T 25890.2—2010、NB/T 10329—2019對產品按分斷能力進行了分類，且不同類型的分斷能力檢測要求不同，體現了標準的合理性。同時，GB/T 25890.2—2010、NB/T 10329—2019、GB/T 34581—2017、NB/T 10330—2019、TB/T 2767—2010、JB 5796—2021均規定有額定電壓和/或額定電流（器件主參數）的優選值，說明上述領域的產品成熟度較高。GB/T 21413.3—2008標齡較長，且標準中未明確額定電壓和額定電流的優選值。

3 分斷能力比較

分斷能力是直流開關電器的核心能力，重點對比上述標準的分斷能力限值及測試方法。上述標準對分斷能力定義和限值及其測試標準如表2所示。

表2 我國中低壓直流開關電器分斷能力及測試標準比較

由此可見，上述標準對于分斷能力有較為統一的認知，即器件能分斷其額定分斷能力的電流值，額定分斷能力為在規定的分斷條件（分斷條件主要指試驗電路的時間常數、電壓、電流）下能良好分斷的預期電流值。

對于斷路器，額定短路分斷能力定義為額定運行短路分斷能力和額定極限短路分斷能力。全部開關電器均需進行額定運行短路分斷能力檢驗，有的斷路器類型還需進行額定極限短路分斷能力檢驗，如GB/T 34581—2017、GB/T 14048.2—2020、JB 5796—2021屬此類。額定極限短路分斷能力較額定運行短路分斷能力來說，是一種更為嚴苛的能力，兩者均是以預期分斷電流來表征，按兩者的試驗條件不同，一般來說后者的預期分斷電流至少為前者的25%[7]。GB/T 34581—2017和JB 5796—2021均采用GB/T 14048.2—2008的額定運行短路分斷能力和極限短路分斷能力的試驗方法。

在此基礎上，有的標準有更為詳細的要求，如GB/T34581—2017還要求檢測正向與反向電流和臨界負載電流（指在使用條件范圍內燃弧時間明顯延長的分斷電流）。

對于熔斷器，與斷路器的定義類似，即在滿足時間常數的條件下，能分斷其預期電流以下電流范圍的任何電流，但不同的是要考慮電弧電壓。

接觸器一般定義為接通和分斷能力，具體定義為在不同時間常數（使用負載）下，應能接通和分斷指定的試驗電流，且通電時間和間隔時間的要求，同時試驗次數應能達到要求的操作循環次數。其中，試驗電流與間隔時間存在對應關系。此類試驗比較接近接觸器實際的使用狀態，如NB/T 10330—2019、TB/T 2767—2010。GB/T 21413.3—2008情況比較特殊，標準同時適用斷路器和主接觸器，表征為額定短路接通與分斷能力，具體定義為額定工作電壓的接通/分斷電流值。

從限值來說，基本上沒標準規定短路電流限值，一般由制造商規定，只有NB/T 10329—2019規定有10 kA的下限。有的標準對分斷過程有明確的限值要求，如GB/T 25890.2—2010對分斷時間、全分斷時間、[di/dt]_(t=0)等有要求，這也加大了檢測的難度，但對考核真實分斷性能大有裨益。

4 試驗方法比較

從分斷能力試驗的試驗方法、試驗步驟、試驗電路進行對比。

試驗步驟一般包括調校、試驗、維護、試驗后狀態檢查。調校指調整試驗電流穩態值和時間常數，以適應不同的試驗條件。試驗為在規定的試驗條件下，驗證分斷能力的一套試驗或單一試驗。維護指試驗間對部件的清潔、替換等。試驗后狀態檢查指對開關電器的性能、外觀的檢查，以確認其符合試驗通過的要求。

在試驗方法方面斷路器有兩種試驗體系，一是GB/T 14048.2的試驗體系，GB/T 34581—2017、GB/T 14048.2—2020、JB 5796—2021均遵循GB/T 14048系列標準的試驗方法，或在GB/T 14048.2基礎上增加補充條款。GB/T 14048.2中額定運行短路分斷能力和額定極限短路分斷能力要求符合一定的試驗程序。額定運行短路分斷能力試驗程序包括：額定運行短路分斷能力——驗證操作性能能力——驗證介電耐受能力——驗證溫升——驗證過載脫扣器。額定極限短路分斷能力試驗程序包括：驗證過載脫扣器——額定極限短路分斷能力——驗證介電耐受能力——驗證過載脫扣器。

GB/T 25890.2—2010為另一種試驗體系，需同時驗證斷路器在短路工況下關合和開斷短路電流的性能，且在f（最大故障）、ff（最大正向故障）和fr（最大反向故障）三種負載下均需驗證，且需準確測量斷路器分斷過程的要求指標。

熔斷器其原理為測試在不同額定電流下熔斷后，恢復電壓應能保持在額定電壓一定時間，且熔斷時出現的電弧電壓不超過限值。熔斷器與斷路器分斷能力試驗區別在于，熔斷器分斷試驗前需要預熱。

接觸器的接通與分斷能力均要求同時試驗，但試驗方法并不統一，NB/T 10330—2019采用GB/T 14048.1—2012的接通和分斷能力試驗方法加補充條款。TB/T 2767—2010并未指明方法，按制造商和用戶的要求進行。GB/T 21413.3—2008的額定短路接通與分斷能力試驗包括在不同時間常數（T1~T4）時短路條件下接通與分斷能力、介電強度驗證、溫升驗證、脫扣操作驗證一整套流程。

在試驗步驟方面，調校為必需步驟且功能大致類似。在操作順序，斷路器基本相似，如GB/T 14048.2—2008中額定運行短路分斷能力的操作順序為O-t-CO-t-CO，額定短路分斷能力的操作順序為O-t-CO。GB/T 25890.2—2010為O-15 s-CO，GB/T 21413.3—2008為O-t1-COt2-CO，可以看出斷開與閉合之間有時間間隔，但間隔時間并不長（最長不超過3 min）。維護一般只允許在最后一個操作程序才能進行，較高壓斷路器嚴苛很多[6]。

試驗后檢查基本要求一致，即被試品應保持性能和功能正常，斷路器不出現重擊穿，熔斷器不出現引燃；試驗完畢后，基本都要求對斷路器進行通斷驗證。其他如泄漏電流檢測（NB/T 10329—2019、GB/T 25890.2—2010）、溫升試驗（GB/T 25890.2）、計算每次分斷時的熱應力（GB/T 21413.3—2008）等要求各標準不盡試驗電路方面，GB/T 34581—2017、GB/T 14048.2—2020、NB/T 10330—2019試驗電路是一致的，均采用GB/T 14048.1—2012的試驗電路（見8.3.4.1.2），其可適用于單極、雙極電器的直流試驗。GB/T 21413.3—2008與GB/T 14048.1的試驗電路類似。GB/T 25890.2-2010與GB/T 14048.1實現功能類似，電路功能更為全面。NB/T 10329—2019采用GB/T 13539.1—2015中8.5.2～8.5.4。

試驗電路結構相似，均采用直接試驗方法，即加在被試樣品兩端的電壓、流過被試樣品的電流以及被試樣品兩端的恢復電壓全部取自一個電源回路[13]。試驗電路一般包括保護電路、測量電路、調節電路。調節電路為通過串接可調電阻器R和可調電抗器L以調節試驗回路的時間常數和電流值。保護電路通常使用熔斷器和串接電阻，起到限制和檢測故障電流的作用。測量電路用于被試樣品兩端電壓和流過被試樣品的電流。

5 研究結論

本文綜合對比我國中低壓直流開關電器現行標準中分斷能力限值和檢測方法，得出以下結論。

（1）額定工作電壓介于220 V~3 kV的直流開關電器現行國家標準、行業標準基本覆蓋了中低壓直流開關電器的常用領域，如軌道交通牽引系統、電動汽車、光伏系統、鐵路機車車輛，標準體系完整，但標準還不能完全滿足產品發展的需要。

（2）斷路器、接觸器、熔斷器對分斷能力的定義基本相同，即能夠分斷額定分斷能力的電流值，但對額定分斷能力的表征有差異。同時有的標準已出現了對分斷過程的要求。

（3）我國直流開關電器分斷能力試驗體系基本與IEC保持一致，上述器件在分斷能力試驗方面可共用試驗系統，但在試驗程序、結果判別方面有差異。

6 結束語

開斷直流電流是直流輸配電系統中的重要難題，近年來，隨著直流開關電器的應用越來越廣泛，對直流開關電器性能的試驗驗證需求也不斷增加。但目前試驗方法和試驗系統的配套相對滯后，相關公共檢測服務能力不足。標準既是產品性能檢測的依據，也是試驗系統的設計和試驗開展的依據，應增加標準與檢測的有效聯動。本文通過對中低壓直流開關電器的分斷能力及檢測方法進行綜述，旨在為直流開關電器試驗系統的設計和改造提供參考。未來，將在試驗系統及標準方面有以下的發力點。

（1）在中低壓直流開關電器試驗系統方面，我國交流大容量試驗站雖取得了長足的發展，但是現有的直流開關試驗系統多是以電網為試驗電源的低壓系統，其存在試驗容量小、參數調節不便、試品和工況單一、試驗時間和次數受限等不足，大容量的試驗系統亟待突破[14]。截至目前，在中低壓區間，國內還沒有電壓超過DC3 000 V的直流大容量試驗系統，華南地區沒有電壓超過DC1 500 V、25 kA的試驗系統，我國直流大容量試驗系統的檢測能力在提高電壓、電流、電流上升率和時間常數延長、紋波系數降低等方面有待提升。此外，由于試驗系統對電源要求高，為了降低成本，提高試驗系統的利用率，交直一體的試驗系統也成為試驗系統設計或改造的一個技術趨勢[15]，但交流選相合閘裝置[16]、直流大電流測量傳感器[17]和高壓的大電流整流元件[18]等關鍵器件或組件有待研發。

（2）在標準方面，不同用途的開關電器因使用工況條件和用途的不同，導致試驗條件和方法的差異，尤其是機車用的直流開關電器與普通直流開關電器的試驗要求存在較大差異，有待進一步討論。同時，由于直流電流分斷過程中產生的過電壓遠遠超過交流電流分斷過程產生的過電壓，直流開關分斷電流時電弧更復雜多變，為了保證試驗結果的準確性，以及具有更高的重現性，宜進一步細化對試驗的各個環節要求，如：預期電流與實際試驗電流允差規定等。

（3）在高壓直流開關電器試驗系統方面，試驗系統基本都是面向高壓直流斷路器的試驗用途。高壓直流斷路器主要應用于柔性直流輸電工程的電路開斷，是重要的技術瓶頸，其中以混合式、機械式高壓直流斷路器應用居多。因高壓直流斷路器的拓撲結構與中低壓直流斷路器不同，因此試驗系統與中低壓不通用。我國在高壓直流斷路器具備多條獨立的技術路線[19-22]和較高的試驗水平，相繼涌現出西高院160 kV、25 kA的直流斷路器試驗系統[23]、舟山200 kV直流斷路器試驗系統[24]、全球能源互聯網研究院500 kV整機直流斷路器試驗系統[19]等，并將創新成果形成了行業標準[25-26]，下一步亟待將我國標準上升為國際標準，但仍面臨一些問題：如高壓直流斷路器試驗方法本身不夠成熟，仍有很多問題處于探索研究中，如試驗方法的等效性[27-28]，不同試驗方法的驗證和持續優化[29-30]，試驗系統成本可靠性方面的綜合考量，才能真正將試驗系統推向應用；直流輸電工程在海外應用規模還有待提升，更多的工程應用經驗有待積累。