家用和类似用途直流小型断路器标准研究

刘金琰，安海川

(1.上海电器科学研究院，上海200063; 2.上海良信电器股份有限公司，上海201206)

家用和类似用途直流小型断路器标准研究

刘金琰1，安海川2

(1.上海电器科学研究院，上海200063; 2.上海良信电器股份有限公司，上海201206)

刘金琰(1966—)，女，高级工程师，从事终端电器标准化工作。

介绍了家用和类似用途直流小型断路器标准的研究情况，阐述了直流小型断路器国家标准制定的主要内容。指出在直流电源系统的直流电路中应选用直流专用断路器，对于不能满足可靠分断直流电流的交流断路器或交/直流断路器，应更换为符合GB/T 10963.3的直流专用小型断路器。

直流小型断路器;国家标准;YD/T 2378—2011;DL/T 5044—2014

0 引言

随着风电、太阳能等新能源行业、通信行业和轨道交通行业的快速发展，直流技术和直流配电网络得到越来越广泛的应用。直流供电系统容量的持续增长和负荷密度的增加，使得短路故障电流的开断也面临严重的困难。在直流电源系统应用断路器进行保护时，不但要考虑负载的容量、电压允许范围等常见参数，还要重点考虑正常负载、过负载与短路的电流范围，因此开发与研制新型直流断路器一直是低压电器企业努力的方向。

由于直流电路和交流电路最大的区别在于电流波形没有过零点，使得直流和交流电路保护的架构设计在信号采样、分断机构、触头材料、形状设计等方面都有不同。这些不同决定了直流断路器特定的分断能力和灭弧方式，使故障电路在最短时间内分断隔离。目前，低压电器行业产品技术领先的企业相继推出了一系列直流专用断路器和相关的应用方案，故市场急需适用标准来指导和规范我国处于迅速发展过程中的直流断路器的生产、制造及验证。

1 制定直流小型断路器标准的需求

1.1 概述

传统负载和用电设备都适用于交流电网络，目前市场上大量使用的交流小型断路器(Miniature Circuit Breaker，MCB)符合GB 10963.1—2005《电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器第1部分:用于交流的断路器》(IEC 60898-1: 2002，IDT)［1］。交流MCB在没有经过专门的设计和相关分断试验的情况下，在直流电网的实际分断能力会远远低于交流电的情况，这是因为直流电流与交流电流最大的不同是没有过零点。交流断路器靠交流电弧过零灭弧。直流断路器靠磁吹或其他原理灭弧，直流电弧产生后，在一定的维持电压下电弧可以持续燃烧，所以灭弧要困难得多。直流电流在整个分断过程中都需要由触头和灭弧室来消耗分断产生的电弧能量，对主动、静触头的耐压性能和灭弧室的电弧导引设计都提出相对更高的要求。因此，在直流系统中应选用直流专用断路器，不能用交流断路器代替直流断路器。

目前市场已有的直流MCB多是在交流MCB基础上的派生产品，分别符合GB 14048.2—2008《低压开关设备和控制设备第2部分:断路器》(IEC 60947-2:2006)［2］和GB 10963.2—2008《家用及类似场所用过电流保护断路器第2部分:用于交流和直流的断路器》(IEC 60898-2: 2003)［3］。GB 14048.2—2008是适用于交流1 000 V或直流1 500 V及以下的各种电流、各种结构断路器的通用标准;而GB 10963.2—2008是针对供非专业人员使用的交/直流断路器的标准，要求符合GB 10963.2—2008的直流断路器首先应符合GB 10963.1—2005中的交流断路器性能和结构安全性能要求，再通过GB 10963.2—2008标准中的直流试验项目。因此，对于仅应用于纯直流系统MCB，符合GB 10963.2—2008不仅增加了产品生产成本和检测认证成本，还在一定程度上提高了断路器的制造成本。各生产厂家推出的用于直流系统的MCB，其结构主要在交流MCB基础上增加磁吹灭弧装置，以保证直流电弧的迅速灭弧。由于直流断路器内装配了磁吹系统，意味着直流产品应用于交流分断时存在电弧反吹(电弧存在极性)的情况，所以直流产品应用于交流环境时极限分断能力及电气寿命均会降低。交流型产品应用于直流环境，则需要较大的降容才可实现，且很多厂家均无法给出交流型产品应用于直流环境的参数。交/直流MCB无论是用于交流系统还是用于直流系统，其性能及保护特性均受到相互制约，因此市场急需制定纯直流MCB标准来规范专用直流系统的MCB的生产、应用，并达到节能、减排的目的。

1.2 国内外直流MCB产品及标准情况

2001年北京人民电器厂建立我国第一个2 000 Ah蓄电池组直流系统试验站，进行了蓄电池充放电、直流系统保护电器的技术性能和级差配合性能的试验研究工作，为企业直流系统的产品开发、应用提供了研究试验基地，开发了具备三段保护特性的全选择性直流断路器，解决了直流系统保护级差配合的问题。

上海良信电器有限公司的直流断路器系列产品是针对电力工程直流电源系统中对直流断路器的特殊要求专门开发的，包括具有过载、短路保护功能的两段式直流MCB和具有过载长延时、短路短延时、短路瞬动保护功能的三段式MCB。

北京ABB低压电器有限公司的直流MCB采用特殊的磁吹及灭弧系统，使电弧在没有达到最大值时被吹进灭弧室，可迅速分断直流配电系统的故障电流，产品广泛应用于电力工程、电信通信、医疗设备供电等领域。

北京北元电器有限公司系列无极性MCB，采用无极接线方式，避免正负接线错误造成的事故。产品广泛用于电厂、变电站、电信、交通、冶金和工矿业等，对建筑及类似场所的直流系统线路设施、电气设备进行过电流保护。

德国也有类似的直流断路器产品，目前已制定VDE 0641-14:2015标准《家用及类似场所用过电流保护断路器第3部分:用于直流的断路器》(DIN EN 60898-3:2015)［4］。德国2011年向国际电工委员会(IEC)提出了制定直流断路器的国际标准提案，由于提案中包括户外使用的直流断路器，如电动汽车用和光伏用等，超出了家用和类似用途的研究范围而难以协调，投票未获通过。所以该项工作在IEC内部长期处于停滞状态。2015年我国重新提出该项国际标准提案，已通过立项，将按预留标准号为IEC 60898-3进行国际标准起草工作。

2 标准制定研究的内容

目前，国内外直流MCB产品主要用于数据中心、电厂和变电站、新能源、轨道交通以及光伏发电的直流系统，分别符合YD/T 2378—2011《通信用240 V直流供电系统》［5］、DL/T 5044—2014《电力工程直流系统设计技术规程》［6］、CGC/GF 037:2014《光伏汇流设备技术规范》［7］、CGC-R46045:2012《电子电气产品认证实施规则低压直流断路器》［8］及VDE 0641-14的要求。

2.1DL/T 5044—2014研究

根据火力发电厂直流系统设备选型及运行情况，变电站、换流站直流系统情况，直流系统保护电器选择性配合及直流系统新技术、新设备应用情况，DL/T 5044—2014做出下述相关规定。

220 V和110 V直流系统应采用蓄电池组，在正常运行情况下，直流母线电压应为直流系统标称电压的105%。在均衡充电运行情况下，直流母线电压应满足如下要求:①专供控制负荷的直流系统，应不高于直流系统标称电压的110%;②专供动力负荷的直流系统，应不高于直流系统标称电压的112.5%;③对控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统，应不高于直流系统标称电压的110%。在事故放电末期，蓄电池组出口端电压应不低于直流系统标称电压的87.5%。

保护电器选择应符合下列规定:①对于蓄电池出口回路，宜采用熔断器，也可采用具有选择性保护的直流断路器;②对于充电装置直流侧出口回路、直流馈线回路(包括直流电动机回路)和蓄电池试验放电回路，应采用直流断路器，当直流断路器有极性要求时，对充电装置回路应采用反极性接线;③作为保护电器，直流断路器的下级不应使用熔断器。

直流系统保护电器选择性配合应考虑直流网络接线、蓄电池组容量和内阻、电缆长度和截面、直流断路器型式和额定电流等因素的影响，合理配置各级保护电器，满足选择性保护要求。目前标准型二段式MCB，脱扣器瞬时动作范围值为(7～15)In，而塑壳断路器脱扣器瞬时动作范围值为(8～12)In，因分散性大，实现上下级选择性配合难度较大。

直流断路器选择应符合:①额定电压应不小于回路的最高工作电压;②额定电流应大于回路的最大工作电流;③直流系统应急联络断路器额定电流应不大于蓄电池出口熔断器额定电流的50%;④断流能力应满足直流系统短路电流的要求;⑤当采用短路短延时保护时，直流断路器额定短时耐受电流应大于装设地点的最大短路电流;⑥各级断路器的保护动作电流和动作时间应满足上、下级选择性配合要求，且应有足够的灵敏系数。

因此，根据DL/T 5044—2014及其条文说明的要求，制定纯直流MCB标准时，应考虑如下因素:①额定电压为220 V或110 V;②220 V和110 V直流系统应采用不接地方式;③电压偏差应不高于直流系统标称电压的112.5%，且不低于直流系统标称电压的87.5%;④直流断路器最好无极性要求;⑤符合GB 10963.2—2008的直流保护电器瞬动特性已不太适应实际工程的需要。

2.2 YD/T 2378—2011研究

IT设备供电技术应用研究是通信领域长期研究的课题，目前研究热点聚集在高压直流。在用电设备本身不作改动的基础上，改善现行通信网络上使用交流380V/220V供电的通信设备的可靠性，体现安全用电、节能降耗理念，并结合各电信运营商近年来推广应用的成功经验和数据，制定了YD/T 2378—2011。

YD/T 2378—2011适用于通信局站和数据机房中向通信设备供电、标称电压为240 V的直流供电系统。系统主要由交流配电部分、高频开关整流模块、蓄电池组、直流配电部分、监控单元以及绝缘监察装置等组成。系统的模块额定输出电流为5、10、20、30、40、50、80、100 A，使用时正、负极均不得接地，采用悬浮方式供电，系统应具备绝缘监察功能。直流输出的过流保护要求:①输出全程正、负极都应安装过流保护器件进行保护;②直流输出各级配电应满足级差配合要求;③直流输出各级配电(末级除外)应采用熔断器或直流断路器保护;④直流输出末级配电(通信设备输入端)应采用直流断路器保护;⑤采用的直流断路器或熔断器都应与系统的直流电压相适应。启动引起的输入冲击电流应不大于额定输入电压条件下最大稳态输入电流峰值的150%。

根据通信用直流供电系统研究情况，制定纯直流MCB标准时，应考虑如下因素:

(1)以覆盖98%IT总数量的240 V直流供电系统的行业标准YD/T 2378—2011为依据。

(2)标称电压为240 V的直流供电系统，其电压变化范围为204～288 V。

(3)使用时正、负极均不得接地，采用悬浮方式供电。

(4)直流断路器最好无极性要求。

(5)储运温度为－40～70℃。

(6)直流输出的过流保护要求直流输出各级配电应满足级差配合要求，直流输出各级配电(末级除外)应采用熔断器或直流断路器保护;直流输出末级配电(通信设备输入端)应采用直流断路器保护。

(7)开关机过冲幅度引起直流输出电压变化的最大峰值应不超过直流输出电压整定值的5%。启动引起的输入电流(浪涌电流)应不大于额定输入电压条件下最大稳态输入电流峰值的150%。

2.3 CGC/GF 037:2014及CGC-R46045:2012研究

根据对CGC/GF 037:2014和CGC-R46045: 2012认证技术规范研究情况，制定纯直流MCB标准时，应考虑如下因素:

(1)光伏用断路器主要符合GB 14048.2—2008和IEC 60947-2的附录P，但对于用于光伏汇流箱保护的MCB，如果环境参数、电参数适合，符合GB/T 10963.3的直流MCB应可以在光伏一定范围内使用。

(2)临界负载电流试验方法中需做百余次试验，适合产品研发的摸底试验，不适合用于纯直流MCB标准。

(3)无极性断路器对电流方向没有要求。2.4VDE 0641研究

根据VDE 0641研究情况，制定纯直流MCB标准时，应考虑如下因素:

(1)GB 10963.3应采纳相关内容，如涌入电流、瞬时脱扣的标准范围、二极断路器的单极接通和分断能力Icn1等。

(2)电压范围按我国实际应用情况，参考标准YD/T 2378—2011电信标称电压240 V、浮充电压288 V，确定单极断路器额定直流电压不超过250 V，二极断路器不超过500 V，比较合理。

3 国家标准制定的主要内容

3.1 直流MCB标准编制的原则

根据不同应用场所，具体分析了直流系统特征参数、故障特征等，确定直流系统相关保护参数(如直流MCB标准适用范围、最大工作电压/电流、时间常数、短路能力)的原则。

(1)符合相关国家和行业规程的要求，如DL/T 5044—2014、YD/T 2378—2011、CGC/GF 037:2014及CGC-R46045:2012等。

(2)参考国际先进国家的有关标准，如VDE 0641(DIN EN 60898-3:2015)。

(3)适当考虑行业及各企业的产品实际应用情况。

3.2 标准解决的问题

标准起草过程中，讨论最为集中的问题如下:

(1)对于“不应区别直流系统的接地方式，因为现有直流应用电源既有接地也有不接地的使用方式”，工作组讨论后规定:“本部分的断路器也适用于采用悬浮供电方式(不接地)的直流电源系统，但应符合特定的短路试验要求。”

(2)在直流供电系统的实际运行过程中，有时需要分断临界电流，而临界负载电流远小于断路器的额定电流，使得分断临界负载电流时电弧本身产生的磁场很弱，自身的磁吹作用不够强烈，电弧在灭弧室中的运动困难，从而导致临界小电流的开断非常困难。因此，建议临界电流试验方法采用“在试验电压为1.05倍额定工作电压下，试验电流从4In开始，以50%的递减率进行试验，最小试验电流不等于5%In，试验的时间常数符合标准规定”。工作组讨论后认为建议的试验方法可作为产品研发过程中摸出临界电流点的试验方法。标准中验证临界电流型式试验方法仍按GB 10963.2的要求比较合理。

(3)规定了“预期在规定的更严酷的环境温度条件下使用的直流断路器的分类”。如果环境参数、电参数适合，符合GB/T 10963.3的直流MCB应可以在光伏一定范围内使用。

(4)规定了适合于不接地直流电源系统中使用的额定电压为220 V/440 V的二极断路器的短路试验。

(5)规定瞬动倍数应为B型(3In～5In)、C型(5In～10In)。因直流系统中容量有限，短路电流偏小。该标准为直流专用标准，所以没有必要和交流兼用，应符合实际情况。

3.3 标准制定的核心内容

经过标准工作组和研究小组共同研究，确定了GB/T 10963.3的关键技术指标。

(1)根据出口电压要求，规定单极断路器额定直流电压不超过250 V，二极断路器不超过500 V。

(2)根据直流电流小负载电流和小短路电流难分断的特点，规定临界电流(包括临界负载电流和临界短路电流)的定义及验证的试验方法。

(3)二极断路器的单极额定短路分断能力Icn1的定义及验证的试验方法。

(4)根据应用场所的实际需求，继电保护应用中小电流值比较多的要求，增加1、3、4 A小电流的额定电流优选值。

(5)根据应用场所的保护特性，瞬时脱扣范围确定为:B型为3In＜I≤5In;C型为5In＜I≤10In;X型为x1In＜I≤x2In。增加X特性的目的主要是方便实现选择性保护，并将各个厂家的产品瞬时脱扣整定值逐渐协调一致。

(6)根据悬浮供电方式的特点，确定直流MCB特定的短路试验要求(适合于不接地直流电源系统中使用的额定电压为220 V/440 V的二极断路器的短路试验)。

4 结语

直流配电相对于交流配电一直以来都是一个很小的市场，因此相应的系统集成商、供应商也不多。随着新能源的崛起、数据电信行业的发展、轨交的普及和变频器等节能环保设备的广泛使用，直流技术和直流配电网络的应用也受到越来越广泛的关注。

对于MCB，符合GB 10963.l—2005标准的为交流型MCB;符合GB 10963.2—2008标准的为交/直流型MCB。从上述的两个标准名称可以看出，目前市场上的直流MCB其实是交/直流通用型;符合GB 10963.2—2008的产品既可应用于直流系统，也可应用于交流系统，选型时存在交/直流型产品不是纯直流的情况，可能存在使用隐患。因此，在直流电源系统的直流电路中应选用直流专用断路器，不应用交流断路器代替直流断路器。对现有不能满足可靠分断直流电流的交流断路器或交/直流断路器，应通过技术改造逐步更换为符合GB/T 10963.3标准的直流专用MCB。

［1］GB 10963.1—2005电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器第1部分:用于交流的断路器［S］.

［2］GB 14048.2—2008低压开关设备和控制设备第2部分:断路器［S］.

［3］GB 10963.2—2008家用及类似场所用过电流保护断路器第2部分:用于交流和直流的断路器［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直流供电系统［S］.

［6］DL/T 5044—2014电力工程直流系统设计技术规程［S］.

［7］CGC/GF 037:2014光伏汇流设备技术规范［S］.

［8］CGC-R46045:2012电子电气产品认证实施规则低压直流断路器［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，工程师，从事小型断路器的开发与应用。