唐文強(qiáng) 范凌云 廖俊豪,3 毛朝陽(yáng) 趙志剛,3

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；

2.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東珠海 519070；

3.國(guó)創(chuàng)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心（廣東）有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

“雙碳”驅(qū)動(dòng)綠色經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，以及高清潔電力占比的新型電力系統(tǒng)推進(jìn)，進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新；新能源光伏、儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展迭代，促使成本不斷降低，適用化程度不斷提高，同時(shí)也推動(dòng)直流技術(shù)不斷向更多的行業(yè)和領(lǐng)域滲透。2021年10月，“直流”和“光儲(chǔ)直柔”被寫入我國(guó)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，“光儲(chǔ)直柔”成為民用建筑領(lǐng)域發(fā)展零碳能源和實(shí)現(xiàn)碳中和的重要路徑，而機(jī)電設(shè)備直流化，特別是直流電器的規(guī)模化應(yīng)用將成為“光儲(chǔ)直柔”應(yīng)用的重要支撐。

在家電領(lǐng)域，日本早在2007年提出“DC-House”計(jì)劃，隨后，夏普公司在日本電子展中展示了“直流生態(tài)住宅”技術(shù)和樣機(jī)，直流住宅配置太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置、蓄電池和直流供電管理裝置作為供電系統(tǒng)，為直流電器包括冰箱、空調(diào)、電視機(jī)和LED燈等供電；TDK、松下、三菱等企業(yè)分別展示相關(guān)技術(shù)研究，并展示了各自開發(fā)的住宅直流供電技術(shù)和家電樣機(jī)[1]。2009年，在第九屆中國(guó)順德國(guó)際家用電器博覽會(huì)上，展示了由廣東白色家電產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟直流家電技術(shù)工作組研發(fā)的直流家電樣機(jī)，試制了采用直流供電的多種類型的家用電器樣品，包括分體式房間空調(diào)器、電冰箱、小型半導(dǎo)體冷藏箱、洗衣機(jī)、LED照明燈以及電源管理單元等，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了直流家電在住宅環(huán)境下運(yùn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)[2]。在美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)也出現(xiàn)直流住宅及直流家電的研究報(bào)道，但均處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段，并未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用[3]。基于變頻化節(jié)能技術(shù)、智能化技術(shù)和新能源光伏的推廣，在家電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)光伏儲(chǔ)能空調(diào)的研發(fā)與應(yīng)用，促使形成一批直流供電家用電器，并支撐在珠海、雄安、深圳、杭州、蘇州、大同等地建立了一批直流工程應(yīng)用示范[4-6]，大大促進(jìn)了直流電器的發(fā)展，標(biāo)志著直流家電向?qū)嵱没?、產(chǎn)品化邁進(jìn)了一大步。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面來(lái)看，文獻(xiàn)[7]從功能上對(duì)各種品類進(jìn)行了劃分，針對(duì)各類電器直流化可行性分析，選取了典型電器進(jìn)行了直流化改造，并總結(jié)了實(shí)施步驟和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，最后搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，論證了技術(shù)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用的可行性。文獻(xiàn)[8]從用電效率、電能質(zhì)量及可靠性等方面論證了低壓直流負(fù)載應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，分析了不同類型直流負(fù)載接入的兼容性，并構(gòu)建負(fù)載模型驗(yàn)證了其在低壓直流系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，論證了負(fù)載采用低壓直流供電具備可行性與優(yōu)勢(shì)。家電直流化在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上已經(jīng)具備條件，但要達(dá)到與交流電器相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化水平，還需要構(gòu)建產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、生產(chǎn)、測(cè)試認(rèn)證等完整體系標(biāo)準(zhǔn)。

本文以現(xiàn)行家電標(biāo)準(zhǔn)體系框架為藍(lán)本，分析家電標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)于直流電器的適應(yīng)性，借鑒通信電子和電動(dòng)汽車等行業(yè)直流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定經(jīng)驗(yàn)，從交流電和直流電應(yīng)用的差異點(diǎn)出發(fā)，分析并梳理了與直流電器相關(guān)的各類標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的維度和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，形成了關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)制定的方法和原則，對(duì)直流家用電器體系標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)制定提出了建議。

1 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

1.1 低壓直流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

通信領(lǐng)域較早地開展了針對(duì)于電信和數(shù)據(jù)中心的直流供用電系統(tǒng)的研究工作，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）等標(biāo)準(zhǔn)組織已發(fā)布了直流供用電系統(tǒng)相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)，主要包含400 V以下直流供電系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)性能及環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

為應(yīng)對(duì)低壓直流技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求，2009年國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）啟動(dòng)了LVDC相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并成立工作評(píng)估組，開展LVDC配電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)調(diào)研和研究評(píng)估。直到2017年完成相關(guān)評(píng)估工作，發(fā)布了《2017 LVDC: electricity for the 21st century》技術(shù)報(bào)告，從標(biāo)準(zhǔn)的角度系統(tǒng)分析和評(píng)估了低壓直流技術(shù)特點(diǎn)、利益相關(guān)場(chǎng)景、市場(chǎng)前景和面臨的挑戰(zhàn)，提出低壓直流技術(shù)是面向21世紀(jì)的電力發(fā)展方向，充分認(rèn)可了低壓直流技術(shù)發(fā)展的價(jià)值，并成立LVDC及其電力應(yīng)用系統(tǒng)委員會(huì)（IEC SyC LVDC），系統(tǒng)性地開展系統(tǒng)層面的LVDC標(biāo)準(zhǔn)化工作[9]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)組織也積極開展低壓直流相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定。2017年，中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)成立直流配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員，并牽頭制定了GB/T 35727-2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》等中低壓直流配電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]；2022年，中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)發(fā)布了T/CABEE 030-2022《民用建筑直流配電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)[11]，給建筑直流配電設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)；2022年8月，全國(guó)家用自動(dòng)控制器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)成立直流控制器工作組（SAC/TC 212/WG 11），啟動(dòng)直流電器核心部件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究與制定。國(guó)內(nèi)低壓直流技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織在電力系統(tǒng)、配用電系統(tǒng)及設(shè)備方面已經(jīng)形成部分標(biāo)準(zhǔn)，并有效指導(dǎo)相關(guān)設(shè)備和產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用；在民用設(shè)備領(lǐng)域，已經(jīng)完成以光伏空調(diào)為代表的交流和直流混合供電設(shè)備的產(chǎn)品化和標(biāo)準(zhǔn)制定，但對(duì)于直流電器及低壓直流用電設(shè)備方面還處于準(zhǔn)備階段，直流電器標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)需要直流配用電場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)一步完善。

1.2 家用電器標(biāo)準(zhǔn)體系

我國(guó)家用電器標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展比較晚，但在行業(yè)起步階段就積極等同、等效采用了高水平的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，并將其快速引入到家用電器的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理等領(lǐng)域，快速地跨越了歐、美、日、韓走過(guò)的幾十年的發(fā)展歷程[12]。我國(guó)現(xiàn)已建成的完整的家用電器標(biāo)準(zhǔn)體系，為企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)出高質(zhì)量、高技術(shù)含量的產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)，促使我國(guó)家電行業(yè)能適應(yīng)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，快速地發(fā)展成為家用電器的生產(chǎn)、消費(fèi)和出口大國(guó)。

我國(guó)于2008年形成第一版家用電器標(biāo)準(zhǔn)體系框架，包含安全標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品性能及測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，零部件標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品服務(wù)、維修標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境和資源再生利用標(biāo)準(zhǔn)共5大系列，17個(gè)子系列。于2017年對(duì)第一版標(biāo)準(zhǔn)體系框架進(jìn)行再優(yōu)化、再完善，形成了第二版家用電器標(biāo)準(zhǔn)體系框架，根據(jù)家用電器標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展情況重新劃分為基礎(chǔ)、安全、性能、共性技術(shù)、管理共5大類，包含21個(gè)小類。2019年，基于第二版家用電器標(biāo)準(zhǔn)體系框架，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)思想，搭建了圍繞產(chǎn)品全生命周期的家用電器三維標(biāo)準(zhǔn)體系參考模型，涵蓋了產(chǎn)品不同階段的要求，并對(duì)原有5大類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行豐富和完善[13]。

從現(xiàn)行家用電器標(biāo)準(zhǔn)框架體系來(lái)看，尚未充分考慮到直流家用電器發(fā)展和應(yīng)用，直流家用電器的技術(shù)要求涉及到框架體系中的多個(gè)大類。直流電器應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)在于與新能源光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車的直接對(duì)接，實(shí)現(xiàn)光電一體化、儲(chǔ)用一體化和便捷移動(dòng)化應(yīng)用。對(duì)于家用直流電器標(biāo)準(zhǔn)制定需要考慮其面臨的新興應(yīng)用場(chǎng)景，支持新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求，全面地分析家電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系及其對(duì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)帶來(lái)影響。

2 標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析

2.1 電特性差異及影響

直流電和交流電本質(zhì)上都是由電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，但在傳輸特性、人體安全特性、電弧特性等應(yīng)用方面表現(xiàn)出明顯差異，導(dǎo)致其在電器產(chǎn)品應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求上具有一定差異，下文針對(duì)具體表現(xiàn)展開分析。

2.1.1 傳輸特性及電磁效應(yīng)

工頻交流電傳輸過(guò)程中電壓的大小和方向隨著時(shí)間發(fā)生周期性變化，在表征數(shù)值上有幅值、頻率和相位，傳輸過(guò)程的場(chǎng)特性呈現(xiàn)為電磁場(chǎng)；而穩(wěn)定的直流電在傳輸過(guò)程中電壓隨著時(shí)間的推移其方向未發(fā)生改變，在表征數(shù)值上僅有幅值，傳輸過(guò)程的場(chǎng)特性主要呈現(xiàn)為電場(chǎng)。

從應(yīng)用來(lái)看，由于交流電在傳輸過(guò)程中呈現(xiàn)電磁場(chǎng)特性，可以通過(guò)電磁感應(yīng)的方式方便的進(jìn)行升降壓傳輸，同時(shí)，傳輸過(guò)程也會(huì)伴隨趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)等問(wèn)題。直流的電壓變換需要通過(guò)開關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)呈現(xiàn)離散特性和容性特性。工頻變壓器構(gòu)建的連續(xù)型交流電網(wǎng)系統(tǒng)和電力電子裝置構(gòu)建的離散型直流電網(wǎng)系統(tǒng)，在傳輸過(guò)程中形成的大天線效應(yīng)具有明顯差異，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方面主要體現(xiàn)在電能質(zhì)量、EMC評(píng)價(jià)測(cè)試等標(biāo)準(zhǔn)不適用問(wèn)題。在電能測(cè)量及計(jì)量上需采用不同的方法和器具，對(duì)于產(chǎn)品應(yīng)用的能量計(jì)費(fèi)體系和能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)同樣存在不適用的問(wèn)題。另外，直流電構(gòu)建的磁路更加穩(wěn)定，對(duì)于保護(hù)器件的選擇和應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)，可以讓繼電器和繼保裝置更穩(wěn)定地工作，這也是變電站、移動(dòng)公司基站和銀行計(jì)算機(jī)中心的配電系統(tǒng)工作電源都采用直流屏供電的原因[14]。

從標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性來(lái)看，直流家電的接口呈現(xiàn)容特性，對(duì)于電壓等級(jí)、電壓偏差范圍、接地方式及接入評(píng)測(cè)要求等均與交流電器標(biāo)準(zhǔn)要求存在差異。同時(shí)，電壓等級(jí)的選擇差異，還會(huì)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的爬電距離、電氣間隙、絕緣等指標(biāo)要求和電纜等部件的選擇帶來(lái)影響。

2.1.2 對(duì)人體安全特性

IEC 60479《Effects of current on human beings and livestock》系列標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)闡述電流對(duì)人體安全特性，直流電和交流電對(duì)人體傷害及人體反應(yīng)閾值具有明顯差異，標(biāo)準(zhǔn)給出了直流電、交流電作用于人體時(shí)產(chǎn)生的電擊效應(yīng)曲線[14]，如圖1所示（圖中各曲線直流用于電流通路為“縱向向上”；交流用于電流通路為“從左手到雙腳”），表1給出了圖1中各區(qū)域的生理效應(yīng)。圖中區(qū)域III與區(qū)域IV的分界線為室顫曲線，即通過(guò)人體能引起心室纖維性顫動(dòng)（電擊事故中最主要的致命原因）的最小電流值，很明顯的產(chǎn)生相同生理效應(yīng)需要的直流電流比交流電流大。從室顫曲線的最小值可看出，直流電的室顫閾值約為120 mA，交流電的室顫閾值約為40 mA，交流電更容易引發(fā)心室纖維性顫動(dòng)。

圖1 不同電流形式的時(shí)間/電流效應(yīng)

表1 各區(qū)域的生理效應(yīng)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的對(duì)比分析，交流電和直流電對(duì)人體安全影響的差異主要有以下幾點(diǎn)：（1）直流電流比工頻交流電流誘發(fā)相同心室纖維顫動(dòng)概率要低得多，電擊時(shí)間超過(guò)一個(gè)心博周期，直流電的纖維性顫動(dòng)閥值比交流電的高幾倍；（2）人體對(duì)直流電流沒(méi)有感應(yīng)閾值，只有在接通和斷開的瞬間有感應(yīng)，同等興奮作用的反應(yīng)，直流電流量是交流電的2～4倍；（3）直流電沒(méi)有明確的擺脫閾值，被抓住的直流電帶電體更易于擺脫。

從交流電和直流電對(duì)人體感應(yīng)的差異來(lái)看，采用直流供用電在對(duì)人體安全保護(hù)實(shí)施上具有明顯優(yōu)勢(shì)，這也會(huì)對(duì)家電安全和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)閾值的設(shè)定帶來(lái)影響，具體來(lái)講直流電器在漏電流、安全特低電壓、安全防護(hù)等技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求方面，需要根據(jù)直流用電應(yīng)用場(chǎng)景安全需求來(lái)綜合確定。

2.1.3 電弧特性

對(duì)人體安全上直流電應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)，但在電弧安全方面卻是直流電應(yīng)用的劣勢(shì)，電弧的弧芯的溫度可以達(dá)到5000℃～15000℃，極易引起火災(zāi)事故，需要特別重視。交流電有過(guò)零點(diǎn)，交流電弧具有近陰極效應(yīng)，當(dāng)電壓過(guò)零時(shí)，氣體的電離過(guò)程停止，正負(fù)粒子也都停在原位并復(fù)合，正離子質(zhì)量大運(yùn)動(dòng)慢，殘留的正離子堆積在原先的陽(yáng)極附近，在電壓換向后，原先的陽(yáng)極變成陰極，陰極發(fā)射電子（負(fù)離子）受到在其附近存在正離子層的阻擋，使得負(fù)離子的發(fā)射在很短時(shí)間內(nèi)受阻，阻礙電弧的重新起燃。所以應(yīng)用于低壓交流系統(tǒng)的各種開關(guān)電器，尤其是低壓斷路器，都具有一定程度的電弧限流特性。而直流電沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)，不存在這種特性，直流電弧的熄滅要比交流電弧的熄滅困難得多。

在直流電器設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員對(duì)于保護(hù)器件（斷路器、熔斷器、繼電器等）的選擇容易忽略直流電弧特性，慣性地考慮耐壓和過(guò)電流能力采用交流保護(hù)器件替代使用，忽略器件降額特性帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于插頭插座等插拔部件、接線壓接部件和運(yùn)動(dòng)部件等直流電器中起弧的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，需要重點(diǎn)關(guān)注插拔力和接觸可靠性對(duì)接觸面壽命影響，以及壓接部件可靠性和運(yùn)動(dòng)折彎次數(shù)等對(duì)使用故障和壽命帶來(lái)起弧風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。在直流電應(yīng)用成熟的光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域已形成電弧檢測(cè)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)加入主動(dòng)保護(hù)功能解決直流電弧問(wèn)題，對(duì)于與民眾接觸更為頻繁的家用電器來(lái)講，直流電弧檢測(cè)保護(hù)或是未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)制定需要重點(diǎn)關(guān)注的方向，文獻(xiàn)[15]梳理了典型直流應(yīng)用場(chǎng)景電弧檢測(cè)保護(hù)方法，初步開展了不同類型的直流電器的電弧特征和檢測(cè)識(shí)別方法研究與驗(yàn)證，但要達(dá)到實(shí)用化程度還需開展更深入和全面的研究和應(yīng)用驗(yàn)證。直流電器產(chǎn)品對(duì)關(guān)鍵保護(hù)器件選擇和電弧處理方式的要求更嚴(yán)苛，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度和成本代價(jià)也會(huì)更大。

綜上所述，對(duì)于交流電和直流電在本身特性、應(yīng)用及產(chǎn)生效應(yīng)上的差異來(lái)看，直流電器設(shè)計(jì)和評(píng)測(cè)方面均體現(xiàn)出與現(xiàn)有交流電器不同的要求，這些要求覆蓋標(biāo)準(zhǔn)體系的各個(gè)方面，并非簡(jiǎn)單的修訂家電標(biāo)準(zhǔn)體系中某一板塊要求就能解決的。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)工作開展分析

2.2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與分析

直流電器的規(guī)模化應(yīng)用需要成熟穩(wěn)定的供電環(huán)境，相關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工作者正如火如荼地開展技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究與制定。直流電器應(yīng)用供電環(huán)境要求主要涉及到電壓等級(jí)、接口形式、接地方式、電能質(zhì)量等方面，這些也是直流電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要解決的首要問(wèn)題，目前家電設(shè)備對(duì)外接口要求逐步清晰，并已形成或正在制定相關(guān)行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（1）在電壓等級(jí)方面，2017年IEC發(fā)布的低壓直流技術(shù)報(bào)告，對(duì)低壓直流電壓等級(jí)的選擇進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)研，從圖2得到的受訪者推薦電壓數(shù)據(jù)表明48 V、380 V/400 V、750 V和1500 V等電壓等級(jí)推薦應(yīng)用的數(shù)量較高，報(bào)告給出了基于應(yīng)用場(chǎng)景的推薦電壓帶。我國(guó)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35727-2017從傳輸容量、供電半徑、電壓偏差等技術(shù)維度的考慮，制定了直流配電的電壓等級(jí)優(yōu)選值和備選值[10]，推薦低壓直流配電系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓優(yōu)選值為1500（±750）V、750（±375）V、220（±110）V，備選值為1000 V、600 V、440 V、400 V、336 V、240 V、110 V，并規(guī)定了低壓直流電壓偏差范圍-20%～5%。由于直流系統(tǒng)中源與荷是通過(guò)電力電子變換器連接，具有較強(qiáng)的寬電壓范圍運(yùn)行能力，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)報(bào)告IEC TR 63282:2020提出了“電壓帶”的概念[16]，并規(guī)定了直流“電壓帶”分為7個(gè)子帶，分別為：斷電帶、緊急狀態(tài)帶、標(biāo)稱帶、開關(guān)、換向和保護(hù)裝置工作帶、過(guò)壓保護(hù)裝置工作帶、過(guò)壓跳閘帶、禁止帶；并在資料性附錄中對(duì)標(biāo)稱電壓為350 V和700 V的直流電網(wǎng)對(duì)應(yīng)“電壓帶”的狀態(tài)和場(chǎng)景進(jìn)行了應(yīng)用說(shuō)明。對(duì)于直流電器的電壓選擇，文獻(xiàn)[17]以建筑內(nèi)的典型用電“大戶”空調(diào)為例，梳理了直流電器電壓選擇的優(yōu)選值，從功率器件、核心元器件和電機(jī)部件等發(fā)展趨勢(shì)分析，以及滿足新能源光伏和儲(chǔ)能便捷接入的需求，推薦直流空調(diào)采用750 V、400 V和48 V等3個(gè)等級(jí)，750 V和400 V電壓等級(jí)直流電器可以支持GB/T 35727-2017規(guī)定的-20%～5%的寬電壓運(yùn)行。

圖2 IEC LVDC技術(shù)報(bào)告調(diào)研直流電壓分布

（2）在直流接口方面，尚未有可應(yīng)用于直流家電的插頭插座的接口標(biāo)準(zhǔn)。2021年國(guó)家啟動(dòng)直流家電插頭插座標(biāo)準(zhǔn)編制工作，并于同年12月份發(fā)布第1版征求意見(jiàn)稿。工作組在標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程中，調(diào)研和分析了國(guó)內(nèi)外已有示范工程應(yīng)用情況，結(jié)合接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，初步確定了DC 400 V和DC 48 V兩個(gè)電壓等級(jí)直流插頭插座的接口形式和技術(shù)要求，在插頭插座設(shè)計(jì)方面充分考慮了應(yīng)用過(guò)程中防反接、防錯(cuò)接和插拔過(guò)程中的直流電弧問(wèn)題[18]。文獻(xiàn)[19]對(duì)國(guó)內(nèi)外直流插頭插座相關(guān)研究進(jìn)行梳理和分析，提出直流插座作為直流電源和直流負(fù)荷的“橋梁”，需要重點(diǎn)關(guān)注未來(lái)直流電器功能向柔性、智能化發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)電的信息電子接口和電力電子接口再統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)網(wǎng)到能源互聯(lián)網(wǎng)的接口即插即用、自由互聯(lián)。2021年5月USB-IF協(xié)會(huì)發(fā)布USB PD3.1可支持DC 48 V，最大功率擴(kuò)展到240 W，如表2所示。擴(kuò)展功率范圍（EPR）對(duì)連接器和線纜等提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，未來(lái)數(shù)碼設(shè)備USB接口將實(shí)現(xiàn)更廣泛的設(shè)備接入和應(yīng)用，通過(guò)產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模應(yīng)用不斷降低成本，可實(shí)現(xiàn)在家電產(chǎn)品上應(yīng)用，低壓直流48 V可直接對(duì)接小功率生活電器已經(jīng)完成的適配器+直流供電方案，取消大量使用的適配器。

表2 USB接口技術(shù)指標(biāo)

（3）在直流接地方面，標(biāo)準(zhǔn)IEC 60364-1:2005對(duì)直流系統(tǒng)接地形式進(jìn)行了定義。直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)一樣，也可分為TT、IT、TN三種接地形式，但對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景未進(jìn)行要求。文獻(xiàn)[20]從應(yīng)用特點(diǎn)、最高危險(xiǎn)和技術(shù)瓶頸3個(gè)維度，分析了民用建筑低壓直流供用電系統(tǒng)接地形式選擇，評(píng)估了三種接地方式的應(yīng)用可行性，推薦采用IT接地方式，但必須采取技術(shù)措施，有效識(shí)別和排除兩點(diǎn)故障隱患。目前對(duì)直流家電產(chǎn)品的接地形式主要體現(xiàn)在直流插頭插座標(biāo)準(zhǔn)要求中，標(biāo)準(zhǔn)GB 2099.8-2017規(guī)定了DC 48 V及以下直流插頭插座采用兩極不帶地線接口形式，在2021年發(fā)布的《家用和類似用途直流插頭插座》標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿中也提出DC 48 V直流插頭插座采用兩極不帶地線接口形式，同時(shí)補(bǔ)充提出了DC 400 V直流插頭插座采用兩極帶接地接口形式。接地保護(hù)本身是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，直流電器需要根據(jù)系統(tǒng)接地方式選擇相應(yīng)接口和故障保護(hù)措施。

（4）在電能質(zhì)量方面，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)報(bào)告IEC TR 63282:2020描述了低壓直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行電壓特性，總結(jié)了低壓直流系統(tǒng)電能質(zhì)量現(xiàn)象，主要包含電壓偏差、紋波和高頻噪聲、電壓突升、電壓暫降、電壓中斷、快速電壓變化、電壓浪涌和電壓不平衡等方面，并給出進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化建議[16]，但沒(méi)有明確相關(guān)現(xiàn)象的具體評(píng)估要求。文獻(xiàn)[21]初步構(gòu)建了直流電能質(zhì)量指標(biāo)體系，對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了定義，產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)直流系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題的分析，仍可遵循從干擾來(lái)源、傳遞規(guī)律和耐受能力三個(gè)維度，但需要從系統(tǒng)各級(jí)控制邏輯，保護(hù)配置、設(shè)備參數(shù)，設(shè)備運(yùn)行范圍（電壓、電流和效率區(qū)間）等因素綜合分析。相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)中電能質(zhì)量事件的產(chǎn)生，主要由于直流系統(tǒng)設(shè)備存在的大量電容，以及系統(tǒng)和設(shè)備配置的主動(dòng)控制和保護(hù)功能對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行偏差的影響。直流系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備對(duì)于不同類型的電能質(zhì)量問(wèn)題的耐受能力存在差異，使得相關(guān)指標(biāo)要求與交流系統(tǒng)不能統(tǒng)一，所以，直流系統(tǒng)電能質(zhì)量與交流系統(tǒng)的現(xiàn)象有相似之處，但指標(biāo)要求存在差異。在直流電器產(chǎn)品示范應(yīng)用中，曾出現(xiàn)由于直流變換電源輸出紋波和噪聲過(guò)大引起直流電磁爐按鍵失效以及直流空調(diào)通信故障等問(wèn)題，雖然直流電器產(chǎn)品可以通過(guò)改進(jìn)濾波電路和采用帶屏蔽通信線纜等方式解決示范應(yīng)用問(wèn)題，但缺乏直流電能質(zhì)量相關(guān)要求和指標(biāo)評(píng)價(jià)，將直接影響應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的權(quán)責(zé)劃分和售后問(wèn)題處理，對(duì)于電器廠商來(lái)講缺乏大批量推廣應(yīng)用的支撐?？傮w而言，對(duì)于直流系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題評(píng)估的現(xiàn)象及測(cè)試方法已經(jīng)相對(duì)清晰，而現(xiàn)象對(duì)應(yīng)指標(biāo)的時(shí)間尺度和耐受能力的合理范圍的確定，才能提升直流系統(tǒng)和直流電器的實(shí)用化程度。

為推動(dòng)低壓直流技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外建成大量直流系統(tǒng)示范開展實(shí)證驗(yàn)證和應(yīng)用研究，直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求已初步形成標(biāo)準(zhǔn)或正在開展研制，致使目前先行的直流系統(tǒng)示范工程的拓?fù)浼軜?gòu)、電壓制式等各有特色，而直流電器產(chǎn)品也是基于示范應(yīng)用需求進(jìn)行定制化研制。這也促使了電網(wǎng)、建筑、家電等行業(yè)之間更深入的交流與合作，直流配用電標(biāo)準(zhǔn)的制定也吸收了更多行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和建議，未來(lái)低壓直流供用電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)將更貼近用戶。

2.2.2 直流電器標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與分析

對(duì)家用電器本身而言，標(biāo)準(zhǔn)要求最為核心的是“安全”和“性能”兩大類，目前對(duì)于直流電器還未形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，下面主要對(duì)直流電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)和評(píng)測(cè)方面不適用的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析。

（1）在產(chǎn)品安全評(píng)價(jià)方面，我國(guó)家用電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)主要參考GB 4706（采標(biāo)IEC 60335）系列標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)IEC 60335-1最新修訂的2020版已將“直流供電”的電器納入適用范圍，但內(nèi)容上并未針對(duì)直流供電增加或修訂相關(guān)條款要求。由于直流電對(duì)人體安全和電弧特性與交流電有明顯差異，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上對(duì)絕緣與電弧的要求，以及對(duì)熔斷器、保險(xiǎn)管、接觸器和斷路器等保護(hù)器件的選型與應(yīng)用，需要針對(duì)直流特性進(jìn)行優(yōu)化和條款細(xì)化。

對(duì)產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)與評(píng)測(cè)，針對(duì)具體標(biāo)準(zhǔn)條款適應(yīng)性上進(jìn)行以下總結(jié)。①對(duì)于產(chǎn)品測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)是基于熱效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，則直流電壓等效交流電壓有效值，比如對(duì)于熔斷保護(hù)，但另外需要考慮電弧。②指標(biāo)測(cè)試評(píng)價(jià)是考慮電壓峰值特性，評(píng)價(jià)方法的選擇需要根據(jù)直流應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)確定，直流供電的評(píng)價(jià)可能更為簡(jiǎn)單或有優(yōu)勢(shì)，比如絕緣耐壓等，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17627-2019對(duì)直流系統(tǒng)的高壓測(cè)試和測(cè)試波形進(jìn)行規(guī)定，特別提出直流需要考慮紋波；對(duì)于電纜選擇，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5013.1-1985和GB/T 5023.1-2008規(guī)定直流系統(tǒng)電纜耐壓能力為額定值的1.5倍。③涉及到對(duì)人體安全方面的指標(biāo)，直流電可以比交流電閾值更大，比如剩余電流保護(hù)，通常家用剩余電流保護(hù)裝置的保護(hù)閾值為30 mA，直流剩余電流保護(hù)推薦閾值為100 mA。④涉及到對(duì)于直流電弧的評(píng)價(jià)指標(biāo)需要相關(guān)要求更為嚴(yán)格，對(duì)于直流供用電場(chǎng)景需要加強(qiáng)關(guān)于直流電弧故障的檢測(cè)和保護(hù)要求，比如標(biāo)準(zhǔn)UL 1699B針對(duì)光伏直流供電場(chǎng)景提出直流電弧故障檢測(cè)和保護(hù)的要求，對(duì)于直流電器的保險(xiǎn)管、接觸器等保護(hù)器件需要按照直流供電的要求選型和設(shè)計(jì)。

（2）在產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)方面，由于交流電和直流電在供電電能處理方式及供電波動(dòng)水平不一致，對(duì)產(chǎn)品EMC性能評(píng)測(cè)方面的“諧波電流”“電壓波動(dòng)變化閃爍”“電壓跌落”標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求不能適用，可適用項(xiàng)目在評(píng)測(cè)過(guò)程中需用直流電源模擬直流供電環(huán)境，按照直流控制器評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試，但并不能完全反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，主要是直流供電環(huán)境的電壓波動(dòng)、紋波、噪聲等指標(biāo)尚不明確，目前對(duì)于產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)僅作為數(shù)據(jù)收集和參考，無(wú)法作為合格與否的評(píng)判。由于供電方式改變，特別是直流電器可實(shí)現(xiàn)新能源直接接入，電器可能將由原來(lái)的用電設(shè)備變?yōu)榘l(fā)儲(chǔ)用一體的設(shè)備、光伏電一體或儲(chǔ)用一體等多能源供電的產(chǎn)品，這種多種能源混合供電設(shè)備的能效性能評(píng)價(jià)將更為復(fù)雜，目前僅可以針對(duì)特定工作模式進(jìn)行能效評(píng)價(jià)，完整的能效評(píng)價(jià)方法需要進(jìn)一步完善，關(guān)鍵點(diǎn)在于涉及到工作模式的不確定性和權(quán)系數(shù)難以整定。

現(xiàn)有家電標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)交流供電電器，對(duì)于直流電器應(yīng)用具有一定的適用性，針對(duì)直流電器相關(guān)的安全、性能評(píng)價(jià)方面的標(biāo)準(zhǔn)不適用的問(wèn)題，可采用類比等效的方法，解決目前階段產(chǎn)品研發(fā)、評(píng)測(cè)與示范應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。家電產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系涉及到的生產(chǎn)、制造、使用和回收等各個(gè)環(huán)節(jié)，完成直流電器產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化需要系統(tǒng)和完整構(gòu)建直流電器標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)制定的意義和挑戰(zhàn)

在19世紀(jì)電力行業(yè)崛起之初，世界上各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的聯(lián)系還未有如此緊密，各國(guó)根據(jù)國(guó)情制定了低壓供用電的交流電壓制式和插頭插座接口，發(fā)展到如今，全球共有約十多種交流電源制式和插頭插座接口形式，全球典型地區(qū)交流電源制式和接口形式如表3所示。隨著全球人類交流活動(dòng)越發(fā)頻繁，家電產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋區(qū)域越發(fā)廣泛，電源制式的多樣化帶來(lái)諸多弊端，便攜數(shù)碼電子產(chǎn)品在各個(gè)地區(qū)使用需要配置轉(zhuǎn)換頭，同一類型家用電器銷售到不同地區(qū)需要采用不同的設(shè)計(jì)方案和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，多種電源接口制式對(duì)當(dāng)今全球化的社會(huì)發(fā)展并不是最優(yōu)選擇。數(shù)碼電子的USB接口在電壓制式和接口形式上的統(tǒng)一，給全球的用戶使用便捷性和產(chǎn)業(yè)集約性帶來(lái)了極大的好處，為低壓直流用電接口標(biāo)準(zhǔn)的制定樹立了典范。

表3 全球典型區(qū)域交流電源制式和接口形式

在“雙碳”目標(biāo)推動(dòng)綠色能源革命的背景下，家用電器進(jìn)入直流化的變革浪潮中。實(shí)現(xiàn)全球電源接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，將會(huì)給家電、光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等多個(gè)產(chǎn)業(yè)集約化發(fā)展帶來(lái)重大的意義，將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)接口及設(shè)備的共用和互通，對(duì)地球環(huán)保、減少電子垃圾起到積極的作用，對(duì)萬(wàn)物互聯(lián)起到重要的推動(dòng)作用，給消費(fèi)者的使用帶來(lái)了極大的便捷。

在低壓直流技術(shù)研究之初，對(duì)用電安全方面就確立了基本目標(biāo)，即用電安全等級(jí)不低于交流用電。通過(guò)對(duì)家居場(chǎng)景電器功率等級(jí)和使用情況分布分析，如圖3所示，60%以上的人頻繁接觸的電器功率在500 W以下，采用48 V低壓直流供電可實(shí)現(xiàn)用電安全的本質(zhì)提升，大大降低用電安全風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)功率型電器在保證同等安全條件下，追求效率的提升，構(gòu)建分區(qū)分電壓等級(jí)供用電的家居直流環(huán)境，如圖4所示。高低壓分區(qū)供用電的方案以其明顯的優(yōu)勢(shì)，已應(yīng)用于直流建筑領(lǐng)域[11]和低壓直流配電網(wǎng)領(lǐng)域[4]，對(duì)于低壓直流標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)講，優(yōu)化對(duì)低壓安全直流電器在“認(rèn)證、檢測(cè)、監(jiān)管”的要求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)附加開支的全面節(jié)省，才能進(jìn)一步從經(jīng)濟(jì)效益上提升其應(yīng)用推廣的價(jià)值。

圖3 家用電器功率分布示意圖

圖4 直流家居場(chǎng)景示意圖

直流電器具備寬電壓運(yùn)行能力和智能化響應(yīng)功能，在應(yīng)用場(chǎng)景上將更為豐富?？芍谓ㄖ肮鈨?chǔ)直柔”場(chǎng)景，滿足建筑能源的智能化調(diào)度和系統(tǒng)的高效運(yùn)行；可便捷地構(gòu)建新能源發(fā)電、直流用電的孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、供電、儲(chǔ)電、用電的更靈活地組網(wǎng)，有效解決海島、牧區(qū)、邊防哨所和偏遠(yuǎn)農(nóng)村等無(wú)電或缺電區(qū)域場(chǎng)景應(yīng)用；可直接和新能源光伏、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能對(duì)接，實(shí)現(xiàn)戶外、移動(dòng)、應(yīng)急等場(chǎng)景的便捷應(yīng)用和快速部署。面對(duì)未來(lái)更為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)直流電器在安全和智能化控制保護(hù)方面的挑戰(zhàn)也更為嚴(yán)峻，雖然低壓直流電器在一定程度上能提升頻繁接觸場(chǎng)景用電安全性，但在源荷匹配以及區(qū)域構(gòu)網(wǎng)的系統(tǒng)安全性要求和處理方式還需開展深入的標(biāo)準(zhǔn)研究和應(yīng)用驗(yàn)證。

3 總結(jié)與建議

為應(yīng)對(duì)直流家電產(chǎn)品開發(fā)需求，從產(chǎn)品安全、性能方面梳理了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性和對(duì)照原則，初步建立標(biāo)準(zhǔn)制定的思路和方法，并在企業(yè)內(nèi)部形成了系列直流電器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有效地指導(dǎo)直流電器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了直流電器在示范工程項(xiàng)目的應(yīng)用，本文認(rèn)為可以在以下幾個(gè)方面開展深入研究并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)完善：

（1）對(duì)于直流電弧及絕緣等安全評(píng)價(jià)方面，深入研究產(chǎn)生的機(jī)理和特性，以及應(yīng)用中對(duì)設(shè)備和人體安全帶來(lái)的影響，并研究相應(yīng)的解決方案，形成更全面具體的評(píng)價(jià)方法。

（2）直流供用電環(huán)境更為復(fù)雜，供電端離散型電力電子變流器替代變壓器，用電端去掉整流濾波緩沖環(huán)節(jié)，供用兩端接入和運(yùn)行友好性問(wèn)題已在示范應(yīng)用中顯現(xiàn)出來(lái)，需進(jìn)一步研究和完善直流電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和直流電器產(chǎn)品EMC測(cè)試的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）直流電應(yīng)用可能存在的電化學(xué)腐蝕、電極化現(xiàn)象等可能對(duì)某些場(chǎng)景的設(shè)備安全帶來(lái)一定影響，需要研究直流電的效應(yīng)特性以及帶來(lái)的影響，并研究應(yīng)用解決方案，形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

在標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面，現(xiàn)有家電標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)直流家電標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)具有指導(dǎo)意義，但也存在不適用的問(wèn)題，這些問(wèn)題涉及到標(biāo)準(zhǔn)框架的各大類，無(wú)法歸類到共性技術(shù)上，面臨大量的研究和標(biāo)準(zhǔn)修訂工作。在直流技術(shù)發(fā)展初期，建議在家電標(biāo)準(zhǔn)框架研究方面建立專門的工作組，針對(duì)直流技術(shù)應(yīng)用的適應(yīng)性梳理形成技術(shù)路線，開展關(guān)鍵技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析，并系統(tǒng)地搜集應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，做好標(biāo)準(zhǔn)與各行業(yè)對(duì)接，與國(guó)際的接軌，借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域優(yōu)秀的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)直流家電標(biāo)準(zhǔn)體系的完善，實(shí)現(xiàn)社會(huì)智力資源的集約化利用，提升標(biāo)準(zhǔn)化水平。