李露露　雍　靜　梁仕斌　田慶生　曾禮強

民用低壓直流供電系統(tǒng)保護綜述

李露露1雍靜1梁仕斌2田慶生2曾禮強1

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué)) 重慶 400030 2. 云南電力試驗研究院（集團）有限公司 昆明 650217）

節(jié)能環(huán)保的低壓直流供電方式在民用建筑等常規(guī)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛能，保護與安全問題的解決是其推廣的關(guān)鍵。相較傳統(tǒng)交流系統(tǒng)而言，直流系統(tǒng)的保護面臨著更多挑戰(zhàn)，目前該方面的研究綜述鮮見。本文嘗試根據(jù)國內(nèi)外已有的文獻資料，從民用的角度出發(fā)，對低壓直流供電系統(tǒng)中涉及電氣安全的保護策略、短路電流計算、直流滅弧問題、電容放電問題、電擊防護、末端過電流保護和負載保護的特殊要求等方面的研究現(xiàn)狀做了一個較為全面的闡述。同時，提出了低壓直流供電系統(tǒng)保護需要進一步解決的問題。

低壓直流供電系統(tǒng) 保護 電氣安全 電擊防護 短路

0　引言

近年來，一些可直接使用直流電的家電設(shè)備不斷涌現(xiàn)，如計算機、液晶電視、變頻空調(diào)和電冰箱等。目前，這些家電都經(jīng)過整流裝置將交流電轉(zhuǎn)化為直流電使用，由此，研究者提出了在用戶末端直接采用低壓直流（Low Voltage Direct Current，LVDC）供電的構(gòu)想，這種供電方式不僅能減少電能變換環(huán)節(jié)，降低系統(tǒng)電能損耗，還能消除其中的諧波污染，提高電能質(zhì)量[1]。事實上，早在1997年，荷蘭能源研究中心（ECN）就提出了在住宅中采用直流供電技術(shù)的實施方案，國際能源機構(gòu)（IEA）、美國電力研究會（EPRI）都對民用建筑實施直流供電的技術(shù)給予高度關(guān)注。隨后歐洲和日本等國家和地區(qū)陸續(xù)進行了相關(guān)的研究和開發(fā)工作，并先后推出了一系列直流供電技術(shù)驗證項目及示范工程[2]。隨著電力電子技術(shù)的成熟、綠色分布式能源的發(fā)展以及直流家電的開發(fā)，LVDC有望進一步向民用建筑等常規(guī)領(lǐng)域推廣[3]。

民用建筑等常規(guī)領(lǐng)域一般處于非電氣專業(yè)場所，直接面向非電氣專業(yè)人員，且分布廣泛、環(huán)境情況復(fù)雜多樣，這種工程背景使LVDC供電系統(tǒng)的安全保護問題顯得特別突出[4]。同時，因直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異、直流電不存在自然過零點、直流線路阻抗小及直流設(shè)備一般對過電流（過電壓）更為敏感等原因，LVDC供電系統(tǒng)的保護設(shè)計相較傳統(tǒng)交流系統(tǒng)而言面臨著更多的挑戰(zhàn)[5]。為此，國際電工委員會（IEC）于2009年在小于1 500V的LVDC供電系統(tǒng)方面成立了戰(zhàn)略小組，美國EMerge Alliance聯(lián)盟也著手制定適用于商業(yè)產(chǎn)品的直流供電標準[6]。

低壓直流供電方式在民用建筑等常規(guī)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，其安全保護問題的成功解決將成為LVDC向常規(guī)領(lǐng)域推廣的關(guān)鍵所在。目前，LVDC供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，電壓等級也不盡相同，這使得其保護與安全問題各有特殊性。低壓供電系統(tǒng)的安全主要體現(xiàn)為有合適的接地措施，并在故障時能保證電氣設(shè)備及人身的安全[7]，本文將結(jié)合已有文獻，討論常見的LVDC供電系統(tǒng)的保護差異及需共同解決的難題，并與傳統(tǒng)低壓交流系統(tǒng)進行比較，提出可能的解決方案，為LVDC的進一步推廣與應(yīng)用提供一定的參考和依據(jù)。

1　LVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

低壓直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)線、末端母線形式及母線電壓等級，它們決定了系統(tǒng)的保護設(shè)計和安全性。常見的低壓直流母線電壓等級有48V、220V、300V、380V和750V等[8]。為保證供電可靠性和充分利用綠色能源，分布式電源及儲能系統(tǒng)必將大量接入，這使得LVDC供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，主要可分為直流放射型[9]、直流環(huán)型[10]和交直流混合型[11]，如圖1所示。而在進入用戶的末端母線處，為滿足不同用戶的需求，又可具體分為單極結(jié)構(gòu)[12]、雙極結(jié)構(gòu)[13]與雙層電極結(jié)構(gòu)[14]，如圖2所示。

圖1　低壓直流供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接線Fig.1　Network topologies of LVDC distribution system

圖2　末端母線形式Fig.2 Terminal bus forms

2　LVDC系統(tǒng)的保護策略

主網(wǎng)絡(luò)中的母線電壓恒定是直流供電系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行的前提。當(dāng)母線發(fā)生故障時，將影響到所有的分布式電源及負荷，這除了需要在系統(tǒng)中配置性能良好的能量平衡控制系統(tǒng)外，還需要系統(tǒng)具備能快速切除故障的保護機制。

2.1放射型結(jié)構(gòu)的保護

放射型結(jié)構(gòu)較為簡單，文獻[15,16]根據(jù)LVDC系統(tǒng)中含有大量換流器的特點，提出如圖3所示的集中監(jiān)控保護策略。該保護系統(tǒng)利用換流器與接觸器相結(jié)合的方式：當(dāng)故障發(fā)生時首先阻斷換流器；待故障電流衰減至接觸器的額定開斷電流時切斷故障，使故障點與電源隔離；再恢復(fù)換流器的工作，保證其他非故障電路繼續(xù)正常運行。圖4所示為利用該方法實現(xiàn)短路保護的實驗及仿真波形，其暫態(tài)過程可在8～10ms內(nèi)完成，具有良好的動態(tài)性能。

圖3　放射型結(jié)構(gòu)的保護Fig.3　The protection of radial-type

圖4　短路故障后的電流波形Fig.4　Current curve after short fault

該保護策略要求換流器為全控型裝置，對含有續(xù)流二極管的換流器，如典型的電壓源型換流器（Voltage Source Converter, VSC），可將不可控二極管用可關(guān)斷器件替代[17]，如圖5所示，改用IGBT/二極管串聯(lián)支路或射極關(guān)斷晶閘管（Emitter Turn-Off Device, ETO），避免故障發(fā)生后的續(xù)流現(xiàn)象及換流器被過大的短路電流損壞。

圖5　傳統(tǒng)IGBT中二極管的替換Fig.5　Replacement of diode in traditional IGBT

2.2環(huán)型結(jié)構(gòu)的保護

環(huán)型結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)的特殊性，采取上述集中保護控制的方式將較為復(fù)雜。文獻[18]利用連接在交流側(cè)的交流型斷路器實現(xiàn)故障電流的開斷，而直流側(cè)的開關(guān)只用作故障隔離。文獻[10]則提出在每兩個連接組件之間分段控制的方法，并通過續(xù)流電路來限制過大的故障電流。各分段控制系統(tǒng)之間相互獨立，如圖6所示（其中B、C段的保護控制系統(tǒng)同A段，未示出）。該方法通過主-從控制器監(jiān)測分段兩側(cè)電流信號的差異而產(chǎn)生動作命令。圖7所示為利用該方法實現(xiàn)接地故障保護的實驗波形，該方法可迅速隔離故障，并恢復(fù)系統(tǒng)母線電壓。

圖6　環(huán)型結(jié)構(gòu)的保護Fig.6　The protection of loop-type

圖7　接地故障后的母線電壓Fig.7　Bus voltage after grounding fault

2.3交直流混合型結(jié)構(gòu)的保護

交直流混合系統(tǒng)的保護需要同時考慮兩個子系統(tǒng)及其相互影響。文獻[11]指出，交直流混合型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在基于IEC 62850的高速通信網(wǎng)絡(luò)、智能開關(guān)設(shè)備及在線監(jiān)測等技術(shù)基礎(chǔ)上，利用集成保護控制（Integrated Protection and Control, IPC）單元，對交、直流部分分別實現(xiàn)保護與控制是可行的。對于低壓直流部分而言，其保護設(shè)計與放射型直流供電系統(tǒng)相似，也可設(shè)計為如圖3所示的集中式監(jiān)控與保護系統(tǒng)。

3　短路電流計算

短路故障是供電系統(tǒng)中最為嚴重的故障之一，而短路電流的動態(tài)分析則是配置保護設(shè)備、整定保護動作參數(shù)的必要步驟。

3.1典型直流供電系統(tǒng)的短路電流

直流供電系統(tǒng)中一般含有多種電源裝置，文獻[19]結(jié)合標準IEC 61660-1分析了四種典型直流電源裝置在短路故障時的電流波形，如圖8所示。對于公共母線或支路處的短路故障，短路電流可由各電源裝置獨立提供的短路電流求和得到，其通用表達式為

式中，Ik為準穩(wěn)態(tài)短路電流（定義為短路持續(xù)1s后的故障電流）；ip為尖峰電流；tp為達到尖峰電流的時間；τ1、τ2為上升、下降時間常數(shù)；各參數(shù)值由具體的電源電路決定。

圖8　典型短路電流曲線Fig.8　Typical short circuit current curves

3.2有保護動作的短路電流

（1）故障后換流器關(guān)斷。當(dāng)故障發(fā)生后，換流器切換至關(guān)斷模式時，等效電路可簡化為圖9所示電路，此時的短路電流計算式為[15]

式中，Vg為每個換流器前端的等效電壓；n為供電換流器的個數(shù)；RF為等效短路電阻；Lout、Cout分別為換流器輸出濾波器的電感、電容值；LCB、RCB為換流器到短路故障點的線路參數(shù)。

圖9　換流器關(guān)斷后的等效故障電路Fig.9　Equivalent fault circuit when converters are in cut-off mode

（2）故障后利用續(xù)流支路續(xù)流。故障被隔離后，故障電流將通過如圖10所示的續(xù)流電路續(xù)流，此時短路電流計算式為[10]

圖10　故障續(xù)流支路Fig.10　Fault freewheeling branches

式中，VS是分段線路的電壓；Req是電源、線路、故障點的等效電阻之和；Rfw、Lfw分別為續(xù)流電路的電阻、電感，且不同故障類型的續(xù)流通路不同[10]。

4　LVDC系統(tǒng)保護的其他關(guān)鍵問題

4.1直流電弧難以熄滅

因直流電不存在自然過零點，直流電弧難以熄滅一直是直流供電系統(tǒng)保護設(shè)計的難點。為解決這一問題，各生產(chǎn)廠家不斷推出更高分斷、滅弧能力的直流斷路器產(chǎn)品，但隨著直流系統(tǒng)容量的進一步提升，該方法從技術(shù)難度與經(jīng)濟性的角度考慮均存在一定的局限性。另一種解決該問題的主要方法為利用直流故障限流器（Direct Current Fault Current Limiter, DC-FCL）來限制過大的故障電流。國內(nèi)外有關(guān)限流技術(shù)的報道多數(shù)針對交流系統(tǒng)，直流FCL的研究尚未成熟。其中，超導(dǎo)限流器是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)品，但由于材料和制冷等問題，目前應(yīng)用還為時尚早。而隨著電力電子器件功率、性能的提高，固態(tài)限流器成為較現(xiàn)實的技術(shù)途徑，圖11所示為一種可行的結(jié)構(gòu)[20]。

圖11　直流固態(tài)限流器Fig.11　Direct current fault current limiter

當(dāng)負載正常運行時，該直流固態(tài)限流器作LC濾波器使用；當(dāng)負載發(fā)生短路故障時，電路即切換至Buck模式，對其進行電流斬控，限制短路電流。若故障在設(shè)定的時間（Tlim）未能消除，則控制切斷電源。圖12所示為使用限流器與未使用限流器的短路故障電流比較；該裝置同時具有限流保護、開關(guān)功能，可部分替代直流斷路器使用。

圖12　短路時的限流過程Fig.12　Current limiting when short fault occur

4.2直流電容的放電問題

與交流系統(tǒng)不同，直流系統(tǒng)中需要大量用于能量存儲、平波作用的并聯(lián)電容器[21]。當(dāng)發(fā)生短路故障時，電容中儲存的能量會迅速向短路點釋放，其放電電流可達數(shù)千安培到數(shù)萬安培不等，這取決于電容器的容量及換流器的設(shè)計，圖13所示為典型DC-DC變換器下游故障時，不同位置處的電容放電電流。該現(xiàn)象極有可能導(dǎo)致斷路器的誤動作[7]，且過大的電容放電電流也可能使電容器或其他電力器件因此而損壞。

圖13　不同位置處的典型電容放電電流Fig.13　Typical capacitive discharge current profiles in different locations

圖14　電容直流斷路器保護裝置Fig.14　CDCCB protection

解決該問題的主要途徑可分為兩種，一是在保證系統(tǒng)原有控制品質(zhì)的前提下盡可能地減小直流母線平波電容的容量，采取小容量薄膜電容和有源補償裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大容量電解電容[22,23]，或采用模塊化多電平換流器（Modular Multi-level Converter, MMC）、電流源型換流器（Current-Source Converter, CSC）等不含大容量電容的換流器[17]均是較為有效的方式。另一種解決方法為直接消除電容放電的影響，如針對換流器輸入端電容，可根據(jù)直流電單相導(dǎo)通特性，在負載支路前端串聯(lián)二極管來防止母線短路時斷路器輸入端電容電流的反灌[24]。文獻[25]則提出采用快速電容保護設(shè)備，如基于ETO的電容直流斷路器（Capacitor Direct Current Circuit Breaker, CDCCB），如圖14所示。它可以保證在電容放電電流達到設(shè)定值時有效、迅速地切斷電容器放電電路，其分斷時間可達小于10μs，避免出現(xiàn)過大的短路電流，保護電容器及敏感設(shè)備。

5　LVDC系統(tǒng)的電擊防護

在民用低壓末端配電系統(tǒng)中，因帶電導(dǎo)線發(fā)生碰殼接地故障而引發(fā)電擊事故十分常見。系統(tǒng)的電擊防護性能與系統(tǒng)電壓等級、接地形式及相應(yīng)的保護設(shè)置有關(guān)。

5.1直流安全電壓

安全電壓是保證人體在發(fā)生電擊事故時不至引發(fā)致命危險（心室纖維性顫動）的最低電壓，它是民用低壓供電系統(tǒng)保護設(shè)計中的重要參數(shù)。值得注意的是，直流電對人體的電擊效應(yīng)與發(fā)生電擊時流過人體的電流方向極其相關(guān)[26]，這一點與交流系統(tǒng)有本質(zhì)上的區(qū)別。如圖15所示，當(dāng)發(fā)生正、負極電擊事故時，通過人體的電流方向正好相反（考慮人體豎直站立于地面）。IEC 60479指出，人體通過直流電時，向上流動時引發(fā)致命危險的幾率約為向下流動時的2倍。

圖15　正、負極電擊時通過人體的電流方向Fig.15　Current direction through body when positive or negative electric shock occurs

IEC標準中規(guī)定通過人體縱向向上的直流電的安全電壓為120V[26]，但其考慮的直流電是不含紋波的純直流電。在實際工程中，目前所能獲得的直流電一般都經(jīng)過電力電子裝置變換而來，均含有一定的紋波。IEC TC64 MT17工作小組對此進行了修正，給出更為保守的90V直流安全電壓[27]。則相應(yīng)地，對通過人體電流縱向向下的情況，可適當(dāng)放寬對安全電壓的限值要求至180V，或按照負極電擊的情況作最保守的估計。

由以上分析可知，不同母線型式的電擊防護性將存在差異。雙極結(jié)構(gòu)將母線對地電壓減小為單級結(jié)構(gòu)的1/2，從電擊防護的角度考慮是更優(yōu)的選擇。而雙層電極結(jié)構(gòu)具有兩種不同的電壓等級，對于二級低壓母線，如DC 48V母線，其滿足直流安全電壓要求，可不需設(shè)置間接電擊防護措施。同時，考慮到直流電正、負電壓的電擊效應(yīng)差異，對于單極結(jié)構(gòu)、雙層電極結(jié)構(gòu)均建議采用正電壓供電，如+380V，+220V，+48V等。

5.2各接地形式的電擊防護性能

由接地形式?jīng)Q定的電擊防護性能是保障系統(tǒng)電氣安全最重要的因素之一。根據(jù)IEC 60364-1[28]對直流系統(tǒng)接地形式的定義，與交流系統(tǒng)一樣，也可分為TT（T=電源側(cè)直接接地；T=用電設(shè)備外露導(dǎo)電部分直接接地）、IT（I=電源側(cè)不接地；T=用電設(shè)備外殼直接接地）、TN（T=電源側(cè)接地；N=用電設(shè)備外殼經(jīng)保護線與電源接地點連接）三種接地形式，其中電源接地點可為正極、負極和中點。圖16所示為以中點為電源接地點的雙極直流系統(tǒng)的各接地形式。

圖16　低壓直流系統(tǒng)的接地形式Fig.16　 Grounding types of LVDC system

現(xiàn)有低壓直流供電系統(tǒng)大多采用無中線的IT系統(tǒng)[29-30]，IT系統(tǒng)中發(fā)生電擊事故時，人體預(yù)期接觸電壓（Prospective Touch Voltage, PTV）一般能有效控制在1V內(nèi)，幾乎不對人體造成傷害，電擊防護性能十分出色。但該系統(tǒng)的接地故障難以監(jiān)測[31]，容易引發(fā)多點接地而轉(zhuǎn)化為短路故障，且用戶也無法用電筆探測出直流電的極性。相比而言，雖然TT與TN系統(tǒng)的PTV往往不能達到安全電壓限制的要求，但通過配置合適的保護設(shè)備，仍可保證人身安全。在我國傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，TN系統(tǒng)就因能將接地故障轉(zhuǎn)化為短路故障，利于保護設(shè)備的動作而得到了廣泛應(yīng)用[4]。但在民用低壓直流供電系統(tǒng)中，接地故障的發(fā)生頻率相較極間短路故障發(fā)生頻率高得多，TN系統(tǒng)這一特性將不利于系統(tǒng)中大量存在的對過電流敏感的電力電子器件，也對保護設(shè)備提出了更為苛刻的要求。因此，TT系統(tǒng)是未來直流供電系統(tǒng)所推薦的接地形式[32]。

5.3接地故障保護

接地故障的監(jiān)測與保護依賴于接地形式的選擇。對于TT系統(tǒng)，可參照交流系統(tǒng)的接地保護設(shè)置，采用剩余電流保護器（Residual Current Devices, RCD）來實現(xiàn)，但應(yīng)注意用于直流系統(tǒng)的RCD動作原理不同于交流系統(tǒng)，恒定的直流電不能形成變化的磁通，因而無法產(chǎn)生動作信號，文獻[33]提出將磁通量監(jiān)測技術(shù)融入直流RCD中，但目前尚未有可用的商業(yè)化直流RCD，這還需要各界制造商及同行的共同努力。而對于IT系統(tǒng)，尤其是電源側(cè)不接地的情況，與交流系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)接地故障時通過對地分布電容產(chǎn)生的漏電流幾乎為零，為此，學(xué)者們對該領(lǐng)域開展了大量的研究工作[34,35]，但研制出經(jīng)濟實用的直流絕緣監(jiān)測裝置仍然任重而道遠。對于TN系統(tǒng)，因其將接地故障轉(zhuǎn)化為短路故障，直流系統(tǒng)的過電流保護設(shè)備極有可能因此動作，此時的接地故障監(jiān)測與定位需結(jié)合具體情況另作考慮[36]。

6　LVDC系統(tǒng)的末端過電流保護

對于一個擁有良好控制及保護功能的直流系統(tǒng)，末端配電系統(tǒng)的電源可看作一個穩(wěn)定的理想直流源，相較主網(wǎng)絡(luò)而言，其保護設(shè)置相對簡單，可直接利用斷路器或熔斷器等保護設(shè)備的相互配合實現(xiàn)過電流保護。

6.1 保護設(shè)備的選取

在LVDC末端配電系統(tǒng)中，斷路器或熔斷器仍然是目前商業(yè)化可用的保護設(shè)備。其中，有專為直流系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)備，但多數(shù)在交流系統(tǒng)中使用的設(shè)備對直流系統(tǒng)同樣適用，只需調(diào)整額定參數(shù)的選取。文獻[8]給出了LVDC系統(tǒng)中熔斷器、斷路器的選取與交流系統(tǒng)的差異。

（1）斷路器。斷路器中的脫扣裝置是斷開短路故障的主要元件，對于瞬時動作的磁脫扣裝置，其感應(yīng)電流為瞬時值，則用于直流系統(tǒng)的額定電流應(yīng)為交流系統(tǒng)的2倍；對于長延時動作的熱脫扣裝置，其感應(yīng)電流為有效值，用于直流、交流的額定電流相同。另外，在直流系統(tǒng)中，可將斷路器的多級觸頭串聯(lián)使用[1]，以提高滅弧及分斷能力，若仍無法滿足要求，可采用增設(shè)故障限流器或能制造人工零點的諧振混合型直流斷路器等來解決，如圖17所示。

（2）熔斷器。熔斷器的額定電流、額定電壓參數(shù)均以有效值形式給出，對于交流、直流系統(tǒng)均適用。但在直流系統(tǒng)中應(yīng)用時，應(yīng)注意系統(tǒng)的時間常數(shù)（由直流系統(tǒng)自身參數(shù)決定），時間常數(shù)決定了故障電流的上升速率，并影響熔斷器的動作。較小的時間常數(shù)（＜2.5ms）可使熔斷器迅速動作并順利滅弧，而時間常數(shù)＞6ms后，熔斷器的分斷及滅弧將變得困難。另一方面，出于可靠性和靈敏性的考慮，熔斷器并非過電流保護的最佳選擇，但可用作后備式的保護，或用于只要求快速響應(yīng)而不需要系統(tǒng)自動恢復(fù)的場所，如發(fā)電機換流器出線處的保護。

圖17　三級串聯(lián)的斷路器與混合型直流斷路器Fig.17　 Circuit breakers of three poles in series and hybrid dc circuit breaker

6.2 保護配合

與交流系統(tǒng)一樣，低壓直流系統(tǒng)的過電流保護也應(yīng)相互配合，滿足選擇性的要求。在整定各級保護設(shè)備的動作值時，應(yīng)按照至下而上的設(shè)計方式，如先選擇負載端斷路器的動作值，再選擇電源側(cè)的斷路器保護動作值，最后整定作為后備式保護的熔斷器。同時，還可參考低壓交流系統(tǒng)設(shè)計為三段式的動作方式[37]，實現(xiàn)電流速斷保護—限時電流速斷—定（反）時限過電流保護相配合的保護策略，并將不同支路的變換電源設(shè)為互為備用，保證供電的連續(xù)性。但應(yīng)注意的是，對于自身含有限流功能的直流系統(tǒng)，若仍按照交流系統(tǒng)中的過電流保護整定方法（在工程設(shè)計中通常為計算電流的6～16倍），則此時的故障電流可能達不到整定值而無法使保護設(shè)備動作[38]，因此，應(yīng)重新考慮斷路器等過電流保護的動作值整定倍數(shù)。

7　負載保護的特殊要求

7.1 極性矯正

與交流系統(tǒng)不同，直流系統(tǒng)電源一般有正、負極之分，當(dāng)正、負極反接時，設(shè)備極有可能無法正常工作，且容易引發(fā)設(shè)備故障、火災(zāi)隱患。其中一種解決方法是采用特殊形狀的接線板防止該類問題的發(fā)生[39]，如圖18所示。但該方式仍需用戶在維修或安裝時判別直流電源的極性，也不便于與目前的交流轉(zhuǎn)接設(shè)備過渡。文獻[40]進一步提出在直流家電設(shè)備電源進線前端設(shè)置如圖19所示的極性矯正電路。

圖18　特殊的直流接線面板Fig.18　 Special DC connection panel

圖19　輸入極性矯正電路Fig.19　　　 Schematic of input polarity correction circuit

當(dāng)負載的輸入端連接到電源后，首先通過與各MOSFET（見圖19中S1～S4）反并的二極管進行初步的矯正，與此同時，輸入電源的極性可自動由并聯(lián)在下側(cè)MOSFET上的電阻傳感器測得，并通過功率放大器驅(qū)動對應(yīng)一組的MOSFET導(dǎo)通，以代替原有的二極管，完成對輸入電源極性的矯正。該電路結(jié)構(gòu)簡單，且不需要其他的輔助控制器即可實現(xiàn)對直流輸入電源的自動校正。

7.2 接線板-插頭

接線板-插頭是民用低壓供電系統(tǒng)中使用、分配電能的必備設(shè)備，其分布范圍十分廣泛。常用的交流型多功能接線板與插頭應(yīng)用于直流電時會產(chǎn)生較大的電弧，這不僅會對人身安全帶來不利，還可能引發(fā)電氣火災(zāi)[41]。文獻[42]介紹了由日本NTT通信公司與富士通公司聯(lián)合開發(fā)的可適用于DC 400V通信數(shù)據(jù)中心、商業(yè)建筑、智能供電系統(tǒng)等的直流專用型接線板-插頭，它具備滅弧、防電擊和機械式安全鎖三大功能，其基本結(jié)構(gòu)如圖20所示。

該接線板-插頭將機械觸頭與永磁體結(jié)合在有限的空間內(nèi)，并設(shè)計了獨特的滑動開關(guān)，只有當(dāng)設(shè)備使用時，滑動開關(guān)才能將電源觸頭閉合。相應(yīng)地，只有當(dāng)滑動開關(guān)關(guān)斷、電弧通過永磁體強制滅弧后，才能拔出插頭，以此保證設(shè)備及人身安全，并能避免無意的誤操作。同時，該設(shè)計還能避免在使用過程中因插頭松動而造成的電弧火災(zāi)隱患，且無需輔助電源及復(fù)雜的電子電子電路，結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能、可靠。同理，對于大功率的直流家電設(shè)備，其自身的開關(guān)也應(yīng)重新設(shè)計，解決切斷直流電時的電弧問題，以免對人身安全造成威脅。

圖20　直流型接線板-插頭結(jié)構(gòu)Fig.20　 Configuration of DC plug and socket-outlet

7.3 電涌保護

在低壓配電系統(tǒng)中，常配置浪涌保護器（Surge Protective Device，SPD）用以保護電器電子系統(tǒng)免遭雷電或操作過電壓及涌流的損害。直流系統(tǒng)的雷電流分配與交流系統(tǒng)不同，且直流電無自然過零點、直流系統(tǒng)的時間常數(shù)及直流系統(tǒng)電源特性等因素均對直流SPD的選取及參數(shù)設(shè)置造成影響。IEC有關(guān)SPD設(shè)置的標準主要針對傳統(tǒng)交流系統(tǒng)，2012年6月，歐洲頒布了最終的FprEN 50539—11：《低壓電涌保護器—包括直流特定應(yīng)用電涌保護器—第11部分：應(yīng)用于光伏裝置SPD的要求與試驗（草案）》，提出了含光伏發(fā)電的直流系統(tǒng)浪涌保護器相關(guān)要求和試驗方法[43]。

8　LVDC系統(tǒng)保護標準

目前，低壓直流供電系統(tǒng)的保護缺乏統(tǒng)一的規(guī)范與標準，尤其是對于民用建筑等常規(guī)領(lǐng)域。以我國引進或制定的行業(yè)標準為例，如YDT 2387《通信用240V直流供電系統(tǒng)》，GB/T 18487《電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)》，GB/T 10411《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》，DL/T 5044《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》等，但這些標準均針對于專業(yè)場所，面向的操作人員也經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練，對系統(tǒng)電氣安全性能要求相對較低，因此從電氣安全角度考慮，上述直流供電系統(tǒng)的保護技術(shù)要求并不適用于民用供電場所。而傳統(tǒng)交流系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗對直流系統(tǒng)不再適用，但具有一定的借鑒意義，如文獻[44]分析了交流系統(tǒng)中的IEC 60335《家電和類似電器的安全》，將其中用于直流系統(tǒng)時需改進的條例進行了分析。GB/T 18216《交流1 000V和直流1 500V以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全》等少數(shù)標準中提及到一些有關(guān)直流系統(tǒng)的安全保護導(dǎo)則，但仍需進一步完善。直流系統(tǒng)的故障類型、故障后果與交流系統(tǒng)都有不同，參照結(jié)合已有的低壓交、直流供電系統(tǒng)的安全保護準則，制定統(tǒng)一的標準與規(guī)范保障直流系統(tǒng)中設(shè)備及人身的電氣安全將促進直流供電方式的長足發(fā)展。

9　結(jié)論

（1）電力電子器件將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的保護設(shè)備，在未來直流供電系統(tǒng)保護中展現(xiàn)更大的潛力。利用系統(tǒng)中大量使用的換流器裝置可使保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化，但應(yīng)注意各種保護設(shè)備在電源自身具有限流功能下的相互配合。

（2）直流供電系統(tǒng)的安全電壓可考慮為90V，直流電比交流電更為安全。從電擊防護的角度考慮，建議在LVDC系統(tǒng)中采用正極性的電壓供電；未來直流系統(tǒng)的接地形式推薦采用TT系統(tǒng)。

（3）對負載而言，現(xiàn)有的一些可直接使用直流電的家電設(shè)備仍需做一些改進，如增設(shè)極性矯正電路等。直流電弧的分斷問題應(yīng)引起重視，采用直流專用插座、重新設(shè)計大功率直流家電的開關(guān)裝置是有必要的。

（4）LVDC系統(tǒng)統(tǒng)一、規(guī)范化的模型結(jié)構(gòu)是研究直流系統(tǒng)保護設(shè)計的基礎(chǔ)，直流系統(tǒng)安全保護方面的標準有待進一步完善，這將促進直流供電方式向民用建筑等常規(guī)領(lǐng)域推廣。

（5）目前，LVDC系統(tǒng)保護研究尚處于起步階段，一些商業(yè)化的專用保護設(shè)備仍缺乏，如直流RCD、直流SPD等。如何統(tǒng)一協(xié)調(diào)、優(yōu)化保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各種新型保護設(shè)備的能量損耗與經(jīng)濟性評估將是未來進一步需要解決的問題。

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李露露 女，1989年生，博士研究生，主要從事電氣安全研究。

雍 靜 女，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電能質(zhì)量、電氣安全研究。（通信作者）

A Review of Civil Low Voltage DC Distribution System Protection

Li Lulu1Yong Jing1Liang Shibin2Tian Qingsheng2Zeng Liqiang1
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400030 China 2. Yunnan Electric Power Test and Research Institute Co. Ltd. Kunming 650217 China）

Low voltage direct current (LVDC) distribution systems have great potential application in conventional areas, such as residential buildings, and the promotion of LVDC is constrained by the lack of appropriate protection and security guarantees. Compared with traditional AC system, DC systems face more challenges, but related reviews are rare at present. This paper conducts a comprehensive overview regarding questions in electrical safety of LVDC distribution system, including protection scheme, short current calculation, dc arc extinction, capacitor discharge, protection against electric shock, terminal over-current protection, and special requirement of load protection from the civil point of view. The issues needed more research works and discussions are also presented.

Low voltage direct current distribution system, protection, electrical safety, protection against electric shock, short circuit

TM77

國家自然科學(xué)基金（51207174）和南方電網(wǎng)科技項目（K-YN2012-461）。

2015-07-05 改稿日期 2015-09-22