唐文強(qiáng) 范凌云 廖俊豪,3 毛朝陽 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)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東珠海 519070；

3.國創(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《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)?；瘧?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，在第九屆中國順德國際家用電器博覽會(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、歐洲等國家和地區(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]?；谧冾l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際標(biāo)準(zhǔn)或國外先進(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、韓走過的幾十年的發(fā)展歷程[12]。我國現(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)，促使我國家電行業(yè)能適應(yīng)激烈的國際競(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。

我國于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，傳輸過程的場(chǎng)特性主要呈現(xiàn)為電場(chǎng)。

從應(yīng)用來看，由于交流電在傳輸過程中呈現(xiàn)電磁場(chǎng)特性，可以通過電磁感應(yīng)的方式方便的進(jìn)行升降壓傳輸，同時(shí)，傳輸過程也會(huì)伴隨趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)等問題。直流的電壓變換需要通過開關(guān)電路來實(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)定帶來影響，具體來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。交流電有過零點(diǎn)，交流電弧具有近陰極效應(yīng)，當(dāng)電壓過零時(shí)，氣體的電離過程停止，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極附近，在電壓換向后，原先的陽極變成陰極，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。而直流電沒有過零點(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)，通過加入主動(dòng)保護(hù)功能解決直流電弧問題，對(duì)于與民眾接觸更為頻繁的家用電器來講，直流電弧檢測(cè)保護(hù)或是未來標(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、過壓保護(hù)裝置工作帶、過壓跳閘帶、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版征求意見稿。工作組在標(biāo)準(zhǔn)研制過程中，調(diào)研和分析了國內(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)用過程中防反接、防錯(cuò)接和插拔過程中的直流電弧問題[18]。文獻(xiàn)[19]對(duì)國內(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)量問題的分析，仍可遵循從干擾來源、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)通信故障等問題，雖然直流電器產(chǎn)品可以通過改進(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)用過程中出現(xiàn)問題的權(quán)責(zé)劃分和售后問題處理，對(duì)于電器廠商來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)國家和地區(qū)的聯(lián)系還未有如此緊密，各國根據(jù)國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)萬物互聯(lián)起到重要的推動(dòng)作用，給消費(fèi)者的使用帶來了極大的便捷。

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)行友好性問題已在示范應(yīng)用中顯現(xiàn)出來，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)備安全帶來一定影響，需要研究直流電的效應(yīng)特性以及帶來的影響，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題，這些問題涉及到標(biāo)準(zhǔn)框架的各大類，無法歸類到共性技術(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)用過程中存在的問題，做好標(biāo)準(zhǔn)與各行業(yè)對(duì)接，與國際的接軌，借鑒國內(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。