唐文強 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.空調設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室 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”驅動綠色經(jīng)濟轉型，以及高清潔電力占比的新型電力系統(tǒng)推進，進一步推動技術革命和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新；新能源光伏、儲能技術快速發(fā)展迭代，促使成本不斷降低，適用化程度不斷提高，同時也推動直流技術不斷向更多的行業(yè)和領域滲透。2021年10月，“直流”和“光儲直柔”被寫入我國《2030年前碳達峰行動方案》，“光儲直柔”成為民用建筑領域發(fā)展零碳能源和實現(xiàn)碳中和的重要路徑，而機電設備直流化，特別是直流電器的規(guī)?；瘧脤⒊蔀椤肮鈨χ比帷睉玫闹匾?。

在家電領域，日本早在2007年提出“DC-House”計劃，隨后，夏普公司在日本電子展中展示了“直流生態(tài)住宅”技術和樣機，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、電視機和LED燈等供電；TDK、松下、三菱等企業(yè)分別展示相關技術研究，并展示了各自開發(fā)的住宅直流供電技術和家電樣機[1]。2009年，在第九屆中國順德國際家用電器博覽會上，展示了由廣東白色家電產(chǎn)學研創(chuàng)新聯(lián)盟直流家電技術工作組研發(fā)的直流家電樣機，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器、電冰箱、小型半導體冷藏箱、洗衣機、LED照明燈以及電源管理單元等，并以此為基礎進行了直流家電在住宅環(huán)境下運行驗證性試驗[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道，但均處于試驗驗證階段，并未實現(xiàn)規(guī)?；瘧肹3]?；谧冾l化節(jié)能技術、智能化技術和新能源光伏的推廣，在家電領域實現(xiàn)光伏儲能空調的研發(fā)與應用，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用示范[4-6]，大大促進了直流電器的發(fā)展，標志著直流家電向實用化、產(chǎn)品化邁進了一大步。

從技術實現(xiàn)方面來看，文獻[7]從功能上對各種品類進行了劃分，針對各類電器直流化可行性分析，選取了典型電器進行了直流化改造，并總結了實施步驟和關鍵技術點，最后搭建了試驗系統(tǒng)，論證了技術實現(xiàn)與應用的可行性。文獻[8]從用電效率、電能質量及可靠性等方面論證了低壓直流負載應用的優(yōu)勢，分析了不同類型直流負載接入的兼容性，并構建負載模型驗證了其在低壓直流系統(tǒng)運行的特點，論證了負載采用低壓直流供電具備可行性與優(yōu)勢。家電直流化在技術實現(xiàn)上已經(jīng)具備條件，但要達到與交流電器相當?shù)漠a(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化水平，還需要構建產(chǎn)品的設計、檢驗、生產(chǎn)、測試認證等完整體系標準。

本文以現(xiàn)行家電標準體系框架為藍本，分析家電標準體系對于直流電器的適應性，借鑒通信電子和電動汽車等行業(yè)直流技術標準制定經(jīng)驗，從交流電和直流電應用的差異點出發(fā)，分析并梳理了與直流電器相關的各類標準建設的維度和關鍵技術點，形成了關鍵技術指標制定的方法和原則，對直流家用電器體系標準的構建及關鍵技術指標制定提出了建議。

1 標準體系建設

1.1 低壓直流技術標準發(fā)展

通信領域較早地開展了針對于電信和數(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）、歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）等標準組織已發(fā)布了直流供用電系統(tǒng)相關系列標準，主要包含400 V以下直流供電系統(tǒng)架構、系統(tǒng)性能及環(huán)境影響評價方法等相關技術標準。

為應對低壓直流技術發(fā)展和應用需求，2009年國際電工委員會（IEC）啟動了LVDC相關的標準化工作，并成立工作評估組，開展LVDC配電系統(tǒng)相關技術調研和研究評估。直到2017年完成相關評估工作，發(fā)布了《2017 LVDC: electricity for the 21st century》技術報告，從標準的角度系統(tǒng)分析和評估了低壓直流技術特點、利益相關場景、市場前景和面臨的挑戰(zhàn)，提出低壓直流技術是面向21世紀的電力發(fā)展方向，充分認可了低壓直流技術發(fā)展的價值，并成立LVDC及其電力應用系統(tǒng)委員會（IEC SyC LVDC），系統(tǒng)性地開展系統(tǒng)層面的LVDC標準化工作[9]。

國內(nèi)相關行業(yè)組織也積極開展低壓直流相關技術標準的研究與制定。2017年，中國電力企業(yè)聯(lián)合會成立直流配電系統(tǒng)標準化技術委員，并牽頭制定了GB/T 35727-2017《中低壓直流配電電壓導則》等中低壓直流配電相關標準[10]；2022年，中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)布了T/CABEE 030-2022《民用建筑直流配電設計標準》團體標準[11]，給建筑直流配電設計提供了設計指導；2022年8月，全國家用自動控制器標準化技術委員會成立直流控制器工作組（SAC/TC 212/WG 11），啟動直流電器核心部件相關標準研究與制定。國內(nèi)低壓直流技術相關標準組織在電力系統(tǒng)、配用電系統(tǒng)及設備方面已經(jīng)形成部分標準，并有效指導相關設備和產(chǎn)品開發(fā)及應用；在民用設備領域，已經(jīng)完成以光伏空調為代表的交流和直流混合供電設備的產(chǎn)品化和標準制定，但對于直流電器及低壓直流用電設備方面還處于準備階段，直流電器標準的推進需要直流配用電場景標準化的進一步完善。

1.2 家用電器標準體系

我國家用電器標準發(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準或國外先進標準，并將其快速引入到家用電器的研發(fā)、設計、生產(chǎn)和管理等領域，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準體系，為企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)出高質量、高技術含量的產(chǎn)品奠定了基礎，促使我國家電行業(yè)能適應激烈的國際競爭，快速地發(fā)展成為家用電器的生產(chǎn)、消費和出口大國。

我國于2008年形成第一版家用電器標準體系框架，包含安全標準，產(chǎn)品性能及測試方法標準，零部件標準，產(chǎn)品服務、維修標準，環(huán)境和資源再生利用標準共5大系列，17個子系列。于2017年對第一版標準體系框架進行再優(yōu)化、再完善，形成了第二版家用電器標準體系框架，根據(jù)家用電器標準的發(fā)展情況重新劃分為基礎、安全、性能、共性技術、管理共5大類，包含21個小類。2019年，基于第二版家用電器標準體系框架，結合標準三維結構思想，搭建了圍繞產(chǎn)品全生命周期的家用電器三維標準體系參考模型，涵蓋了產(chǎn)品不同階段的要求，并對原有5大類標準進行豐富和完善[13]。

從現(xiàn)行家用電器標準框架體系來看，尚未充分考慮到直流家用電器發(fā)展和應用，直流家用電器的技術要求涉及到框架體系中的多個大類。直流電器應用的優(yōu)勢在于與新能源光伏、儲能、電動汽車的直接對接，實現(xiàn)光電一體化、儲用一體化和便捷移動化應用。對于家用直流電器標準制定需要考慮其面臨的新興應用場景，支持新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求，全面地分析家電行業(yè)標準體系及其對關鍵技術指標帶來影響。

2 標準適應性分析

2.1 電特性差異及影響

直流電和交流電本質上都是由電子運動產(chǎn)生，但在傳輸特性、人體安全特性、電弧特性等應用方面表現(xiàn)出明顯差異，導致其在電器產(chǎn)品應用和標準指標要求上具有一定差異，下文針對具體表現(xiàn)展開分析。

2.1.1 傳輸特性及電磁效應

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

從應用來看，由于交流電在傳輸過程中呈現(xiàn)電磁場特性，可以通過電磁感應的方式方便的進行升降壓傳輸，同時，傳輸過程也會伴隨趨膚效應和臨近效應等問題。直流的電壓變換需要通過開關電路來實現(xiàn)，系統(tǒng)呈現(xiàn)離散特性和容性特性。工頻變壓器構建的連續(xù)型交流電網(wǎng)系統(tǒng)和電力電子裝置構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具有明顯差異，在產(chǎn)品設計和評價方面主要體現(xiàn)在電能質量、EMC評價測試等標準不適用問題。在電能測量及計量上需采用不同的方法和器具，對于產(chǎn)品應用的能量計費體系和能效評價標準同樣存在不適用的問題。另外，直流電構建的磁路更加穩(wěn)定，對于保護器件的選擇和應用更具優(yōu)勢，可以讓繼電器和繼保裝置更穩(wěn)定地工作，這也是變電站、移動公司基站和銀行計算機中心的配電系統(tǒng)工作電源都采用直流屏供電的原因[14]。

從標準適應性來看，直流家電的接口呈現(xiàn)容特性，對于電壓等級、電壓偏差范圍、接地方式及接入評測要求等均與交流電器標準要求存在差異。同時，電壓等級的選擇差異，還會對產(chǎn)品設計要求的爬電距離、電氣間隙、絕緣等指標要求和電纜等部件的選擇帶來影響。

2.1.2 對人體安全特性

IEC 60479《Effects of current on human beings and livestock》系列標準詳細闡述電流對人體安全特性，直流電和交流電對人體傷害及人體反應閾值具有明顯差異，標準給出了直流電、交流電作用于人體時產(chǎn)生的電擊效應曲線[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。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（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。

圖1 不同電流形式的時間/電流效應

表1 各區(qū)域的生理效應

根據(jù)標準指標的對比分析，交流電和直流電對人體安全影響的差異主要有以下幾點：（1）直流電流比工頻交流電流誘發(fā)相同心室纖維顫動概率要低得多，電擊時間超過一個心博周期，直流電的纖維性顫動閥值比交流電的高幾倍；（2）人體對直流電流沒有感應閾值，只有在接通和斷開的瞬間有感應，同等興奮作用的反應，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人體感應的差異來看，采用直流供用電在對人體安全保護實施上具有明顯優(yōu)勢，這也會對家電安全和評價標準閾值的設定帶來影響，具體來講直流電器在漏電流、安全特低電壓、安全防護等技術指標和設計要求方面，需要根據(jù)直流用電應用場景安全需求來綜合確定。

2.1.3 電弧特性

對人體安全上直流電應用具有優(yōu)勢，但在電弧安全方面卻是直流電應用的劣勢，電弧的弧芯的溫度可以達到5000℃～15000℃，極易引起火災事故，需要特別重視。交流電有過零點，交流電弧具有近陰極效應，當電壓過零時，氣體的電離過程停止，正負粒子也都停在原位并復合，正離子質量大運動慢，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（負離子）受到在其附近存在正離子層的阻擋，使得負離子的發(fā)射在很短時間內(nèi)受阻，阻礙電弧的重新起燃。所以應用于低壓交流系統(tǒng)的各種開關電器，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，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。

在直流電器設計過程中，設計人員對于保護器件（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器件替代使用，忽略器件降額特性帶來的安全風險。對于插頭插座等插拔部件、接線壓接部件和運動部件等直流電器中起弧的高風險點，需要重點關注插拔力和接觸可靠性對接觸面壽命影響，以及壓接部件可靠性和運動折彎次數(shù)等對使用故障和壽命帶來起弧風險評價。在直流電應用成熟的光伏、儲能等領域已形成電弧檢測保護標準，通過加入主動保護功能解決直流電弧問題，對于與民眾接觸更為頻繁的家用電器來講，直流電弧檢測保護或是未來標準制定需要重點關注的方向，文獻[15]梳理了典型直流應用場景電弧檢測保護方法，初步開展了不同類型的直流電器的電弧特征和檢測識別方法研究與驗證，但要達到實用化程度還需開展更深入和全面的研究和應用驗證。直流電器產(chǎn)品對關鍵保護器件選擇和電弧處理方式的要求更嚴苛，技術實現(xiàn)難度和成本代價也會更大。

綜上所述，對于交流電和直流電在本身特性、應用及產(chǎn)生效應上的差異來看，直流電器設計和評測方面均體現(xiàn)出與現(xiàn)有交流電器不同的要求，這些要求覆蓋標準體系的各個方面，并非簡單的修訂家電標準體系中某一板塊要求就能解決的。

2.2 標準工作開展分析

2.2.1 相關標準現(xiàn)狀與分析

直流電器的規(guī)?；瘧眯枰墒旆€(wěn)定的供電環(huán)境，相關行業(yè)的標準工作者正如火如荼地開展技術標準研究與制定。直流電器應用供電環(huán)境要求主要涉及到電壓等級、接口形式、接地方式、電能質量等方面，這些也是直流電器產(chǎn)品設計需要解決的首要問題，目前家電設備對外接口要求逐步清晰，并已形成或正在制定相關行業(yè)及國家標準。

（1）在電壓等級方面，2017年IEC發(fā)布的低壓直流技術報告，對低壓直流電壓等級的選擇進行了問卷調研，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等電壓等級推薦應用的數(shù)量較高，報告給出了基于應用場景的推薦電壓帶。我國發(fā)布標準GB/T 35727-2017從傳輸容量、供電半徑、電壓偏差等技術維度的考慮，制定了直流配電的電壓等級優(yōu)選值和備選值[10]，推薦低壓直流配電系統(tǒng)的標稱電壓優(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，具有較強的寬電壓范圍運行能力，標準技術報告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個子帶，分別為：斷電帶、緊急狀態(tài)帶、標稱帶、開關、換向和保護裝置工作帶、過壓保護裝置工作帶、過壓跳閘帶、禁止帶；并在資料性附錄中對標稱電壓為350 V和700 V的直流電網(wǎng)對應“電壓帶”的狀態(tài)和場景進行了應用說明。對于直流電器的電壓選擇，文獻[17]以建筑內(nèi)的典型用電“大戶”空調為例，梳理了直流電器電壓選擇的優(yōu)選值，從功率器件、核心元器件和電機部件等發(fā)展趨勢分析，以及滿足新能源光伏和儲能便捷接入的需求，推薦直流空調采用750 V、400 V和48 V等3個等級，750 V和400 V電壓等級直流電器可以支持GB/T 35727-2017規(guī)定的-20%～5%的寬電壓運行。

圖2 IEC LVDC技術報告調研直流電壓分布

（2）在直流接口方面，尚未有可應用于直流家電的插頭插座的接口標準。2021年國家啟動直流家電插頭插座標準編制工作，并于同年12月份發(fā)布第1版征求意見稿。工作組在標準研制過程中，調研和分析了國內(nèi)外已有示范工程應用情況，結合接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，初步確定了DC 400 V和DC 48 V兩個電壓等級直流插頭插座的接口形式和技術要求，在插頭插座設計方面充分考慮了應用過程中防反接、防錯接和插拔過程中的直流電弧問題[18]。文獻[19]對國內(nèi)外直流插頭插座相關研究進行梳理和分析，提出直流插座作為直流電源和直流負荷的“橋梁”，需要重點關注未來直流電器功能向柔性、智能化發(fā)展趨勢，實現(xiàn)電的信息電子接口和電力電子接口再統(tǒng)一，實現(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)會發(fā)布USB PD3.1可支持DC 48 V，最大功率擴展到240 W，如表2所示。擴展功率范圍（EPR）對連接器和線纜等提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，未來數(shù)碼設備USB接口將實現(xiàn)更廣泛的設備接入和應用，通過產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模應用不斷降低成本，可實現(xiàn)在家電產(chǎn)品上應用，低壓直流48 V可直接對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接口技術指標

（3）在直流接地方面，標準IEC 60364-1:2005對直流系統(tǒng)接地形式進行了定義。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，但對具體應用場景未進行要求。文獻[20]從應用特點、最高危險和技術瓶頸3個維度，分析了民用建筑低壓直流供用電系統(tǒng)接地形式選擇，評估了三種接地方式的應用可行性，推薦采用IT接地方式，但必須采取技術措施，有效識別和排除兩點故障隱患。目前對直流家電產(chǎn)品的接地形式主要體現(xiàn)在直流插頭插座標準要求中，標準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》標準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，同時補充提出了DC 400 V直流插頭插座采用兩極帶接地接口形式。接地保護本身是一個系統(tǒng)問題，直流電器需要根據(jù)系統(tǒng)接地方式選擇相應接口和故障保護措施。

（4）在電能質量方面，標準技術報告IEC TR 63282:2020描述了低壓直流系統(tǒng)結構及運行電壓特性，總結了低壓直流系統(tǒng)電能質量現(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，并給出進一步標準化建議[16]，但沒有明確相關現(xiàn)象的具體評估要求。文獻[21]初步構建了直流電能質量指標體系，對相關指標進行了定義，產(chǎn)生的機理進行了分析，并對指標間的關聯(lián)性進行了驗證。對直流系統(tǒng)電能質量問題的分析，仍可遵循從干擾來源、傳遞規(guī)律和耐受能力三個維度，但需要從系統(tǒng)各級控制邏輯，保護配置、設備參數(shù)，設備運行范圍（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)中電能質量事件的產(chǎn)生，主要由于直流系統(tǒng)設備存在的大量電容，以及系統(tǒng)和設備配置的主動控制和保護功能對于系統(tǒng)運行偏差的影響。直流系統(tǒng)和關鍵設備對于不同類型的電能質量問題的耐受能力存在差異，使得相關指標要求與交流系統(tǒng)不能統(tǒng)一，所以，直流系統(tǒng)電能質量與交流系統(tǒng)的現(xiàn)象有相似之處，但指標要求存在差異。在直流電器產(chǎn)品示范應用中，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通信故障等問題，雖然直流電器產(chǎn)品可以通過改進濾波電路和采用帶屏蔽通信線纜等方式解決示范應用問題，但缺乏直流電能質量相關要求和指標評價，將直接影響應用過程中出現(xiàn)問題的權責劃分和售后問題處理，對于電器廠商來講缺乏大批量推廣應用的支撐?？傮w而言，對于直流系統(tǒng)電能質量問題評估的現(xiàn)象及測試方法已經(jīng)相對清晰，而現(xiàn)象對應指標的時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)和直流電器的實用化程度。

為推動低壓直流技術發(fā)展，國內(nèi)外建成大量直流系統(tǒng)示范開展實證驗證和應用研究，直流供電系統(tǒng)的關鍵技術指標要求已初步形成標準或正在開展研制，致使目前先行的直流系統(tǒng)示范工程的拓撲架構、電壓制式等各有特色，而直流電器產(chǎn)品也是基于示范應用需求進行定制化研制。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，直流配用電標準的制定也吸收了更多行業(yè)經(jīng)驗和建議，未來低壓直流供用電系統(tǒng)的標準將更貼近用戶。

2.2.2 直流電器標準現(xiàn)狀與分析

對家用電器本身而言，標準要求最為核心的是“安全”和“性能”兩大類，目前對于直流電器還未形成相關標準，下面主要對直流電器產(chǎn)品設計和評測方面不適用的關鍵點進行分析。

（1）在產(chǎn)品安全評價方面，我國家用電器產(chǎn)品設計及評價主要參考GB 4706（采標IEC 60335）系列標準，標準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)容上并未針對直流供電增加或修訂相關條款要求。由于直流電對人體安全和電弧特性與交流電有明顯差異，在產(chǎn)品設計上對絕緣與電弧的要求，以及對熔斷器、保險管、接觸器和斷路器等保護器件的選型與應用，需要針對直流特性進行優(yōu)化和條款細化。

對產(chǎn)品安全設計與評測，針對具體標準條款適應性上進行以下總結。①對于產(chǎn)品測試評價指標是基于熱效應產(chǎn)生的結果進行評定，則直流電壓等效交流電壓有效值，比如對于熔斷保護，但另外需要考慮電弧。②指標測試評價是考慮電壓峰值特性，評價方法的選擇需要根據(jù)直流應用場景來確定，直流供電的評價可能更為簡單或有優(yōu)勢，比如絕緣耐壓等，標準GB/T 17627-2019對直流系統(tǒng)的高壓測試和測試波形進行規(guī)定，特別提出直流需要考慮紋波；對于電纜選擇，標準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涉及到對人體安全方面的指標，直流電可以比交流電閾值更大，比如剩余電流保護，通常家用剩余電流保護裝置的保護閾值為30 mA，直流剩余電流保護推薦閾值為100 mA。④涉及到對于直流電弧的評價指標需要相關要求更為嚴格，對于直流供用電場景需要加強關于直流電弧故障的檢測和保護要求，比如標準UL 1699B針對光伏直流供電場景提出直流電弧故障檢測和保護的要求，對于直流電器的保險管、接觸器等保護器件需要按照直流供電的要求選型和設計。

（2）在產(chǎn)品性能評價方面，由于交流電和直流電在供電電能處理方式及供電波動水平不一致，對產(chǎn)品EMC性能評測方面的“諧波電流”“電壓波動變化閃爍”“電壓跌落”標準測試要求不能適用，可適用項目在評測過程中需用直流電源模擬直流供電環(huán)境，按照直流控制器評測標準要求測試，但并不能完全反應現(xiàn)場應用條件，主要是直流供電環(huán)境的電壓波動、紋波、噪聲等指標尚不明確，目前對于產(chǎn)品性能評價僅作為數(shù)據(jù)收集和參考，無法作為合格與否的評判。由于供電方式改變，特別是直流電器可實現(xiàn)新能源直接接入，電器可能將由原來的用電設備變?yōu)榘l(fā)儲用一體的設備、光伏電一體或儲用一體等多能源供電的產(chǎn)品，這種多種能源混合供電設備的能效性能評價將更為復雜，目前僅可以針對特定工作模式進行能效評價，完整的能效評價方法需要進一步完善，關鍵點在于涉及到工作模式的不確定性和權系數(shù)難以整定。

現(xiàn)有家電標準主要針對交流供電電器，對于直流電器應用具有一定的適用性，針對直流電器相關的安全、性能評價方面的標準不適用的問題，可采用類比等效的方法，解決目前階段產(chǎn)品研發(fā)、評測與示范應用的瓶頸問題。家電產(chǎn)業(yè)標準體系涉及到的生產(chǎn)、制造、使用和回收等各個環(huán)節(jié)，完成直流電器產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化需要系統(tǒng)和完整構建直流電器標準體系。

2.3 標準制定的意義和挑戰(zhàn)

在19世紀電力行業(yè)崛起之初，世界上各個國家和地區(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)品在各個地區(qū)使用需要配置轉換頭，同一類型家用電器銷售到不同地區(qū)需要采用不同的設計方案和評價標準要求，多種電源接口制式對當今全球化的社會發(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準的制定樹立了典范。

表3 全球典型區(qū)域交流電源制式和接口形式

在“雙碳”目標推動綠色能源革命的背景下，家用電器進入直流化的變革浪潮中。實現(xiàn)全球電源接口標準的統(tǒng)一，將會給家電、光伏、儲能、電動汽車等多個產(chǎn)業(yè)集約化發(fā)展帶來重大的意義，將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)接口及設備的共用和互通，對地球環(huán)保、減少電子垃圾起到積極的作用，對萬物互聯(lián)起到重要的推動作用，給消費者的使用帶來了極大的便捷。

在低壓直流技術研究之初，對用電安全方面就確立了基本目標，即用電安全等級不低于交流用電。通過對家居場景電器功率等級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低壓直流供電可實現(xiàn)用電安全的本質提升，大大降低用電安全風險；對功率型電器在保證同等安全條件下，追求效率的提升，構建分區(qū)分電壓等級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，已應用于直流建筑領域[11]和低壓直流配電網(wǎng)領域[4]，對于低壓直流標準體系來講，優(yōu)化對低壓安全直流電器在“認證、檢測、監(jiān)管”的要求，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)附加開支的全面節(jié)省，才能進一步從經(jīng)濟效益上提升其應用推廣的價值。

圖3 家用電器功率分布示意圖

圖4 直流家居場景示意圖

直流電器具備寬電壓運行能力和智能化響應功能，在應用場景上將更為豐富。可支撐建筑“光儲直柔”場景，滿足建筑能源的智能化調度和系統(tǒng)的高效運行；可便捷地構建新能源發(fā)電、直流用電的孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電、供電、儲電、用電的更靈活地組網(wǎng)，有效解決海島、牧區(qū)、邊防哨所和偏遠農(nóng)村等無電或缺電區(qū)域場景應用；可直接和新能源光伏、電動汽車、儲能對接，實現(xiàn)戶外、移動、應急等場景的便捷應用和快速部署。面對未來更為復雜的應用場景，對直流電器在安全和智能化控制保護方面的挑戰(zhàn)也更為嚴峻，雖然低壓直流電器在一定程度上能提升頻繁接觸場景用電安全性，但在源荷匹配以及區(qū)域構網(wǎng)的系統(tǒng)安全性要求和處理方式還需開展深入的標準研究和應用驗證。

3 總結與建議

為應對直流家電產(chǎn)品開發(fā)需求，從產(chǎn)品安全、性能方面梳理了相關標準的適應性和對照原則，初步建立標準制定的思路和方法，并在企業(yè)內(nèi)部形成了系列直流電器相關標準，有效地指導直流電器產(chǎn)品的設計、檢驗，實現(xiàn)了直流電器在示范工程項目的應用，本文認為可以在以下幾個方面開展深入研究并進行標準完善：

（1）對于直流電弧及絕緣等安全評價方面，深入研究產(chǎn)生的機理和特性，以及應用中對設備和人體安全帶來的影響，并研究相應的解決方案，形成更全面具體的評價方法。

（2）直流供用電環(huán)境更為復雜，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)，供用兩端接入和運行友好性問題已在示范應用中顯現(xiàn)出來，需進一步研究和完善直流電能質量標準和直流電器產(chǎn)品EMC測試的評價標準。

（3）直流電應用可能存在的電化學腐蝕、電極化現(xiàn)象等可能對某些場景的設備安全帶來一定影響，需要研究直流電的效應特性以及帶來的影響，并研究應用解決方案，形成相關標準要求。

在標準體系建設方面，現(xiàn)有家電標準體系對直流家電標準的建設具有指導意義，但也存在不適用的問題，這些問題涉及到標準框架的各大類，無法歸類到共性技術上，面臨大量的研究和標準修訂工作。在直流技術發(fā)展初期，建議在家電標準框架研究方面建立專門的工作組，針對直流技術應用的適應性梳理形成技術路線，開展關鍵技術研究和標準適應性分析，并系統(tǒng)地搜集應用過程中存在的問題，做好標準與各行業(yè)對接，與國際的接軌，借鑒國內(nèi)外相關領域優(yōu)秀的經(jīng)驗，推動直流家電標準體系的完善，實現(xiàn)社會智力資源的集約化利用，提升標準化水平。