《AI数据中心用直流固态断路器技术规范》

1AI数据中心用直流固态断路器技术规范本文件规定了应用于人工智能（AI）数据中心直流配电系统中的直流固态断路器技术要求、试验方法、检验规则以及标志、包装、运输和贮存。本文件适用于额定电压不超过1500VDC，额定电流不超过6000A，用于保护AI算力集群、GPU服务器机架及直流母线系统的固态断路器。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T191包装储运图形符号标志GB/T2423.1电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温GB/T2423.2电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验B：高温GB/T2423.3环境试验第2部分：试验方法试验Cab：恒定湿热试验GB/T2423.4电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Db交变湿热（12h＋12h循环）GB/T2423.5电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Ea和导则：冲击GB/T2423.10环境试验第2部分：试验方法试验Fc：振动(正弦)GB/T2828.1计数抽样检验程序第1部分：按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划GB/T6543运输包装用单瓦楞纸箱和双瓦楞纸箱GB/T9254.2-2021信息技术设备、多媒体设备和接收机电磁兼容第2部分：抗扰度要求GB/T14048.2低压开关设备和控制设备第2部分：断路器GB/T13384机电产品包装通用技术条件GB/T17626.2-2018电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验GB/T17626.4电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验GB/T17626.5电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1直流固态断路器directcurrentsolidstatecircuitbreaker由功率半导体器件作为主开断元件，配合驱动控制电路、保护逻辑及散热系统组成的，能够在微秒级时间内切断直流故障电流的开关装置。3.2分断时间breakingtime从检测到故障信号发出时刻起，到主回路电流降至零并维持绝缘状态所需的时间。3.3限流比currentlimitingratio预期短路峰值电流与实际被限制后的峰值电流之比。3.4软启动softstart-up2软启动，容性负载较大在接通负载过程中，通过控制栅极电压变化率，使输出电压或电流从零开始按预设斜率平稳上升，以消除冲击电流、保持母线电压稳定的控制策略。3.5软关断softturn-off在切断故障电流过程中，通过控制栅极电压变化率，抑制母线电感产生的过电压，使电流平滑下降至零的控制策略。4一般要求4.1工作条件工作条件应符合下列规定：a)环境温度：-5℃~50℃,液冷进液温度20℃~35℃;b)相对湿度：5%～95%（无凝露）；c)海拔高度：不应大于3000m，超过3000m时应降额使用。4.2结构与机械结构与机械应符合下列规定：a)模块化设计：断路器工作在48VDC下，应支持整机安全的热插拔更换；b)接口兼容性：输入输出端子应兼容数据中心主流母排或铜排尺寸；c)通信接口：应配备高速通信接口，支持Modbus-RTU、Profibus、IEC61850、OPCUA无线或专用协议，实时上传电流、电压、温度、故障代码及SOE，基础运行、能耗管理分辨率不应小于10ms，故障诊断分辨率不应小于1ms。5技术要求5.1电气性能5.1.1额定参数额定参数应符合下列规定：a)额定工作电压：推荐直流供电48V、240V、375V、380V、400V、540V、750V、800V、1000V；b)额定工作电流：应根据AI负载特性选取，温升不应超过限值。5.1.2介电性能在断路器闭合的带电部分与安装底板之间，以及各极之间，应能承受表1规定的工频试验电压1min，冲击试验电压1s。表1工频电压1325885.1.3动作时间特性针对AI负载对瞬态冲击敏感的特点，应符合下列规定：a)全分断时间：在额定短路电流下，全分断时间t不应大于50μs，故障电流上升时间常数τ应在50μs～100μs内；对于高性能AI训练负载，t不应大于20μs，τ不应大于10μs；对于极高功率密度机柜，t不应大于10μs，τ不应大于5μs；3b)重合闸时间：支持快速自动重合闸，间隔时间可设定，不应小于100ms。5.1.4限流能力限流能力应符合下列规定：a)在发生极近端金属性短路，即故障点紧邻断路器出口、回路电感≤10μH时，如母线排直接短接，限流比不应小于3；b)发生一般近端短路，即故障点位于下游较近的电缆或连接处、回路电感10μH～100μH时，限流比不应小于2；c)截流值不应超过额定短时耐受电流的1.5倍。5.1.5过电压抑制分断过程中产生的最大过电压不应超过额定电压的2.5倍。5.1.6通态压降与损耗通态压降与损耗应符合下列规定：a)在额定电流下，单极通态压降应符合能效等级要求；b)满载效率不应小于99.5%（不含散热功耗）。5.1.7保护功能a)应具备以下保护功能，且阈值可调：软启动；b)软关断；c)瞬时短路保护；d)过载长延时保护；e)过温保护；f)欠压保护；g)过压保护h)AI特征保护。5.2环境适应性5.2.1温湿适应性5.2.1.1低温：断路器在-10℃恒温环境试验箱中放置16h，试验期间和取出后应能正常工作。5.2.1.2高温：断路器在60℃恒温环境试验箱中放置16h，试验期间和取出后应能正常工作。5.2.1.3恒定湿热：断路器在温度（40±2）℃,相对湿度93%±3%恒温环境试验箱中放置2d5.2.1.4湿热交变：断路器应能承受温度-15℃~60℃的温度循环试验，每次循环包括降温、保温、升温、保温阶段，循环次数10次，试验后应能正常工作。5.2.2振动适应性断路器应能承受GB/T2423.10中规定的正弦振动试验，频率范围10Hz～500Hz，加速度5g，三个轴向各持续30min，试验后应无机械损伤，检查应能正常启动。5.2.3冲击适应性断路器应能承受GB/T2423.5中规定的半正弦冲击试验，峰值加速度15g，持续时间11ms，三个轴向各冲击3次，试验后应无机械损伤，检查应能正常启动。5.2.4跌落适应性断路器应能承受2m高度下的自由跌落试验，试验后应无机械损伤，检查应能正常启动。按8.2包装后的断路器产品应能承受3m高度下的自由跌落试验，试验后包装应无明显破损，整机无机械损伤，能正常启动。5.3电磁兼容45.3.1传导骚扰断路器的传导骚扰应符合GB/T9254.2-2021中A级的要求，在150kHz～30MHz频率范围内，电源端口的传导骚扰限值应不超过表1的规定。表2传导骚扰限值5.3.2辐射骚扰断路器的辐射骚扰应符合GB/T9254.2-2021中A级的要求，在30MHz～1GHz频率范围内，辐射骚扰限值应不超过40dBμV/m（3m法）。5.3.3静电放电抗扰度断路器应能承受GB/T17626.2-2018中规定的接触放电±6kV、空气放电±8kV的静电放电试验，试验后应能正常工作，5.1中规定的电气性能指标符合要求。5.3.4电快速瞬变脉冲群抗扰度断路器应能承受GB/T17626.2-2018中规定的电源端口±2kV、信号端口±1kV的电快速瞬变脉冲群试验，试验后应能正常工作，5.1中规定的电气性能指标符合要求。5.3.5浪涌抗扰度断路器的电源端口应能承受GB/T17626.2-2018中规定的±2kV（线-线）、±4kV（线-地）的浪涌试验，试验后应能正常工作，5.1中规定的电气性能指标符合要求。6试验方法6.1电气性能6.1.1额定参数试验方法应符合下列规定：a)电压适应性试验：将试样分别接入48V、240V、375V、380V、400V、540V、750V、800V、1000V的标准直流供电系统中，在空载和满载状态下各运行1h。观察设备是否正常启动、运行且无绝缘击穿或异常放电现象。b)温升试验：根据AI负载特性设定额定工作电流，在环境温度25℃±5℃的条件下，使设备通过额定电流直至热稳定，每小时温升变化不超过1K。使用热电偶或红外测温仪测量触点、导体、外壳等关键部件的温度，计算温升值，确认未超过相关标准规定的限值。6.1.2介电性能按GB/T14048.2中规定的介电试验方法进行。试验应在断路器闭合状态下，在带电部分与安装底板之间以及各极之间施加。工频耐压试验采用表1规定的交流电压有效值，持续1min；冲击耐压试验采用表1规定的标准雷电波峰值电压，正、负极性各施加3次，持续1s。试验过程中应无击穿或闪络现象，试验后设备绝缘性能应保持正常。6.1.3动作时间特性搭建包含高精度示波器、可编程短路发生器和AI负载模拟器的测试回路，按下列规定进行试验：a)全分断时间试验：1)在额定短路电流下触发短路；2)测量从故障发生瞬间到电弧完全熄灭、电流降至零的时间；53)重复测试5次，取最大值，确认不大于50μs。b)重合闸时间试验：1)执行一次分断操作后，启动自动重合闸功能；2)测量从分断完成到触头再次闭合的时间间隔；3)调整设定值至最小允许值，验证实际动作时间不小于设定值且功能正常。6.1.4限流能力试验方法应符合下列规定：a)预期短路电流测定：在不接入限流设备的情况下，测量测试回路在相同阻抗下的预期峰值短路电流；b)实际限流测试：1)接入被测设备，分别在近端模拟极近端金属性短路和一般近端短路故障；2)使用罗氏线圈或高频电流探头记录实际通过的峰值电流；3)按式（1）分别计算限流比。K=Ip_exp/Ip_act·················································(1)式中：K——限流比；Ip_exp——预期峰值短路电流，单位为安（A）；Ip_act——实际通过的峰值电流，单位为安（A）。c)截流值验证：1)读取实际峰值电流；2)获取设备的额定短时耐受电流；3)验证确保后端GPU模块得到保护。6.1.5过电压抑制试验方法应符合下列规定：a)测试设置：在额定电压下带额定负载运行，并在回路中并联高压差分探头以监测负载端电压；b)分断测试：1)触发设备在满载或短路条件下分断；2)捕捉分断瞬间负载端的最高电压峰值。c)结果判定：1)按式（2）计算过电压倍数；M=UMaxUrated················································(1)式中：M——过电压倍数；Umax——分断瞬间负载端的最高电压峰值，单位为伏（V）；Urated——负载端电压。2)确认参数是否符合规定，验证是否有波形高频振荡导致的二次击穿风险。6.1.6通态压降与损耗试验方法应符合下列规定：a)通态压降：1)在额定电流下，使用毫伏表或高精度万用表直接测量单极进出线端的电压差；2)对比能效等级标准，确认符合要求。b)效率测试：1)连接外部冷却液循环系统，但该循环系统的泵和冷却塔的功耗不计入被测设备的输入功2)使用高精度功率分析仪分别测量输入功率和输出功率；3)按式（3）计算效率。6式中：η——效率；Pout——输出功率，单位为瓦（W）；Pin——输出功率，单位为瓦（W）。6.1.7保护功能试验方法应符合下列规定：a)软启动；模拟数据中心电源合闸，使用高带宽电流探头和差分电压探头，验证电流最大峰值不应大于1.2倍额定电流，输出电压上升时间应在1ms～100ms内，输入端母线电压的最大瞬时跌落值不应大于额定值的3%；b)软关断：模拟数据中心电源断闸，验证负载侧产生的操作过电压峰值不超过额定电压的1.5倍，电流下降时间应在1ms～100ms内，且平滑无阶跃；c)瞬时短路保护测试：采用电感小于10μH的试验回路，注入1.1倍瞬时阈值的电流，验证1sd)过载长延时保护测试：断路器在额定电流下达到热平衡后，注入1.5倍额定电流，验证在反时限曲线规定时间内跳闸；e)过温保护测试：在断路器的温度传感器安装点，使用可控温的热风枪加热至设定阈值，验证动作温度在规定的阈值范围内；f)欠压保护测试：使用可编程直流电源，将输入电压调至额定电压后，以小于10V/s的速率缓慢下降，记录断路器脱扣或发出报警时的电压值即为欠压动作值。将电压以相同速率缓慢上升，记录断路器自动或允许手动恢复的电压值，即为欠压恢复值。两值及其差值均在规定的公差范围内；g)过压保护测试：使用可编程直流电源，将输入电压调至额定电压后，以小于10V/s的速率缓慢上升，记录断路器脱扣或发出报警时的电压值，即为过压动作值，验证应在规定的公差范围内。在额定电压下，突变电压至1.2倍过压点，用示波器记录从电压越限到保护动作输出的延时时间，验证应在规定的公差范围内；h)AI特征保护测试：1)浪涌电流模拟：分别使用负载模拟器产生10kA、20kA的双峰波形浪涌电流，最高波动频率100MHz，验证设备不动作；2)真实短路模拟：产生具有陡升沿和持续低阻抗特征的短路电流，验证设备准确动作；3)分别重复上述两种场景各10次，统计误动率和漏动率应为0%。6.2环境适应性6.2.1低温按照GB/T2423.1的规定，将断路器置于低温环境箱中，温度设置为-10℃,持续16h，试验结束后，1h内将试验箱温度调整至实验室温度，恢复期结束后检查是否能正常工作。6.2.2高温按照GB/T2423.2的规定，将断路器置于高温环境箱中，温度设置为60℃,持续16h，试验结束后，1h内将试验箱温度调整至实验室温度，恢复期结束后检查是否能正常工作。6.2.3恒定湿热按照GB/T2423.3的规定，将断路器置于湿热环境箱中，温度（40±2）℃,相对湿度93%±3%，持续2d，试验结束后，1h内将试验箱温度调整至实验室温度，恢复期结束后检查是否能正常工作。6.2.4湿热交变7按照GB/T2423.4的规定，进行温度循环试验，温度范围-10℃~60℃,循环次数10次，每次循环时间12h，包括降温、保温、升温、保温阶段。试验结束后，1h内将试验箱温度调整至实验室温度，恢复期结束后检查是否能正常工作。6.2.5振动按照GB/T2423.10的规定，进行正弦振动试验，频率范围10Hz～500Hz，加速度5g，三个轴向各持续30min，试验后检查是否有机械损伤，检查是否能够正常启动。6.2.6冲击按照GB/T2423.5的规定，进行半正弦冲击试验，峰值加速度15g，持续时间11ms，三个轴向各冲击3次，试验后检查是否有机械损伤，检查是否能够正常启动。6.2.7跌落将断路器试样从2m高度处模拟自由跌落，随机选取3个初始朝向各跌落一次，试验后应无机械损伤，能正常启动。将经检测、按8.2包装的试样，从3m高度处模拟自由跌落，随机选取4面各跌落一次，试验后包装应无明显破损，整机无机械损伤，能正常启动。6.3电磁兼容6.3.1传导骚扰按照GB/T9254.2的规定，使用传导骚扰测试系统测量电源端口的传导骚扰，检查是否能够正常启动。6.3.2辐射骚扰按照GB/T9254.2的规定，使用辐射骚扰测试系统测量辐射骚扰，检查是否能够正常启动。6.3.3静电放电抗扰度按照GB/T17626.2的规定，进行接触放电和空气放电试验，试验后按6.1的规定重新试验。6.3.4电快速瞬变脉冲群抗扰度按照GB/T17626.4的规定，进行电源端口和信号端口的电快速瞬变脉冲群试验，试验后按6.1的规定重新试验。6.3.5浪涌抗扰度按照GB/T17626.5的规定，进行电源端口的浪涌试验，试验后按6.1的规定重新试验。7检验规则7.1检验分类检验应分为出厂检验和型式检验。检验项目应符合表2的规定