真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)專利技術(shù)綜述

王海容

摘 要：操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為真空斷路器的神經(jīng)中樞，其為真空斷路器完成分、合閘操作，對(duì)真空斷路器的操作特性影響很大。基于中國(guó)專利文摘（CNABS）數(shù)據(jù)庫和德溫特世界專利索引（DWPI）數(shù)據(jù)庫對(duì)真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的相關(guān)專利申請(qǐng)文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索，并將檢索結(jié)果作為分析樣本，對(duì)真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的申請(qǐng)量的年度分布、國(guó)內(nèi)外重要申請(qǐng)人進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并著重對(duì)真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的各技術(shù)分支進(jìn)行了介紹，梳理出各技術(shù)分支的發(fā)展路線。

關(guān)鍵詞：真空斷路器；操動(dòng)機(jī)構(gòu)；專利分析；技術(shù)發(fā)展路線

中圖分類號(hào)：T-18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0025-03

Abstract： Operating mechanism， as a nerve center of vacuum circuit breaker， is used to open or close contacts for the vacuum circuit breaker， and it has an important effect on the operating quality of the vacuum circuit breaker. In this paper， based on the databases of China Patent Abstract （CNABS） and Derwent World Patent Index （DWPI）， relevant patent application documents of operating mechanism of the vacuum circuit breaker are retrieved， and the retrieval results are used as the analysis samples， so that the statistics of annual distribution of application amount of the vacuum circuit breaker and the important applicants at home and abroad are made， and the branches of technology concerned are introduced， thus sorting out the operating mechanism of vacuum circuit breaker technology development route.

Keywords： vacuum circuit breaker； operating mechanism； patent analysis； technology roadmap

1 概述

真空斷路器具有兩大部件：一為真空滅弧室，相當(dāng)于真空斷路器的心臟，另一為操動(dòng)機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于真空斷路器的神經(jīng)中樞。操動(dòng)機(jī)構(gòu)為斷路器完成分、合閘操作，對(duì)真空斷路器的操作性能影響很大。而操作機(jī)構(gòu)又是真空斷路器中機(jī)械結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、維護(hù)工作量最大的部件。國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)表明，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障占真空斷路器總故障的89.4%。由此可見，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性至為重要[1]。真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電磁、彈簧、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)因其出力特性與真空斷路器的負(fù)載特性吻合度好而成為目前的研究熱點(diǎn)[2-3]。

2 真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的專利分析

2.1 真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)

從圖1中可以看出，真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展大致分為三個(gè)階段。1969年-1984年為技術(shù)萌芽期，真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的專利已在國(guó)外出現(xiàn)，但是發(fā)展較為緩慢，在這期間，最早出現(xiàn)的是電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，真空斷路器發(fā)展初期因無專用操動(dòng)機(jī)構(gòu)而被采用，雖然電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)少，但由于合閘線圈消耗的功率大，需配用大容量直流電源，因而輔助設(shè)施投資大，維護(hù)費(fèi)用高，故在真空斷路器中使用已逐漸減少，因而專利申請(qǐng)量也不多；同時(shí)在該階段，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)也開始發(fā)展研究，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)在原有的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)上做出了較大改進(jìn)，使得操動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命得到提高。1984年-1999年為技術(shù)成熟期，此時(shí)的真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)以彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為代表，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)于電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)只需要小功率的操作電源，電動(dòng)機(jī)功率小，交、直流兩用；同時(shí)，在20世紀(jì)80年代末，出現(xiàn)了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)[4]。1999年-至今為高速發(fā)展期，以西門子公司為代表的專門研究彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，以ABB和Areva公司為代表的研究彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)以及永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)得到了快速發(fā)展。

我國(guó)對(duì)真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究起步較晚，直至1999年才有該領(lǐng)域的專利出現(xiàn)，但是在2000年以后，我國(guó)在該領(lǐng)域的申請(qǐng)量逐步增長(zhǎng)，并快速發(fā)展。這表明中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)以及中國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了中國(guó)國(guó)內(nèi)的真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)企業(yè)進(jìn)入了大量研發(fā)生產(chǎn)的時(shí)期，同時(shí)中國(guó)的電網(wǎng)市場(chǎng)也吸引了大量的外國(guó)企業(yè)的專利布局。

2.2 國(guó)外主要申請(qǐng)人分析

從圖2中可以看到，德國(guó)的西門子高居首位，其致力于專門研究彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。從整體上來看，日本廠商的實(shí)力較強(qiáng)，包括三菱電機(jī)株式會(huì)社、株式會(huì)社日立制作所、株式會(huì)社東芝在該領(lǐng)域布置了大量專利。德國(guó)的ABB公司在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量也較多，主要研究彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)和永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且ABB公司曾是永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的推手。

2.3 國(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)人分析

從圖3中可看出，國(guó)家電網(wǎng)的申請(qǐng)量位居第一，這是由于國(guó)家電網(wǎng)本來就是致力于研究各種高壓開關(guān)，是該領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。國(guó)內(nèi)除了有大量的企業(yè)致力于研究真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)，也有諸如東南大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等高校致力于真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其主要研究永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。endprint

2.4 技術(shù)發(fā)展路線

從圖中可看出，真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)早期采用的是電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，較為代表性的是于1969年申請(qǐng)的專利EP0033636A1，其涉及到一種利用合閘線圈實(shí)現(xiàn)真空斷路器分合閘的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)量相對(duì)較少，工作較為可靠，制造成本低，但是由于其需要一套專門的蓄電池組設(shè)備作為直流電流，投資大、維護(hù)比較麻煩，已逐漸被市場(chǎng)所淘汰。

隨后國(guó)外研制出彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，相繼出現(xiàn)了配裝式螺旋彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、一體式螺旋彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、渦卷彈簧（盤簧）操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊化。配裝式螺旋彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有代表性的是西門子公司于1984年申請(qǐng)的專利US4453056A，其采用配裝形式，利用四連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈簧的儲(chǔ)能進(jìn)而進(jìn)行真空斷路器的分合閘。一體式螺旋彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，與真空斷路器構(gòu)成一體，減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使整個(gè)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單緊湊，降低了能耗和噪聲，該結(jié)構(gòu)一經(jīng)裝配完成可做到免調(diào)試，國(guó)外大多采用一體式螺旋彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有代表性的是西門子公司于2002年申請(qǐng)的EP1367616A1，其將彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)與真空斷路器整合為一體，精簡(jiǎn)了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)90年代末，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了新的形式，從原來以螺旋彈簧為動(dòng)力源的四連桿驅(qū)動(dòng)方式變?yōu)榱艘詼u卷彈簧（盤簧）為動(dòng)力源的凸輪驅(qū)動(dòng)方式，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了操動(dòng)機(jī)構(gòu)單元化、小型化，提高了可靠性，且彈簧各部分在儲(chǔ)能過程中受力始終是均勻的，摩擦力極小，效率高，能與真空斷路器的真空滅弧室最佳匹配，具有代表性的是ABB公司于1996年申請(qǐng)的DE19602912A1，其采用渦卷彈簧與凸輪機(jī)構(gòu)相配合的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)真空斷路器的分合閘。隨著時(shí)間的推移，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)已有很大進(jìn)步，以不同功能單元為分界線，實(shí)現(xiàn)全模塊化設(shè)計(jì)，減少功能單元的中間環(huán)節(jié)，大大減少零件數(shù)，如整體結(jié)構(gòu)由原來的200多個(gè)零件改進(jìn)為100多個(gè)零件再進(jìn)一步改進(jìn)為僅有70多個(gè)零件，達(dá)到整體功能結(jié)構(gòu)清晰，操作維護(hù)簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠，具有代表性的是ABB公司于2012年申請(qǐng)的US2012/0241296A1，其通過模塊化設(shè)計(jì)，減少零件數(shù)，從而減少故障發(fā)生率。

在彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展較為成熟之際，于20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其是一種全新的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，它利用永磁保持、電子控制、電容器儲(chǔ)能，工作時(shí)主要運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)，無需機(jī)械脫扣、鎖扣裝置。

1997年ABB公司成功地開發(fā)了配雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的VM1型真空斷路器，并由此申請(qǐng)專利EP0801407A2。此后，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)量少（僅為彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的35～40%）、可靠性高、操作壽命長(zhǎng)（可達(dá)10萬次以上）、動(dòng)作分散性小、出力特性與真空滅弧室的負(fù)載特性相匹配而引起國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注，成為中壓真空開關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)研究問題之一。

20世紀(jì)90年代末，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)傳入我國(guó)，由于永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)以及在國(guó)外已經(jīng)形成的開發(fā)熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)開關(guān)行業(yè)的一些主導(dǎo)廠家、大專院校和科研院所也把目光投向永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制上，如沈陽工業(yè)大學(xué)、西安森源電氣、清華大學(xué)等，并取得了顯著成果。

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)形式、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的杠桿傳動(dòng)式和直動(dòng)式同步發(fā)展，但對(duì)比現(xiàn)今各種永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，單穩(wěn)態(tài)比雙穩(wěn)態(tài)好，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直動(dòng)比經(jīng)杠桿傳動(dòng)的好。

3 結(jié)束語

綜上，真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)相繼經(jīng)歷了電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)因其需配大容量的直流電源而被逐漸淘汰，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)已發(fā)展比較成熟，且大量運(yùn)用，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)因其具有與真空滅弧室最為匹配的出力特性而成為目前研究的熱點(diǎn)之一。通過分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)外企業(yè)在真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域起步較早，且研究力度較大，占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)企業(yè)雖起步較晚，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也促使國(guó)內(nèi)電力企業(yè)開始大力研發(fā)。

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