雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)專(zhuān)利綜述

鄭巧 宋宇程

摘 ?要：作為對(duì)連續(xù)供電的一種保障，雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種重要負(fù)載的場(chǎng)合[1]。文章基于VEN和CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，通過(guò)檢索、篩選、統(tǒng)計(jì)和分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)，結(jié)合各主要技術(shù)分支梳理了雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的總體技術(shù)發(fā)展路線。同時(shí)，以雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)演進(jìn)節(jié)點(diǎn)為主線分析了其演進(jìn)過(guò)程，以及從重點(diǎn)專(zhuān)利的角度剖析了該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

關(guān)鍵詞：電源;自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān);核心專(zhuān)利;技術(shù)演進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：T-18 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）32-0028-04

Abstract： In order to ensure continuous power supply， dual power automatic transfer switch has been widely used in various important load occasions[1]. Based on the VEN and CNABS databases， this paper analyzes the patent applications in the field of dual power supply automatic transfer switch. Through searching， screening， statistics and analysis of domestic and foreign patent applications related to automatic transfer switch， by combining the main technical branches， we clarify the overall technical development route in the field of dual power automatic transfer switches. The technology evolution node in the field of dual-power automatic transfer switch is analyzed as the main line， and the key research directions in this field are analyzed from the perspective of key patents.

Keywords： power supply; automatic transfer switching equipment （ATSE）; core patent; technological evolution

1 概述

隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展、企業(yè)自動(dòng)化程度的提高，以及對(duì)重要公共建筑安全的考慮，供電可靠性已經(jīng)成為人們?cè)趯?shí)踐中非?？粗氐囊蛩?。因此，諸多場(chǎng)所均應(yīng)配備雙電源緊急供電系統(tǒng)，以保證緊急狀態(tài)下的正常供電需求[2]。雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（ATSE）是一種機(jī)電一體化程度較高的機(jī)電結(jié)合產(chǎn)品，它由一個(gè)或幾個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器和其他必須的轉(zhuǎn)換控制器組成，用于監(jiān)測(cè)電源電路、將負(fù)載電路從一個(gè)電源轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源[3]。短路分?jǐn)嗄芰Ω?、投切容量大、體積小、操作可靠性高、產(chǎn)品智能化，是當(dāng)前具有國(guó)際水平的雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的最基本特征[3]。本文主要從專(zhuān)利申請(qǐng)信息、技術(shù)發(fā)展演進(jìn)、重要申請(qǐng)人以及發(fā)展?fàn)顩r等方面對(duì)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行專(zhuān)利分析。

2 雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分類(lèi)

通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索和專(zhuān)利分析，針對(duì)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)最終確定出如圖1所示的技術(shù)分解表。

2.1 短路電流分?jǐn)嗄芰?/p>

根據(jù)雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的短路電流分?jǐn)嗄芰?，將其劃分為PC級(jí)和CB級(jí)兩種類(lèi)型[4]。其中CB級(jí)ATSE的開(kāi)關(guān)本體主要由兩個(gè)斷路器、分/合閘線圈、儲(chǔ)能電機(jī)、外置機(jī)械連鎖等分立元件組合而成。而PC級(jí)ATSE的開(kāi)關(guān)本體為一體化設(shè)計(jì)，零件數(shù)量少，可靠性較高，PC級(jí)ATSE的安全間隙與爬電距離約為CB級(jí)ATSE的2倍。從其發(fā)展進(jìn)程及發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，PC級(jí)ATSE在工程中的實(shí)際應(yīng)用將成為主流。

2.2 開(kāi)關(guān)本體結(jié)構(gòu)

ATSE的開(kāi)關(guān)主體主要經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：接觸器式、斷路器式、負(fù)荷開(kāi)關(guān)式和雙投式。我國(guó)有關(guān)ATSE的研制和生產(chǎn)在80年代初還是空白狀態(tài)，國(guó)內(nèi)許多需要ATSE的場(chǎng)所不得不采用普通接觸器或繼電器作為投切電器[5]。斷路器式為第二代，它是由兩臺(tái)斷路器及其機(jī)械、電氣聯(lián)鎖裝置組成，具有短路和過(guò)電流保護(hù)功能，但機(jī)械聯(lián)鎖不可靠。負(fù)荷開(kāi)關(guān)式為第三代，由兩臺(tái)負(fù)荷開(kāi)關(guān)和一套內(nèi)置的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)組合而成，機(jī)械聯(lián)鎖可靠，動(dòng)作速度快。雙投式自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為第四代，由電磁力驅(qū)動(dòng)、內(nèi)置的機(jī)械連接保持狀態(tài)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、自身聯(lián)鎖、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 觸頭系統(tǒng)

ATSE觸頭可分為雙工位和三工位，雙工位式主觸頭僅有兩個(gè)工作位：常用電源位和備用電源位，負(fù)載不出現(xiàn)長(zhǎng)期斷電的情況，供電可靠性高。三工位式觸頭相比雙工位式多了“零位”，主觸頭可處于空擋，因此三工位式ATSE可以較長(zhǎng)時(shí)間切斷電源負(fù)載，尤其在電源質(zhì)量不高時(shí)，適當(dāng)?shù)难訒r(shí)可以避免轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。

2.4 根據(jù)電源種類(lèi)及切換復(fù)位方式

ATSE根據(jù)其電源種類(lèi)和切換復(fù)位方式分為電網(wǎng)與電網(wǎng)間自投自復(fù);電網(wǎng)與電網(wǎng)間自投手復(fù);電網(wǎng)與發(fā)電裝置間自投自復(fù)三種類(lèi)型。其中第一類(lèi)適用于兩路電源都采自電網(wǎng)的交流電為主、備用系統(tǒng)，正常狀態(tài)由主電源供電，當(dāng)主電源失電時(shí)，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后自動(dòng)切換至備用電源供電。第二類(lèi)適用于兩電網(wǎng)交流電主、備用系統(tǒng)，在主電源失電時(shí)，自動(dòng)切換至備用電源。第三類(lèi)適用于電網(wǎng)提供主供電源，發(fā)電裝置為備用電源。

3 雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的專(zhuān)利發(fā)展分析

截至2020年5月30日，雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的全球?qū)＠暾?qǐng)共計(jì)3926項(xiàng)，其總體發(fā)展趨勢(shì)呈增長(zhǎng)狀態(tài)。

3.1 國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利庫(kù)申請(qǐng)趨勢(shì)分析

從圖2可以看出，雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的申請(qǐng)量總體呈上升趨勢(shì)，其發(fā)展大體分為三個(gè)階段，1970年之前屬于電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的技術(shù)萌芽期，在此期間有關(guān)電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的專(zhuān)利已經(jīng)在國(guó)外出現(xiàn)，但是發(fā)展較為緩慢。1970年到2000年之間，屬于雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的成熟期，隨著供電技術(shù)和各類(lèi)開(kāi)關(guān)電器的發(fā)展，雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的使用開(kāi)始普及，并逐漸穩(wěn)定發(fā)展。我國(guó)對(duì)電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器的研制和生產(chǎn)起步較晚，在20世紀(jì)90年代初期，國(guó)內(nèi)所需的ATSE裝置往往由接觸器、繼電器、隔離開(kāi)關(guān)等產(chǎn)品的組合進(jìn)行替代，這類(lèi)產(chǎn)品可靠性、安全性較低。90年代中期，針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)急需高性能、高可靠自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的現(xiàn)狀，大量國(guó)外的雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，一定程度上滿足了我國(guó)市場(chǎng)需求。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)及電力行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量也隨之逐步增長(zhǎng)，并快速發(fā)展。

3.2 技術(shù)原創(chuàng)申請(qǐng)量分布

從圖3可以看出，在雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)領(lǐng)域，我國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量在世界范圍內(nèi)占據(jù)了龐大的位置，其次是美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)，上述國(guó)家具有龐大的消費(fèi)市場(chǎng)，由于對(duì)電力行業(yè)的高度依賴(lài)性，帶動(dòng)了電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)入上述國(guó)家。以中國(guó)為目標(biāo)市場(chǎng)國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)來(lái)源國(guó)家的情況，代表了各國(guó)在電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)能力和技術(shù)水平，可見(jiàn)中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)已經(jīng)得到了各國(guó)企業(yè)的高度重視。以中國(guó)為目標(biāo)市場(chǎng)國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)中，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的專(zhuān)利約占81%，國(guó)外申請(qǐng)人主要來(lái)自日本、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)。雖然我國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)數(shù)量占比較高，但從技術(shù)層面看，與國(guó)外企業(yè)之間還存在一定差距。在國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)量分布主要在沿海地區(qū)，這是由于該領(lǐng)域的研究主要集中在各大公司和企業(yè)，而較多涉及電氣設(shè)備的公司和企業(yè)都分布在沿海地區(qū)。

3.3 國(guó)內(nèi)外主要申請(qǐng)人申請(qǐng)量分布

圖4是雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)領(lǐng)域?qū)＠麌?guó)外主要申請(qǐng)人，美國(guó)的通用電氣、伊頓公司申請(qǐng)量占比較大，這是由于美國(guó)的電力系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展較早，也是最早制訂電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件的國(guó)家，目前以美國(guó)為代表的電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為一體化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。此外，德國(guó)西門(mén)子公司的申請(qǐng)量占比也較大，以上數(shù)據(jù)一定程度上表明了美國(guó)和德國(guó)這兩個(gè)國(guó)家在該領(lǐng)域的重要程度。

從圖5可以看出，常熟開(kāi)關(guān)制造有限公司的申請(qǐng)量位居第一，該公司為國(guó)內(nèi)著名的電氣專(zhuān)業(yè)制造公司，主要生產(chǎn)高低壓電器元件、電子產(chǎn)品及高低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備。國(guó)家電網(wǎng)和正泰電器的申請(qǐng)量基本相同，國(guó)家電網(wǎng)本來(lái)一直致力于研究各種高壓開(kāi)關(guān)，而正泰電器也是致力于研發(fā)和生產(chǎn)斷路器、繼電器等工業(yè)電器的大型企業(yè)。同時(shí)諸多國(guó)外的大型電氣公司，如西門(mén)子、施耐德電器、通用電氣、ABB均在我國(guó)有較多專(zhuān)利申請(qǐng)，國(guó)外申請(qǐng)人的專(zhuān)利大多通過(guò)巴黎公約或者PCT條約進(jìn)入中國(guó)，這表明國(guó)際上各大型電氣企業(yè)均已將中國(guó)作為了主要目標(biāo)市場(chǎng)。

4 專(zhuān)利技術(shù)分析

圖6通過(guò)對(duì)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)各個(gè)技術(shù)分支的技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理，所得到的年代技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)圖，展示了電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的技術(shù)變遷。早期的專(zhuān)利申請(qǐng)，受限于電力系統(tǒng)和低壓開(kāi)關(guān)電器的發(fā)展，主要局限于繼電器式和斷路器式兩種類(lèi)型，隨著電力系統(tǒng)行業(yè)和各類(lèi)開(kāi)關(guān)電器的快速發(fā)展，20世紀(jì)90年中期過(guò)后，電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在各個(gè)技術(shù)分支呈現(xiàn)出了較多的變形。

ATSE的本體結(jié)構(gòu)從最初的接觸器式、斷路器式和負(fù)荷開(kāi)關(guān)式，逐漸發(fā)展為整體性較強(qiáng)的雙投式自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。接觸器式ATSE較為代表性的是于1965年申請(qǐng)的專(zhuān)利US33366547A，其通過(guò)在兩個(gè)接觸器之間設(shè)置機(jī)械聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)了雙電源之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。斷路器式ATSE較為代表性的是于1972年申請(qǐng)的專(zhuān)利US3778633A，其通過(guò)兩個(gè)斷路器實(shí)現(xiàn)雙電源轉(zhuǎn)換，斷路器之間也采用機(jī)械聯(lián)鎖。

20世紀(jì)90年代后，各國(guó)電力行業(yè)快速發(fā)展，很多國(guó)外的電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)，雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)也逐步發(fā)展為負(fù)荷開(kāi)關(guān)式結(jié)構(gòu)，例如1994年申請(qǐng)的專(zhuān)利JP2567813B2，其涉及的負(fù)荷開(kāi)關(guān)式ATSE采用電磁線圈驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，相比繼電器、斷路器式的機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，聯(lián)鎖方式更加可靠。

2000年后，為了進(jìn)一步提高ATSE的分?jǐn)嘈阅芎吐?lián)鎖可靠性，一體式結(jié)構(gòu)的雙投式自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)逐漸普及，較為典型的包括2000年申請(qǐng)的專(zhuān)利US6849811B1，涉及一種電磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的單刀雙擲型雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，其切換速度更快，具有電氣和機(jī)械雙重聯(lián)鎖，安全可靠。

基于不同的觸頭系統(tǒng)，雙工位式觸頭結(jié)構(gòu)較為典型的包括如專(zhuān)利JP2558378B2，三工位式觸頭結(jié)構(gòu)較為典型的包括如2005年申請(qǐng)的專(zhuān)利US6940032B2。受限于不同的應(yīng)用環(huán)境和分?jǐn)嘈枨?，ATSE的觸頭材料也分為CB級(jí)常用的如專(zhuān)利DE19509017C2中的銀鎢類(lèi)材料，和PC級(jí)常用的如專(zhuān)利DE19732695C2中的銀合金材料。隨著觸頭材料的技術(shù)發(fā)展，工業(yè)上對(duì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭的要求也逐漸趨向于具有更高的分?jǐn)嗄芰洼^好的抗氧化、滅弧能力。

從以上各個(gè)技術(shù)分支的發(fā)展路線可以看出，ATSE的發(fā)展方向主要圍繞小型化、轉(zhuǎn)換過(guò)程中的聯(lián)鎖可靠性、觸頭分?jǐn)嗄芰Φ确矫?，不斷采用新技術(shù)、新工藝、新材料，開(kāi)發(fā)研制適應(yīng)不同電力需求和應(yīng)用環(huán)境的小型化、高分?jǐn)嗄芰桶踩煽康碾娫醋詣?dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)行分析整理，重點(diǎn)關(guān)注了本領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展走向以及重要申請(qǐng)人的研發(fā)側(cè)重方向，介紹了自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的分類(lèi)，以及該領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及未來(lái)的趨勢(shì)。通過(guò)梳理和分析該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，有助于全面了解雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)相繼經(jīng)歷了接觸器式、斷路器式、負(fù)荷開(kāi)關(guān)式、雙投式幾個(gè)發(fā)展階段，其中雙投式自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)憑借其整體性好、分?jǐn)嗄芰?qiáng)、聯(lián)鎖可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是目前研究的熱點(diǎn)之一。

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