王小波
(施耐德電氣(中國)有限公司,上海 201203)
斷路器是輸配電線路中接通和斷開負(fù)載的一個(gè)關(guān)鍵部件,其主要作用是使電路免于由故障和過載引起的異常電流,在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)迅速切除故障支路,傳統(tǒng)的機(jī)械斷路器通過熱雙金和/或磁組件觸發(fā)機(jī)械觸點(diǎn)分離從而保護(hù)電路,但對(duì)故障的反應(yīng)時(shí)間較長,并且容易產(chǎn)生電弧,增加了設(shè)備損壞和人身安全的風(fēng)險(xiǎn),隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展,通過高功率固態(tài)無觸點(diǎn)開關(guān)代替機(jī)械觸點(diǎn)成為研究熱點(diǎn),固態(tài)斷路器技術(shù)得到了迅速發(fā)展[1-3]。
斷路器大體可分為機(jī)械式斷路器和固態(tài)斷路器,固態(tài)斷路器又可劃分為全固態(tài)斷路器、混合式固態(tài)斷路器[2-5]。
全固態(tài)斷路器是指完全由功率半導(dǎo)體器件代替機(jī)械開關(guān)的斷路器,全固態(tài)斷路器又可分為半控型全固態(tài)斷路器和全控型固態(tài)斷路器[3-5],全固態(tài)斷路器通常包括固態(tài)開關(guān)電路、緩沖電路、檢測(cè)單元以及控制單元等部分。1957 年通用電氣公司開發(fā)出世界上第一個(gè)晶閘管產(chǎn)品,1960 年通用電氣申請(qǐng)了第一個(gè)半控型全固態(tài)斷路器的專利(US3176149A),如圖1 所示,包括窄結(jié)二極管1、電壓源3、電阻4、電容6、晶閘管SCR 7、電流源11、手動(dòng)開關(guān)28,晶閘管7 包括陽極8、陰極9 以及門極10,窄結(jié)二極管1 與晶閘管SCR7 串聯(lián),并聯(lián)的電容6 將二者分流,電壓源3 和電阻4 可以控制斷路中斷,正常情況下,二極管1 和晶閘管SCR 7 為低阻抗?fàn)顟B(tài)電流通過,當(dāng)電流超過閾值時(shí),二極管1 切換工作狀態(tài)將電路電流減小到小于晶閘管SCR 的最小保持電流,電容6 充電以使晶閘管SCR 維持高阻抗?fàn)顟B(tài),從而快速有效的切斷電路。但由于晶閘管SCR 是電流控制器件且在直流系統(tǒng)中需要利用人工換流進(jìn)行關(guān)斷,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且成本居高不下,后面出現(xiàn)的以GTO、IGBT 和IGCT為代表的第二代功率半導(dǎo)體器件——全控型電子器件,可以自行切斷電流克服了上述問題,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展,2008 年之后以SiC 和GaN 為代表的第三代功率半導(dǎo)體器件——寬禁帶半導(dǎo)體由于其具有高耐壓、低功耗以及較大工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為固態(tài)斷路器研究設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)[4-6]。
圖1 通用電氣早期半控型全固態(tài)斷路器
混合式固態(tài)斷路器是采用機(jī)械開關(guān)與功率半導(dǎo)體器件的斷路器,其主要包括主電路、轉(zhuǎn)移回路、緩沖吸收回路、檢測(cè)單元和控制單元等部分,主電路一般由機(jī)械開關(guān)或者機(jī)械開關(guān)串聯(lián)功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成,轉(zhuǎn)移支路通常由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成,其綜合了機(jī)械開關(guān)通態(tài)損耗小和功率半導(dǎo)體器件關(guān)斷迅速等特性,是當(dāng)前高壓直流斷路器研究的主要方向[3-5]。ABB 公司在2009 年11 月申請(qǐng)了混合式高壓直流斷路器的關(guān)鍵專利(公開號(hào)CN102687221A),如圖2 所示,斷路器13 包括電抗器12以及并聯(lián)連接的主斷路器8、非線性電阻器11 以及輔助斷路器9,輔助斷路器包括串聯(lián)的機(jī)械高速開關(guān)10 和功率半導(dǎo)體開關(guān)6,主斷路器由多個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)6 串聯(lián)而成,功率半導(dǎo)體開關(guān)可使用IGBT、IGCT 等具有接通和關(guān)斷能力的功率半導(dǎo)體器件,正常情況下輔助斷路器9 和高速開關(guān)10 閉合,電流流經(jīng)高速開關(guān)10 和輔助斷路器9,主斷路器8 無電流,在故障發(fā)生時(shí)電流增加使輔助斷路器斷開,電流換流到主斷路器8,經(jīng)過一定時(shí)間后高速開關(guān)10 再斷開,之后輔助斷路器9 斷開,非線性電阻器11 吸收線路上的能量,從而有助于保護(hù)電路或者配電線路14 免受熱應(yīng)力。
固態(tài)斷路器的發(fā)展趨勢(shì)與功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)突破密切相關(guān),通過圖3 可以看出,固態(tài)斷路器領(lǐng)域經(jīng)歷了萌芽期(1960-1980)、技術(shù)積累期(1980-2008)以及快速發(fā)展期(2009-至今),1956 年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管,晶閘管可以通過小電流控制大電流的通斷,1960 年通用電氣申請(qǐng)了第一個(gè)固態(tài)斷路器的專利,但晶閘管必須切斷電源或者施加反向電壓才能強(qiáng)行關(guān)斷,這增加了成本和控制難度,因此相關(guān)的專利申請(qǐng)量較少,1970 年代出現(xiàn)了全控型功率半導(dǎo)體器件,進(jìn)入1980 年代隨著全控型功率半導(dǎo)體器件技術(shù)日趨成熟,成功克服了可控硅整流器的缺陷,各公司和科研機(jī)構(gòu)嘗試將其應(yīng)用到斷路器中,并在八十年代形成了小高峰期,1985 年和1986年均申請(qǐng)了16 件相關(guān)專利,這是20 世紀(jì)固態(tài)斷路器專利申請(qǐng)數(shù)量的最高峰,從2009 年開始固態(tài)斷路器技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展期,專利申請(qǐng)爆發(fā)式增長,中國專利申請(qǐng)趨勢(shì)與全球?qū)@暾?qǐng)趨勢(shì)高度相似,貢獻(xiàn)了專利增長的主要部分,2019 年申請(qǐng)了194 件專利是最高峰,究其原因主要有以下幾個(gè)方面,一方面ABB 公司2009 提出了混合式直流固態(tài)斷路器的專利申請(qǐng),并于2012 開發(fā)出首臺(tái)產(chǎn)品,切斷時(shí)間在5ms 之內(nèi),入選《MIT Technology Review》2012 年度最重要十大科技之一[4-5],引發(fā)了混合式高壓直流固態(tài)斷路器的研發(fā)熱潮;另一方面,隨著中國企業(yè)研發(fā)實(shí)力增長明顯,專利意識(shí)也越來越強(qiáng),以國家電網(wǎng)為代表的國內(nèi)企業(yè)以及科研機(jī)構(gòu)對(duì)在2010 年之后對(duì)固態(tài)斷路器持續(xù)研發(fā)并申請(qǐng)了大量專利;最后,第三代功率半導(dǎo)體器件因?yàn)榫哂懈吖ぷ麟妷?、高功率密度、低開關(guān)損耗、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),也在一定程度上推動(dòng)了固態(tài)斷路器研發(fā)和專利布局的熱潮。
圖4 專利類型分布圖
從專利類型的分布圖上看,與其他領(lǐng)域不同的是固態(tài)斷路器的發(fā)明申請(qǐng)占比較高,目前為止共申請(qǐng)了1094 項(xiàng)發(fā)明專利,而實(shí)用新型僅為147 項(xiàng),發(fā)明專利數(shù)量是實(shí)用新型數(shù)量的7 倍以上,一般而言發(fā)明專利比實(shí)用新型對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的要求更高,相應(yīng)的保護(hù)力度和范圍也更大,這表明固態(tài)斷路器的領(lǐng)域技術(shù)含量較高,申請(qǐng)人對(duì)專利布局也比較重視。
如圖5 所示,中國是專利申請(qǐng)最多的技術(shù)來源國,申請(qǐng)了669 件相關(guān)專利,而美國申請(qǐng)了220 件專利申請(qǐng)排在第二名,除此之外,歐洲地區(qū)、日本、韓國也是重要的技術(shù)來源國家或地區(qū),實(shí)力不可小覷。中國之所以成為最大的專利技術(shù)來源國主要有以下原因:第一,國家將知識(shí)產(chǎn)權(quán)提升到了前所未有的戰(zhàn)略高度,申請(qǐng)人的專利意識(shí)也在不斷增強(qiáng),從2010 年之后包括斷路器在內(nèi)的各技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)快速增長趨勢(shì),與此同時(shí),如何平衡專利質(zhì)量和數(shù)量成為新的焦點(diǎn);第二,以國家電網(wǎng)為代表的企業(yè)高度重視行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)創(chuàng)新,并積極進(jìn)行研發(fā)和專利布局,同時(shí)和清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)等高??蒲性核献?,產(chǎn)學(xué)研高度融合,成為技術(shù)發(fā)展以及專利增長的源泉。
圖5 技術(shù)來源國家或地區(qū)分布排名
通過對(duì)檢索到的1486項(xiàng)專利家族申請(qǐng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖6 所示,前12 位專利申請(qǐng)人其主要由國網(wǎng)系申請(qǐng)人、外資企業(yè)以及高??蒲袉挝粯?gòu)成,國家電網(wǎng)、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院、ABB、伊頓等公司在固態(tài)斷路器領(lǐng)域的專利申請(qǐng)比較大,其中,國家電網(wǎng)本身已申請(qǐng)了近180 項(xiàng)專利,并且全球能源互聯(lián)研究院、許繼電氣、南京南瑞、中電普瑞都屬于國家電網(wǎng)的直屬單位或者控股公司,可以看出國家電網(wǎng)系公司在固態(tài)斷路器領(lǐng)域尤其是高壓固態(tài)直流斷路器方面表現(xiàn)強(qiáng)勢(shì),研發(fā)成果斐然,同時(shí)也很注重專利布局;ABB、東芝、伊頓、西門子等外資企業(yè)實(shí)力強(qiáng)大,其申請(qǐng)專利的數(shù)量和質(zhì)量都較高,ABB 申請(qǐng)了63 項(xiàng)專利,其在全固態(tài)斷路器和混合固態(tài)斷路器方面都布局了大量專利,其研發(fā)成果在固態(tài)斷路器領(lǐng)域頗備受矚目,伊頓申請(qǐng)了40 項(xiàng)專利,另外值得注意的是,ABB 公司、伊頓和西門子在自己研發(fā)固態(tài)斷路器的同時(shí)還投資了在固態(tài)斷路器方面的研發(fā)新星美國公司Atom Power。
圖6 全球固態(tài)斷路器專利申請(qǐng)人前12 排名
圖7 2009-2019 年專利申請(qǐng)技術(shù)趨勢(shì)
圖7 顯示了2009-2019 年專利申請(qǐng)的技術(shù)趨勢(shì),可以看出,相比其他類型斷路器,固態(tài)斷路器雖然切斷速度快,但是其成本相當(dāng)高,價(jià)格昂貴,同時(shí)其同步控制以及電壓、電流均衡化問題也很突出,因此大量專利申請(qǐng)聚焦在可靠性提高、成本降低、速度提高、復(fù)雜性降低等問題上,涉及上述方向的專利均在200 項(xiàng)以上,另外,我們可以進(jìn)一步地預(yù)測(cè)固態(tài)斷路器未來將向智能化和數(shù)字化的大方向發(fā)展,如何降低成本、提高可靠性以及降低損耗等問題仍然是研發(fā)和專利布局的重點(diǎn)。
全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院在2013 年2 月申請(qǐng)了一項(xiàng)發(fā)明專利(公開號(hào)CN103280763A),該專利涉及一種直流斷路器,其原理與ABB 申請(qǐng)的混合固態(tài)斷路器專利相似,不同的是第一電流轉(zhuǎn)移支路和第二次電流轉(zhuǎn)移支路采用全橋結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體模塊和電容,H 橋結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體模塊包括四個(gè)功率半導(dǎo)體模塊,每兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊通向串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)支路,兩個(gè)支路并聯(lián)且分別引出兩條支路的中間點(diǎn),基于該原理研制的混合式高壓直流固態(tài)斷路器于2015 年通過技術(shù)成果鑒定,測(cè)試中所切斷故障電流超過15kA,開斷時(shí)間僅為3 毫秒[4-5]。
ABB 公司于2013 年7 月申請(qǐng)了一項(xiàng)抽出型全固態(tài)斷路器的專利(CN103578820A),其包括開關(guān)單元和支撐框架,開關(guān)單元包括兩個(gè)切斷觸點(diǎn)以及固態(tài)開關(guān),支撐框架上有兩個(gè)與開關(guān)單元對(duì)應(yīng)的切斷觸點(diǎn),致動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)開關(guān)單元在支撐框架上運(yùn)動(dòng),使前面四個(gè)觸點(diǎn)連接或分離,結(jié)構(gòu)簡單,尺寸較小并且便于控制和維護(hù)?;诖思軜?gòu)ABB 不斷改進(jìn),并在2019 年3 月申請(qǐng)了一項(xiàng)專利(公開號(hào)EP3716324A1),其開發(fā)了一套與上面架構(gòu)匹配的冷卻系統(tǒng),開關(guān)單元包括液壓回路,冷卻流體沿著該液壓回路循環(huán)以冷卻固態(tài)開關(guān),液壓回路包括與所述支撐框架的對(duì)應(yīng)的第三液壓連接器和對(duì)應(yīng)的第四液壓連接器耦接或分離的第一液壓連接器和第二液壓連接器,在保持較小體積和重量的前提下提高冷卻效率,并有效降低成本。
成立于2014 年的Atom Power 公司于2017 年2 月申請(qǐng)了一系列固態(tài)斷路器的專利,其中專利WO2017151521A1 公開了一種具有隔離功能的混合式氣隙/固態(tài)斷路器,該固態(tài)斷路器采用SiC 為功率半導(dǎo)體器件,其包括串聯(lián)的固態(tài)裝置和氣隙斷連單元,感測(cè)驅(qū)動(dòng)電路以及控制單元,在檢測(cè)到電路發(fā)生故障或者電流過高時(shí),控制單元為氣隙斷連單元生成斷連脈沖,為作出響應(yīng),斷連脈沖在負(fù)載電路上形成氣隙,通過切斷固態(tài)裝置和氣隙避免損壞負(fù)載及相應(yīng)電路,并將發(fā)生故障或者過載的電路部分與其他部分進(jìn)行隔離,切斷電路時(shí)間在幾毫秒之內(nèi),基于該專利原理研發(fā)的產(chǎn)品第一代固態(tài)斷路器已于2019 年通過了完整的UL 489 測(cè)試,也是世界上第一個(gè)UL 認(rèn)證的固態(tài)斷路器,該斷路器可以實(shí)現(xiàn)欠過壓、欠過流以及遠(yuǎn)程控制等多種功能。
清華大學(xué)于2017 年11 月申請(qǐng)了涉及一種混合式直流斷路器以及直流輸配電系統(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)明專利(公開號(hào)CN109755924A),包括雙向電力電子器件串聯(lián)開關(guān)、快速機(jī)械開關(guān)、能量吸收回路,該方案可以在維持性能的前提下顯著降低系統(tǒng)成本。
ABB 公司在2019 年11 月申請(qǐng)了一項(xiàng)用于固態(tài)斷路器的電壓箝位電路發(fā)明專利(公開號(hào)WO2020106964A1),固態(tài)斷路器包括主開關(guān)器件、與主開關(guān)器件并聯(lián)的電壓箝位電路,串聯(lián)耦合在第一端子和輔助半導(dǎo)體器件之間的金屬氧化物壓敏電阻,輔助半導(dǎo)體器件被布置成選擇性地將MOV 與第二端子耦合,以及旁路電路耦合在第一端子和輔助半導(dǎo)體器件之間,提高了電壓利用率的同時(shí)還降低了成本。
隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,作為其重要應(yīng)用場(chǎng)景的固態(tài)斷路器由于具有切斷快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)已逐漸成為研發(fā)和專利布局的熱門領(lǐng)域。通過專利分析可以看出國外的申請(qǐng)人在注重混合式固態(tài)斷路器的同時(shí)也在引領(lǐng)全固態(tài)斷路器的發(fā)展,而國內(nèi)的申請(qǐng)人主要側(cè)重于混合式固態(tài)斷路器的研發(fā)和專利布局,產(chǎn)學(xué)研融合水平較高;另外,通過專利的數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)固態(tài)斷路器的發(fā)展方向,冷卻性好、低成本、低損耗、穩(wěn)定性高、數(shù)字化以及智能化將是未來固態(tài)斷路器的研發(fā)以及專利布局的重點(diǎn)。