真空斷路器操動機構專利技術綜述

王海容

摘 要：操動機構作為真空斷路器的神經中樞，其為真空斷路器完成分、合閘操作，對真空斷路器的操作特性影響很大。基于中國專利文摘（CNABS）數據庫和德溫特世界專利索引（DWPI）數據庫對真空斷路器操動機構的相關專利申請文獻進行了檢索，并將檢索結果作為分析樣本，對真空斷路器操動機構的申請量的年度分布、國內外重要申請人進行了統計，并著重對真空斷路器操動機構的各技術分支進行了介紹，梳理出各技術分支的發展路線。

關鍵詞：真空斷路器；操動機構；專利分析；技術發展路線

中圖分類號：T-18 文獻標志碼：A 文章編號：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，相當于真空斷路器的心臟，另一為操動機構，相當于真空斷路器的神經中樞。操動機構為斷路器完成分、合閘操作，對真空斷路器的操作性能影響很大。而操作機構又是真空斷路器中機械結構最為復雜、維護工作量最大的部件。國內外的統計表明，操動機構的故障占真空斷路器總故障的89.4%。由此可見，操動機構的可靠性至為重要[1]。真空斷路器操動機構包括電磁、彈簧、永磁操動機構。永磁操動機構因其出力特性與真空斷路器的負載特性吻合度好而成為目前的研究熱點[2-3]。

2 真空斷路器操動機構的專利分析

2.1 真空斷路器操動機構國內外專利申請趨勢

從圖1中可以看出，真空斷路器操動機構的技術發展大致分為三個階段。1969年-1984年為技術萌芽期，真空斷路器操動機構的專利已在國外出現，但是發展較為緩慢，在這期間，最早出現的是電磁操動機構，真空斷路器發展初期因無專用操動機構而被采用，雖然電磁操動機構結構簡單、零件數少，但由于合閘線圈消耗的功率大，需配用大容量直流電源，因而輔助設施投資大，維護費用高，故在真空斷路器中使用已逐漸減少，因而專利申請量也不多；同時在該階段，彈簧操動機構也開始發展研究，彈簧操動機構在原有的電磁操動機構上做出了較大改進，使得操動機構的壽命得到提高。1984年-1999年為技術成熟期，此時的真空斷路器操動機構以彈簧操動機構為代表，彈簧操動機構相對于電磁操動機構只需要小功率的操作電源，電動機功率小，交、直流兩用；同時，在20世紀80年代末，出現了永磁操動機構[4]。1999年-至今為高速發展期，以西門子公司為代表的專門研究彈簧操動機構，以ABB和Areva公司為代表的研究彈簧操動機構以及永磁操動機構，使得真空斷路器操動機構得到了快速發展。

我國對真空斷路器操動機構的研究起步較晚，直至1999年才有該領域的專利出現，但是在2000年以后，我國在該領域的申請量逐步增長，并快速發展。這表明中國經濟的快速增長以及中國電力行業的發展促進了中國國內的真空斷路器操動機構企業進入了大量研發生產的時期，同時中國的電網市場也吸引了大量的外國企業的專利布局。

2.2 國外主要申請人分析

從圖2中可以看到，德國的西門子高居首位，其致力于專門研究彈簧操動機構。從整體上來看，日本廠商的實力較強，包括三菱電機株式會社、株式會社日立制作所、株式會社東芝在該領域布置了大量專利。德國的ABB公司在該領域的專利申請量也較多，主要研究彈簧操動機構和永磁操動機構，并且ABB公司曾是永磁操動機構的推手。

2.3 國內主要申請人分析

從圖3中可看出，國家電網的申請量位居第一，這是由于國家電網本來就是致力于研究各種高壓開關，是該領域的龍頭企業。國內除了有大量的企業致力于研究真空斷路器操動機構，也有諸如東南大學、沈陽工業大學等高校致力于真空斷路器操動機構，其主要研究永磁操動機構。endprint

2.4 技術發展路線

從圖中可看出，真空斷路器的操動機構早期采用的是電磁操動機構，較為代表性的是于1969年申請的專利EP0033636A1，其涉及到一種利用合閘線圈實現真空斷路器分合閘的電磁操動機構，其雖結構簡單，零件數量相對較少，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備作為直流電流，投資大、維護比較麻煩，已逐漸被市場所淘汰。

隨后國外研制出彈簧操動機構，相繼出現了配裝式螺旋彈簧操動機構、一體式螺旋彈簧操動機構、渦卷彈簧（盤簧）操動機構、彈簧操動機構模塊化。配裝式螺旋彈簧操動機構具有代表性的是西門子公司于1984年申請的專利US4453056A，其采用配裝形式，利用四連桿機構作為傳動機構實現彈簧的儲能進而進行真空斷路器的分合閘。一體式螺旋彈簧操動機構，與真空斷路器構成一體，減少了中間傳動環節，使整個結構變得簡單緊湊，降低了能耗和噪聲，該結構一經裝配完成可做到免調試，國外大多采用一體式螺旋彈簧操動機構，具有代表性的是西門子公司于2002年申請的EP1367616A1，其將彈簧操動機構與真空斷路器整合為一體，精簡了傳動機構。20世紀90年代末，彈簧操動機構出現了新的形式，從原來以螺旋彈簧為動力源的四連桿驅動方式變為了以渦卷彈簧（盤簧）為動力源的凸輪驅動方式，這樣不僅實現了操動機構單元化、小型化，提高了可靠性，且彈簧各部分在儲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年申請的DE19602912A1，其采用渦卷彈簧與凸輪機構相配合的驅動方式實現真空斷路器的分合閘。隨著時間的推移，彈簧操動機構的設計已有很大進步，以不同功能單元為分界線，實現全模塊化設計，減少功能單元的中間環節，大大減少零件數，如整體結構由原來的200多個零件改進為100多個零件再進一步改進為僅有70多個零件，達到整體功能結構清晰，操作維護簡便，運行可靠，具有代表性的是ABB公司于2012年申請的US2012/0241296A1，其通過模塊化設計，減少零件數，從而減少故障發生率。

在彈簧操動機構技術發展較為成熟之際，于20世紀90年代出現了永磁操動機構，其是一種全新的操動機構，它利用永磁保持、電子控制、電容器儲能，工作時主要運動部件只有一個，無需機械脫扣、鎖扣裝置。

1997年ABB公司成功地開發了配雙穩態永磁操動機構的VM1型真空斷路器，并由此申請專利EP0801407A2。此后，永磁操動機構因結構簡單、零件數量少（僅為彈簧操動機構的35～40%）、可靠性高、操作壽命長（可達10萬次以上）、動作分散性小、出力特性與真空滅弧室的負載特性相匹配而引起國內外的普遍關注，成為中壓真空開關領域的國內外熱點研究問題之一。

20世紀90年代末，永磁操動機構傳入我國，由于永磁操動機構的諸多優點以及在國外已經形成的開發熱點，國內開關行業的一些主導廠家、大專院校和科研院所也把目光投向永磁操動機構的研制上，如沈陽工業大學、西安森源電氣、清華大學等，并取得了顯著成果。

永磁操動機構的雙穩態和單穩態形式、傳動機構的杠桿傳動式和直動式同步發展，但對比現今各種永磁操動機構，單穩態比雙穩態好，傳動機構直動比經杠桿傳動的好。

3 結束語

綜上，真空斷路器操動機構相繼經歷了電磁操動機構、彈簧操動機構、永磁操動機構，電磁操動機構因其需配大容量的直流電源而被逐漸淘汰，彈簧操動機構現已發展比較成熟，且大量運用，永磁操動機構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之一。通過分析發現，國外企業在真空斷路器操動機構領域起步較早，且研究力度較大，占據一定優勢，國內企業雖起步較晚，但隨著經濟的發展也促使國內電力企業開始大力研發。

參考文獻：

[1]李建基.特高壓、超高壓、高壓、中壓開關設備實用技術[M].機械工業出版社，2011：180-184.

[2]方彥.基于永磁機構的真空斷路器[J].價值工程，2010（35）.

[3]張月存，金浩，周紅霞，等.真空斷路器永磁操動機構的應用與發展[J].黑龍江電力，2006，2428（4）：254-263.

[4]Edgar Dullni. Vacuum Circuit-Breaker with Permanent Magnetic Actuator for Frequent Operations. Proceedings of the 1998 18th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，Eindhoven，Neth，1998（2）：688-691.endprint