混合式高壓直流斷路器專利技術綜述

錢玉萍

摘 要：基于中國專利全文數據庫和德溫特世界專利索引數據庫對混合式高壓直流斷路器的相關專利申請文獻進行檢索統計，并對其進行技術分解，然后對該領域的專利申請量的年度分布、國內外重要申請申請人進行了統計，以了解該領域的專利申請和專利布局情況。

關鍵詞：高壓;直流;斷路器;混合式

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0166-02

1 混合式高壓直流斷路器概述

20世紀80年代末，隨著半導體技術的發展，為了提高機械式斷路器的分斷速度，開始提出半導體器件與機械開關相結合的混合式直流斷路器拓撲[1]。混合式直流斷路器充分利用機械開關通態壓降小和電力電子器件關斷速度快的優勢，成為當前研究熱點[2]。混合式直流斷路器可通過機械開關和電力電子器件的合理組合得到，常見的拓撲主要有機械開關與電力電子器件直接并聯、機械開關與電力電子器件先串聯再并聯及由此衍生出的其他拓撲[3]。

2 專利申請狀況分析

2.1 專利申請年度趨勢變化情況

本次檢索是在CNTXT和DWPI數據庫中進行檢索，截止到檢索日期（2018年1月31日），中國范圍內混合式高壓直流斷路器方面已公開的專利申請總量為694件。

圖1所示，混合式高壓直流斷路器技術在我國申請的專利總量、國內申請量以及國外來華申請量自1987年以來隨時間變化的趨勢。可以看出，專利申請量總體呈上升趨勢，國內與國外來華申請量趨勢基本保持一致。總體來看，混合式高壓直流斷路器技術在中國總共經歷了以下三個發展階段：

第一階段（1987-2000年）為萌芽期。混合式高壓直流斷路器技術研發還處于起步階段，中國專利申請總量、國內和國外來華申請量均較小。第二階段（2001-2007年）為穩定發展期。專利申請保持穩定增長，此階段國內和國外來華專利每年申請量差別不大。第三階段（2008年至2016）為快速發展期。專利申請快速增長，中國專利總申請總量從2008年的26件左右增長到2015年最高的88件左右，其中，國內申請從2008年的17件增長到2016年的77件，國外來華申請從2008年的9件左右到2012年最高34件，增幅明顯。2016年至今為穩定發展期。經過近十年的高速增長，進入2016年后，混合式高壓直流斷路器技術在中國的專利申請量開始出現穩定發展，隨著國際知識產權體系建設的不斷深化，越來越多的國外申請人開始選擇以PCT申請作為進入其他國家開展專利布局的申請途徑，而PCT申請自申請日到進入相關國家，其間所需時間較之以往的巴黎公約途徑所需時間更長，從而在年申請量上反映出一定程度的回落;值得注意的是，國內申請量在這一時期仍然有所增長，由于2016至2017年數據存在公開滯后性的原因，申請量有所下降，但從總體趨勢上可以預見國內申請量仍然保持增長態勢。并且，從2011年開始，國內專利申請量與國外來華專利申請量的差距逐漸增加，這與我國不斷出臺扶持政策密切相關。

2.2 中國專利申請的區域分布分析

圖2所示，混合式高壓直流斷路器技術的國內申請與國外來華申請數量和類型的比重份額情況，可以反映在混合式高壓直流斷路器技術領域內國內外專利技術力量的對比。由圖可知，國外來華申請所占份額低于國內申請，充分表明國內申請人在該領域專利數量占有領先優勢，這是由于近年政府政策對遠距離電力傳輸和發電技術的政策扶持力度和各個企業研發投入的增加。

在國外來華的申請中，98.88%的專利申請都是通常認為技術含量較高的發明專利申請，實用新型僅占1.12%。而國內專利申請中，有27.63%的專利申請是實用新型專利申請，發明專利申請占72.37%，再次反映出國內技術與國外來華技術存在一定差距。可見，在混合式高壓直流斷路器技術領域，國外申請人相對于國內申請人更注重通過發明專利申請來獲得較為穩定的專利保護。需要指出的是，在混合式高壓直流斷路器技術領域，雖然國內申請中實用新型專利申請的比例大于國外來華申請，但這一比例仍然小于整個中國專利申請量中的實用新型申請的比例，可見，該領域的專利申請的技術含量相對較高。

2.3 國內主要申請人

圖3所示申請量趨勢變化圖可以看出，國家電網占據第一，且申請量遠遠超出其他申請人的申請量;西安交通大學和南京南瑞分別排位第二和第三，二者之間差別不大，實力同樣較強;整體來看申請人中，前十名里有三所企業公司和七家科研院校，由此可以看出，國內產業化程度尚未表現出明顯優勢，需加快技術轉化，加強科研機構、個人與公司的聯合，實現共贏。再結合申請量分布圖可以看出國家電網公司、南京南瑞和平高是目前國內專業從事高壓直流斷路器技術研發與生產的企業，其申請總量分別排在國內申請人的第一、第三和第十位，其中國內企業的申請發展趨勢較為接近，都是從起步開始逐步累積，并且大部分在2016年達到的申請量峰值。同時還應注意到，在2014年前南京南瑞并沒有申請量，但2015年起，出現專利申請量的大幅攀升，表明其開始意識到在該領域實施知識產權保護的重要性，在這種意識的指導下，企業建立專職知識產權管理團隊，投入足夠的資金開展專利申請，從而使得其后幾年申請量保持穩步發展。與此不同的是，科研院校類申請人如西安交通大學早在2008年左右就充分認識到自主知識產權對企業生存與發展的重要性，在該領域便穩步開展專利布局，并逐步增加申請量。從圖中可以看出，大部分申請人的申請量都處于一直增加的狀態，這也反映出政策影響所帶來的持續效果。

3 重點專利申請分析

基于檢索的結果和重點專利，選取1篇重點專利申請對其技術方案進行分析。

3.1? CN105281303A

現有的混合式直流斷路器，采用機械開關和電力電子器件混合的方式，正常運行由機械開關通流，故障時分斷機械開關，利用產生的電弧電壓將電流轉移至并聯連接的電力電子器件支路中，然后由電力電子器件分斷電流。基于該原理斷路器既減低了通態損耗，又提高了分斷速度，但是需要使用大量的全控器件串聯，技術難度大，制造成本高，而且當短路電流超過單個全控器件所能耐受電流峰值時，其成本將接近翻倍。本申請的技術方案在于：一種混合式高壓直流斷路器，串聯接于直流系統中，混合式高壓直流斷路器包括相互并聯連接的通態支路、預轉移支路、再轉移支路和耗能支路;所述通態支路包括串聯連接的至少一個快速機械開關D和包含全控器件的第一電流轉移模塊M1;所述預轉移支路包括串聯連接的第一電感L1、第一半控器件晶閘管串聯模塊S1和包含全控器件的第二電流轉移模塊M2;所述再轉移支路包括串聯連接的第二電感L2、第二半控器件晶閘管串聯模塊S2和電容器C;所述耗能支路由非線性電阻R構成。主要創新點在于：在保證足夠快的分斷速度和低損耗的前提下，采用半控器件晶閘管，分斷電流能力大，耐受電壓等級高，極大程度上降低了成本。

3.2? CN103021739A

現有技術中由于某些特定的用電場合，因為隨著電力系統容量的持續增長和用電負荷的不斷增加，電網中的短路電流水平日益提高，短路電流峰值可達到100kA以上，且短路電流上升速率極高（超過20A/μs），短路電流峰值往往已經超過了傳統的機械式斷路器本身的極限分斷能力，使得斷路器無法分斷。再者，固態開關的主要特定是分斷時間短，分斷過程無電弧，相比較于機械開關，固態開關正常通流情況下損耗較大，發熱嚴重，需要復雜的冷卻系統，因此其額定承載能力有限。針對上述不足，本申請的技術方案在于：無弧開斷的混合式直流斷路器，高速真空開關（VB），LC強制轉移電路以及過電壓限制電路并聯，LC強制轉移電路由預充電電容（C）、電感（L）和電力電子門極可關斷器件串聯組成，LC強制轉移電路兩端的電壓達到過電壓限制電路的導通閾值時，過電壓限制電路導通;控制系統監測系統電流和高速真空開關電流（iM）二者的電流值及變化率di/dt，并根據監測結果向高速真空開關和電力電子門極可關斷器件發出相應的控制命令。主要創新點在于：混合式直流斷路器，高速真空開關、LC強制轉移電路及過電壓限制電路并聯，LC強制轉移電路具有預充電電容和電力電子門極可關斷器件。控制系統監測系統電流和高速真空開關電流的電流值及變化率di/dt。

4 結語

通過對混合式高壓直流斷路器專利進行統計分析，重點關注本領域的重點專利、重點申請人、申請量等信息，結果發現混合式高壓直流斷路器的專利技術主要掌握在美國、日本、歐洲等國家或區域。目前中國在混合式高壓直流的斷路器領域與發達國家的還存在差距，國內對混合式高壓直流斷路器技術的研究還處在發展階段，近年來國內對混合式高壓直流斷路器技術的專利申請量呈上升的趨勢，顯示出我國高校、科研院所以及企業在該領域具有巨大發展潛力。

參考文獻

[1] 張弛.高壓直流斷路器及其關鍵技術[D].浙江大學，2014.

[2] 王幫田.高壓直流斷路器技術[J].高壓電器，2010（9）：61-64，68.

[3] 史宗謙，賈申利.高壓直流斷路器研究綜述[J].高壓電器，2015（11）：1-9.