雙電源自動轉換開關專利綜述

鄭巧 宋宇程

摘 ?要：作為對連續供電的一種保障，雙電源自動轉換開關已經廣泛應用于各種重要負載的場合[1]。文章基于VEN和CNABS數據庫對雙電源轉換開關領域的專利申請進行了數據分析，通過檢索、篩選、統計和分析國內外有關自動轉換開關的專利申請，結合各主要技術分支梳理了雙電源自動轉換開關領域的總體技術發展路線。同時，以雙電源自動轉換開關領域的技術演進節點為主線分析了其演進過程，以及從重點專利的角度剖析了該領域的重點研究方向。

關鍵詞：電源;自動轉換開關;核心專利;技術演進

中圖分類號：T-18 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

隨著我國工業發展、企業自動化程度的提高，以及對重要公共建筑安全的考慮，供電可靠性已經成為人們在實踐中非常看重的因素。因此，諸多場所均應配備雙電源緊急供電系統，以保證緊急狀態下的正常供電需求[2]。雙電源自動轉換開關（ATSE）是一種機電一體化程度較高的機電結合產品，它由一個或幾個轉換開關電器和其他必須的轉換控制器組成，用于監測電源電路、將負載電路從一個電源轉換至另一個電源[3]。短路分斷能力高、投切容量大、體積小、操作可靠性高、產品智能化，是當前具有國際水平的雙電源自動轉換開關的最基本特征[3]。本文主要從專利申請信息、技術發展演進、重要申請人以及發展狀況等方面對雙電源自動轉換開關進行專利分析。

2 雙電源自動轉換開關分類

通過數據庫檢索和專利分析，針對雙電源自動轉換開關最終確定出如圖1所示的技術分解表。

2.1 短路電流分斷能力

根據雙電源轉換開關的短路電流分斷能力，將其劃分為PC級和CB級兩種類型[4]。其中CB級ATSE的開關本體主要由兩個斷路器、分/合閘線圈、儲能電機、外置機械連鎖等分立元件組合而成。而PC級ATSE的開關本體為一體化設計，零件數量少，可靠性較高，PC級ATSE的安全間隙與爬電距離約為CB級ATSE的2倍。從其發展進程及發展趨勢來看，PC級ATSE在工程中的實際應用將成為主流。

2.2 開關本體結構

ATSE的開關主體主要經歷了四個發展階段：接觸器式、斷路器式、負荷開關式和雙投式。我國有關ATSE的研制和生產在80年代初還是空白狀態，國內許多需要ATSE的場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，它是由兩臺斷路器及其機械、電氣聯鎖裝置組成，具有短路和過電流保護功能，但機械聯鎖不可靠。負荷開關式為第三代，由兩臺負荷開關和一套內置的聯鎖機構組合而成，機械聯鎖可靠，動作速度快。雙投式自動轉換開關為第四代，由電磁力驅動、內置的機械連接保持狀態，具有結構簡單，體積小、自身聯鎖、轉換速度快等優點。

2.3 觸頭系統

ATSE觸頭可分為雙工位和三工位，雙工位式主觸頭僅有兩個工作位：常用電源位和備用電源位，負載不出現長期斷電的情況，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可以較長時間切斷電源負載，尤其在電源質量不高時，適當的延時可以避免轉換開關誤動作。

2.4 根據電源種類及切換復位方式

ATSE根據其電源種類和切換復位方式分為電網與電網間自投自復;電網與電網間自投手復;電網與發電裝置間自投自復三種類型。其中第一類適用于兩路電源都采自電網的交流電為主、備用系統，正常狀態由主電源供電，當主電源失電時，經過一定的延時后自動切換至備用電源供電。第二類適用于兩電網交流電主、備用系統，在主電源失電時，自動切換至備用電源。第三類適用于電網提供主供電源，發電裝置為備用電源。

3 雙電源自動轉換開關的專利發展分析

截至2020年5月30日，雙電源自動轉換開關領域的全球專利申請共計3926項，其總體發展趨勢呈增長狀態。

3.1 國內外專利庫申請趨勢分析

從圖2可以看出，雙電源自動轉換開關的申請量總體呈上升趨勢，其發展大體分為三個階段，1970年之前屬于電源自動轉換開關的技術萌芽期，在此期間有關電源轉換開關的專利已經在國外出現，但是發展較為緩慢。1970年到2000年之間，屬于雙電源自動轉換開關的成熟期，隨著供電技術和各類開關電器的發展，雙電源轉換開關的使用開始普及，并逐漸穩定發展。我國對電源自動轉換開關電器的研制和生產起步較晚，在20世紀90年代初期，國內所需的ATSE裝置往往由接觸器、繼電器、隔離開關等產品的組合進行替代，這類產品可靠性、安全性較低。90年代中期，針對國內市場急需高性能、高可靠自動轉換開關的現狀，大量國外的雙電源自動轉換開關電器進入中國市場，一定程度上滿足了我國市場需求。隨著我國經濟快速增長及電力行業的發展，我國的專利申請量也隨之逐步增長，并快速發展。

3.2 技術原創申請量分布

從圖3可以看出，在雙電源自動轉換開關領域，我國的專利申請量在世界范圍內占據了龐大的位置，其次是美國、韓國、德國，上述國家具有龐大的消費市場，由于對電力行業的高度依賴性，帶動了電源轉換開關的相關技術進入上述國家。以中國為目標市場國的專利申請來源國家的情況，代表了各國在電源自動轉換開關領域的研發能力和技術水平，可見中國這個巨大的市場已經得到了各國企業的高度重視。以中國為目標市場國的專利申請中，國內申請人的專利約占81%，國外申請人主要來自日本、美國、德國、法國。雖然我國國內申請數量占比較高，但從技術層面看，與國外企業之間還存在一定差距。在國內的申請量分布主要在沿海地區，這是由于該領域的研究主要集中在各大公司和企業，而較多涉及電氣設備的公司和企業都分布在沿海地區。

3.3 國內外主要申請人申請量分布

圖4是雙電源自動轉換開關領域專利國外主要申請人，美國的通用電氣、伊頓公司申請量占比較大，這是由于美國的電力系統行業發展較早，也是最早制訂電源自動轉換開關技術標準文件的國家，目前以美國為代表的電源自動轉換開關為一體化設計轉換開關。此外，德國西門子公司的申請量占比也較大，以上數據一定程度上表明了美國和德國這兩個國家在該領域的重要程度。

從圖5可以看出，常熟開關制造有限公司的申請量位居第一，該公司為國內著名的電氣專業制造公司，主要生產高低壓電器元件、電子產品及高低壓成套開關設備。國家電網和正泰電器的申請量基本相同，國家電網本來一直致力于研究各種高壓開關，而正泰電器也是致力于研發和生產斷路器、繼電器等工業電器的大型企業。同時諸多國外的大型電氣公司，如西門子、施耐德電器、通用電氣、ABB均在我國有較多專利申請，國外申請人的專利大多通過巴黎公約或者PCT條約進入中國，這表明國際上各大型電氣企業均已將中國作為了主要目標市場。

4 專利技術分析

圖6通過對雙電源自動轉換開關各個技術分支的技術發展路線進行梳理，所得到的年代技術發展和演進圖，展示了電源自動轉換開關的技術變遷。早期的專利申請，受限于電力系統和低壓開關電器的發展，主要局限于繼電器式和斷路器式兩種類型，隨著電力系統行業和各類開關電器的快速發展，20世紀90年中期過后，電源自動轉換開關在各個技術分支呈現出了較多的變形。

ATSE的本體結構從最初的接觸器式、斷路器式和負荷開關式，逐漸發展為整體性較強的雙投式自動轉換開關。接觸器式ATSE較為代表性的是于1965年申請的專利US33366547A，其通過在兩個接觸器之間設置機械聯鎖，實現了雙電源之間的自動轉換。斷路器式ATSE較為代表性的是于1972年申請的專利US3778633A，其通過兩個斷路器實現雙電源轉換，斷路器之間也采用機械聯鎖。

20世紀90年代后，各國電力行業快速發展，很多國外的電源自動轉換開關產品進入中國，雙電源自動轉換開關的結構也逐步發展為負荷開關式結構，例如1994年申請的專利JP2567813B2，其涉及的負荷開關式ATSE采用電磁線圈驅動開關動作，相比繼電器、斷路器式的機械聯鎖結構，聯鎖方式更加可靠。

2000年后，為了進一步提高ATSE的分斷性能和聯鎖可靠性，一體式結構的雙投式自動轉換開關逐漸普及，較為典型的包括2000年申請的專利US6849811B1，涉及一種電磁機構驅動的單刀雙擲型雙電源自動轉換開關，其切換速度更快，具有電氣和機械雙重聯鎖，安全可靠。

基于不同的觸頭系統，雙工位式觸頭結構較為典型的包括如專利JP2558378B2，三工位式觸頭結構較為典型的包括如2005年申請的專利US6940032B2。受限于不同的應用環境和分斷需求，ATSE的觸頭材料也分為CB級常用的如專利DE19509017C2中的銀鎢類材料，和PC級常用的如專利DE19732695C2中的銀合金材料。隨著觸頭材料的技術發展，工業上對自動轉換開關觸頭的要求也逐漸趨向于具有更高的分斷能力和較好的抗氧化、滅弧能力。

從以上各個技術分支的發展路線可以看出，ATSE的發展方向主要圍繞小型化、轉換過程中的聯鎖可靠性、觸頭分斷能力等方面，不斷采用新技術、新工藝、新材料，開發研制適應不同電力需求和應用環境的小型化、高分斷能力和安全可靠的電源自動轉換開關。

5 結束語

本文通過對雙電源自動轉換開關領域的專利技術進行分析整理，重點關注了本領域的技術發展走向以及重要申請人的研發側重方向，介紹了自動轉換開關的分類，以及該領域在國內外的發展歷史、現狀以及未來的趨勢。通過梳理和分析該領域的發展狀況，有助于全面了解雙電源轉換開關領域的發展態勢。通過分析發現，雙電源自動轉換開關相繼經歷了接觸器式、斷路器式、負荷開關式、雙投式幾個發展階段，其中雙投式自動轉換開關憑借其整體性好、分斷能力強、聯鎖可靠性高等優點，是目前研究的熱點之一。

參考文獻：

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