真空断路器操动机构专利技术综述

1 概述

真空断路器具有两大部件：一为真空灭弧室，相当于真空断路器的心脏，另一为操动机构，相当于真空断路器的神经中枢。操动机构为断路器完成分、合闸操作，对真空断路器的操作性能影响很大。而操作机构又是真空断路器中机械结构最为复杂、维护工作量最大的部件。国内外的统计表明，操动机构的故障占真空断路器总故障的89.4%。由此可见，操动机构的可靠性至为重要[1]。真空断路器操动机构包括电磁、弹簧、永磁操动机构。永磁操动机构因其出力特性与真空断路器的负载特性吻合度好而成为目前的研究热点[2-3]。

2 真空断路器操动机构的专利分析

2.1 真空断路器操动机构国内外专利申请趋势

图1 真空断路器操动机构专利申请量的变化趋势

从图1中可以看出，真空断路器操动机构的技术发展大致分为三个阶段。1969年－1984年为技术萌芽期，真空断路器操动机构的专利已在国外出现，但是发展较为缓慢，在这期间，最早出现的是电磁操动机构，真空断路器发展初期因无专用操动机构而被采用，虽然电磁操动机构结构简单、零件数少，但由于合闸线圈消耗的功率大，需配用大容量直流电源，因而辅助设施投资大，维护费用高，故在真空断路器中使用已逐渐减少，因而专利申请量也不多；同时在该阶段，弹簧操动机构也开始发展研究，弹簧操动机构在原有的电磁操动机构上做出了较大改进，使得操动机构的寿命得到提高。1984年－1999年为技术成熟期，此时的真空断路器操动机构以弹簧操动机构为代表，弹簧操动机构相对于电磁操动机构只需要小功率的操作电源，电动机功率小，交、直流两用；同时，在20世纪80年代末，出现了永磁操动机构[4]。1999年－至今为高速发展期，以西门子公司为代表的专门研究弹簧操动机构，以ABB和Areva公司为代表的研究弹簧操动机构以及永磁操动机构，使得真空断路器操动机构得到了快速发展。

我国对真空断路器操动机构的研究起步较晚，直至1999年才有该领域的专利出现，但是在2000年以后，我国在该领域的申请量逐步增长，并快速发展。这表明中国经济的快速增长以及中国电力行业的发展促进了中国国内的真空断路器操动机构企业进入了大量研发生产的时期，同时中国的电网市场也吸引了大量的外国企业的专利布局。

2.2 国外主要申请人分析

图2 国外主要申请人申请量分布

从图2中可以看到，德国的西门子高居首位，其致力于专门研究弹簧操动机构。从整体上来看，日本厂商的实力较强，包括三菱电机株式会社、株式会社日立制作所、株式会社东芝在该领域布置了大量专利。德国的ABB公司在该领域的专利申请量也较多，主要研究弹簧操动机构和永磁操动机构，并且ABB公司曾是永磁操动机构的推手。

2.3 国内主要申请人分析

图3 国内主要申请人申请量分布

从图3中可看出，国家电网的申请量位居第一，这是由于国家电网本来就是致力于研究各种高压开关，是该领域的龙头企业。国内除了有大量的企业致力于研究真空断路器操动机构，也有诸如东南大学、沈阳工业大学等高校致力于真空断路器操动机构，其主要研究永磁操动机构。

2.4 技术发展路线

图4 真空断路器操动机构的技术演进路线

从图中可看出，真空断路器的操动机构早期采用的是电磁操动机构，较为代表性的是于1969年申请的专利EP0033636A1，其涉及到一种利用合闸线圈实现真空断路器分合闸的电磁操动机构，其虽结构简单，零件数量相对较少，工作较为可靠，制造成本低，但是由于其需要一套专门的蓄电池组设备作为直流电流，投资大、维护比较麻烦，已逐渐被市场所淘汰。

随后国外研制出弹簧操动机构，相继出现了配装式螺旋弹簧操动机构、一体式螺旋弹簧操动机构、涡卷弹簧（盘簧）操动机构、弹簧操动机构模块化。配装式螺旋弹簧操动机构具有代表性的是西门子公司于1984年申请的专利US4453056A，其采用配装形式，利用四连杆机构作为传动机构实现弹簧的储能进而进行真空断路器的分合闸。一体式螺旋弹簧操动机构，与真空断路器构成一体，减少了中间传动环节，使整个结构变得简单紧凑，降低了能耗和噪声，该结构一经装配完成可做到免调试，国外大多采用一体式螺旋弹簧操动机构，具有代表性的是西门子公司于2002年申请的EP1367616A1，其将弹簧操动机构与真空断路器整合为一体，精简了传动机构。20世纪90年代末，弹簧操动机构出现了新的形式，从原来以螺旋弹簧为动力源的四连杆驱动方式变为了以涡卷弹簧（盘簧）为动力源的凸轮驱动方式，这样不仅实现了操动机构单元化、小型化，提高了可靠性，且弹簧各部分在储能过程中受力始终是均匀的，摩擦力极小，效率高，能与真空断路器的真空灭弧室最佳匹配，具有代表性的是ABB公司于1996年申请的DE19602912A1，其采用涡卷弹簧与凸轮机构相配合的驱动方式实现真空断路器的分合闸。随着时间的推移，弹簧操动机构的设计已有很大进步，以不同功能单元为分界线，实现全模块化设计，减少功能单元的中间环节，大大减少零件数，如整体结构由原来的200多个零件改进为100多个零件再进一步改进为仅有70多个零件，达到整体功能结构清晰，操作维护简便，运行可靠，具有代表性的是ABB公司于2012年申请的US2012/0241296A1，其通过模块化设计，减少零件数，从而减少故障发生率。

在弹簧操动机构技术发展较为成熟之际，于20世纪90年代出现了永磁操动机构，其是一种全新的操动机构，它利用永磁保持、电子控制、电容器储能，工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、锁扣装置。

1997年ABB公司成功地开发了配双稳态永磁操动机构的VM1型真空断路器，并由此申请专利EP0801407A2。此后，永磁操动机构因结构简单、零件数量少（仅为弹簧操动机构的35～40%）、可靠性高、操作寿命长（可达10万次以上）、动作分散性小、出力特性与真空灭弧室的负载特性相匹配而引起国内外的普遍关注，成为中压真空开关领域的国内外热点研究问题之一。

20世纪90年代末，永磁操动机构传入我国，由于永磁操动机构的诸多优点以及在国外已经形成的开发热点，国内开关行业的一些主导厂家、大专院校和科研院所也把目光投向永磁操动机构的研制上，如沈阳工业大学、西安森源电气、清华大学等，并取得了显著成果。

永磁操动机构的双稳态和单稳态形式、传动机构的杠杆传动式和直动式同步发展，但对比现今各种永磁操动机构，单稳态比双稳态好，传动机构直动比经杠杆传动的好。

3 结束语

综上，真空断路器操动机构相继经历了电磁操动机构、弹簧操动机构、永磁操动机构，电磁操动机构因其需配大容量的直流电源而被逐渐淘汰，弹簧操动机构现已发展比较成熟，且大量运用，永磁操动机构因其具有与真空灭弧室最为匹配的出力特性而成为目前研究的热点之一。通过分析发现，国外企业在真空断路器操动机构领域起步较早，且研究力度较大，占据一定优势，国内企业虽起步较晚，但随着经济的发展也促使国内电力企业开始大力研发。