混合式高压直流断路器专利技术综述

申请文献进行检索统计，并对其进行技术分解，然后对该领域的专利申请量的年度分布、国内外重要申请申请人进行了统计，以了解该领域的专利申请和专利布局情况。

关键词：高压;直流;断路器;混合式

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0166-02

1 混合式高压直流断路器概述

20世纪80年代末，随着半导体技术的发展，为了提高机械式断路器的分断速度，开始提出半导体器件与机械开关相结合的混合式直流断路器拓扑[1]。混合式直流断路器充分利用机械开关通态压降小和电力电子器件关断速度快的优势，成为当前研究热点[2]。混合式直流断路器可通过机械开关和电力电子器件的合理组合得到，常见的拓扑主要有机械开关与电力电子器件直接并联、机械开关与电力电子器件先串联再并联及由此衍生出的其他拓扑[3]。

2 专利申请状况分析

2.1 专利申请年度趋势变化情况

本次检索是在CNTXT和DWPI数据库中进行检索，截止到检索日期（2018年1月31日），中国范围内混合式高压直流断路器方面已公开的专利申请总量为694件。

图1所示，混合式高压直流断路器技术在我国申请的专利总量、国内申请量以及国外来华申请量自1987年以来随时间变化的趋势。可以看出，专利申请量总体呈上升趋势，国内与国外来华申请量趋势基本保持一致。总体来看，混合式高压直流断路器技术在中国总共经历了以下三个发展阶段：

第一阶段（1987-2000年）为萌芽期。混合式高压直流断路器技术研发还处于起步阶段，中国专利申请总量、国内和国外来华申请量均较小。第二阶段（2001-2007年）为稳定发展期。专利申请保持稳定增长，此阶段国内和国外来华专利每年申请量差别不大。第三阶段（2008年至2016）为快速发展期。专利申请快速增长，中国专利总申请总量从2008年的26件左右增长到2015年最高的88件左右，其中，国内申请从2008年的17件增长到2016年的77件，国外来华申请从2008年的9件左右到2012年最高34件，增幅明显。2016年至今为稳定发展期。经过近十年的高速增长，进入2016年后，混合式高压直流断路器技术在中国的专利申请量开始出现稳定发展，随着国际知识产权体系建设的不断深化，越来越多的国外申请人开始选择以PCT申请作为进入其他国家开展专利布局的申请途径，而PCT申请自申请日到进入相关国家，其间所需时间较之以往的巴黎公约途径所需时间更长，从而在年申请量上反映出一定程度的回落;值得注意的是，国内申请量在这一时期仍然有所增长，由于2016至2017年数据存在公开滞后性的原因，申请量有所下降，但从总体趋势上可以预见国内申请量仍然保持增长态势。并且，从2011年开始，国内专利申请量与国外来华专利申请量的差距逐渐增加，这与我国不断出台扶持政策密切相关。

2.2 中国专利申请的区域分布分析

图2所示，混合式高压直流断路器技术的国内申请与国外来华申请数量和类型的比重份额情况，可以反映在混合式高压直流断路器技术领域内国内外专利技术力量的对比。由图可知，国外来华申请所占份额低于国内申请，充分表明国内申请人在该领域专利数量占有领先优势，这是由于近年政府政策对远距离电力传输和发电技术的政策扶持力度和各个企业研发投入的增加。

在国外来华的申请中，98.88%的专利申请都是通常认为技术含量较高的发明专利申请，实用新型仅占1.12%。而国内专利申请中，有27.63%的专利申请是实用新型专利申请，发明专利申请占72.37%，再次反映出国内技术与国外来华技术存在一定差距。可见，在混合式高压直流断路器技术领域，国外申请人相对于国内申请人更注重通过发明专利申请来获得较为稳定的专利保护。需要指出的是，在混合式高压直流断路器技术领域，虽然国内申请中实用新型专利申请的比例大于国外来华申请，但这一比例仍然小于整个中国专利申请量中的实用新型申请的比例，可见，该领域的专利申请的技术含量相对较高。

2.3 国内主要申请人

图3所示申请量趋势变化图可以看出，国家电网占据第一，且申请量远远超出其他申请人的申請量;西安交通大学和南京南瑞分别排位第二和第三，二者之间差别不大，实力同样较强;整体来看申请人中，前十名里有三所企业公司和七家科研院校，由此可以看出，国内产业化程度尚未表现出明显优势，需加快技术转化，加强科研机构、个人与公司的联合，实现共赢。再结合申请量分布图可以看出国家电网公司、南京南瑞和平高是目前国内专业从事高压直流断路器技术研发与生产的企业，其申请总量分别排在国内申请人的第一、第三和第十位，其中国内企业的申请发展趋势较为接近，都是从起步开始逐步累积，并且大部分在2016年达到的申请量峰值。同时还应注意到，在2014年前南京南瑞并没有申请量，但2015年起，出现专利申请量的大幅攀升，表明其开始意识到在该领域实施知识产权保护的重要性，在这种意识的指导下，企业建立专职知识产权管理团队，投入足够的资金开展专利申请，从而使得其后几年申请量保持稳步发展。与此不同的是，科研院校类申请人如西安交通大学早在2008年左右就充分认识到自主知识产权对企业生存与发展的重要性，在该领域便稳步开展专利布局，并逐步增加申请量。从图中可以看出，大部分申请人的申请量都处于一直增加的状态，这也反映出政策影响所带来的持续效果。

3 重点专利申请分析

基于检索的结果和重点专利，选取1篇重点专利申请对其技术方案进行分析。

3.1  CN105281303A

现有的混合式直流断路器，采用机械开关和电力电子器件混合的方式，正常运行由机械开关通流，故障时分断机械开关，利用产生的电弧电压将电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。基于该原理断路器既减低了通态损耗，又提高了分断速度，但是需要使用大量的全控器件串联，技术难度大，制造成本高，而且当短路电流超过单个全控器件所能耐受电流峰值时，其成本将接近翻倍。本申请的技术方案在于：一种混合式高压直流断路器，串联接于直流系统中，混合式高压直流断路器包括相互并联连接的通态支路、预转移支路、再转移支路和耗能支路;所述通态支路包括串联连接的至少一个快速机械开关D和包含全控器件的第一电流转移模块M1;所述预转移支路包括串联连接的第一电感L1、第一半控器件晶闸管串联模块S1和包含全控器件的第二电流转移模块M2;所述再转移支路包括串联连接的第二电感L2、第二半控器件晶闸管串联模块S2和电容器C;所述耗能支路由非线性电阻R构成。主要创新点在于：在保证足够快的分断速度和低损耗的前提下，采用半控器件晶闸管，分断电流能力大，耐受电压等级高，极大程度上降低了成本。

3.2  CN103021739A

现有技术中由于某些特定的用电场合，因为随着电力系统容量的持续增长和用电负荷的不断增加，电网中的短路电流水平日益提高，短路电流峰值可达到100kA以上，且短路电流上升速率极高（超过20A/μs），短路电流峰值往往已经超过了传统的机械式断路器本身的极限分断能力，使得断路器无法分断。再者，固态开关的主要特定是分断时间短，分断过程无电弧，相比较于机械开关，固态开关正常通流情况下损耗较大，发热严重，需要复杂的冷却系统，因此其额定承载能力有限。针对上述不足，本申请的技术方案在于：无弧开断的混合式直流断路器，高速真空开关（VB），LC强制转移电路以及过电压限制电路并联，LC强制转移电路由预充电电容（C）、电感（L）和电力电子门极可关断器件串联组成，LC强制转移电路两端的电压达到过电压限制电路的导通阈值时，过电压限制电路导通;控制系统监测系统电流和高速真空开关电流（iM）二者的电流值及变化率di/dt，并根据监测结果向高速真空开关和电力电子门极可关断器件发出相应的控制命令。主要创新点在于：混合式直流断路器，高速真空开关、LC强制转移电路及过电压限制电路并联，LC强制转移电路具有预充电电容和电力电子门极可关断器件。控制系统监测系统电流和高速真空开关电流的电流值及变化率di/dt。

4 结语

通过对混合式高压直流断路器专利进行统计分析，重点关注本领域的重点专利、重点申请人、申请量等信息，结果发现混合式高压直流断路器的专利技术主要掌握在美国、日本、欧洲等国家或区域。目前中国在混合式高压直流的断路器领域与发达国家的还存在差距，国内对混合式高压直流断路器技术的研究还处在发展阶段，近年来国内对混合式高压直流断路器技术的专利申请量呈上升的趋势，显示出我国高校、科研院所以及企业在该领域具有巨大发展潜力。

参考文献

[1] 张弛.高压直流断路器及其关键技术[D].浙江大学，2014.

[2] 王帮田.高压直流断路器技术[J].高压电器，2010（9）：61-64，68.

[3] 史宗谦，贾申利.高压直流断路器研究综述[J].高压电器，2015（11）：1-9.

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