双电源自动转换开关专利综述

郑巧 宋宇程

摘  要：作为对连续供电的一种保障，双电源自动转换开关已经广泛应用于各种重要负载的场合[1]。文章基于VEN和CNABS数据库对双电源转换开关领域的专利申请进行了数据分析，通过检索、筛选、统计和分析国内外有关自动转换开关的专利申请，结合各主要技术分支梳理了双电源自动转换开关领域的总体技术发展路线。同时，以双电源自动转换开关领域的技术演进节点为主线分析了其演进过程，以及从重点专利的角度剖析了该领域的重点研究方向。

关键词：电源;自动转换开关;核心专利;技术演进

中图分类号：T-18          文献标志码：A         文章编号：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

隨着我国工业发展、企业自动化程度的提高，以及对重要公共建筑安全的考虑，供电可靠性已经成为人们在实践中非常看重的因素。因此，诸多场所均应配备双电源紧急供电系统，以保证紧急状态下的正常供电需求[2]。双电源自动转换开关（ATSE）是一种机电一体化程度较高的机电结合产品，它由一个或几个转换开关电器和其他必须的转换控制器组成，用于监测电源电路、将负载电路从一个电源转换至另一个电源[3]。短路分断能力高、投切容量大、体积小、操作可靠性高、产品智能化，是当前具有国际水平的双电源自动转换开关的最基本特征[3]。本文主要从专利申请信息、技术发展演进、重要申请人以及发展状况等方面对双电源自动转换开关进行专利分析。

2 双电源自动转换开关分类

通过数据库检索和专利分析，针对双电源自动转换开关最终确定出如图1所示的技术分解表。

2.1 短路电流分断能力

根据双电源转换开关的短路电流分断能力，将其划分为PC级和CB级两种类型[4]。其中CB级ATSE的开关本体主要由两个断路器、分/合闸线圈、储能电机、外置机械连锁等分立元件组合而成。而PC级ATSE的开关本体为一体化设计，零件数量少，可靠性较高，PC级ATSE的安全间隙与爬电距离约为CB级ATSE的2倍。从其发展进程及发展趋势来看，PC级ATSE在工程中的实际应用将成为主流。

2.2 开关本体结构

ATSE的开关主体主要经历了四个发展阶段：接触器式、断路器式、负荷开关式和双投式。我国有关ATSE的研制和生产在80年代初还是空白状态，国内许多需要ATSE的场所不得不采用普通接触器或继电器作为投切电器[5]。断路器式为第二代，它是由两台断路器及其机械、电气联锁装置组成，具有短路和过电流保护功能，但机械联锁不可靠。负荷开关式为第三代，由两台负荷开关和一套内置的联锁机构组合而成，机械联锁可靠，动作速度快。双投式自动转换开关为第四代，由电磁力驱动、内置的机械连接保持状态，具有结构简单，体积小、自身联锁、转换速度快等优点。

2.3 触头系统

ATSE触头可分为双工位和三工位，双工位式主触头仅有两个工作位：常用电源位和备用电源位，负载不出现长期断电的情况，供电可靠性高。三工位式触头相比双工位式多了“零位”，主触头可处于空挡，因此三工位式ATSE可以较长时间切断电源负载，尤其在电源质量不高时，适当的延时可以避免转换开关误动作。

2.4 根据电源种类及切换复位方式

ATSE根据其电源种类和切换复位方式分为电网与电网间自投自复;电网与电网间自投手复;电网与发电装置间自投自复三种类型。其中第一类适用于两路电源都采自电网的交流电为主、备用系统，正常状态由主电源供电，当主电源失电时，经过一定的延时后自动切换至备用电源供电。第二类适用于两电网交流电主、备用系统，在主电源失电时，自动切换至备用电源。第三类适用于电网提供主供电源，发电装置为备用电源。

3 双电源自动转换开关的专利发展分析

截至2020年5月30日，双电源自动转换开关领域的全球专利申请共计3926项，其总体发展趋势呈增长状态。

3.1 国内外专利库申请趋势分析

从图2可以看出，双电源自动转换开关的申请量总体呈上升趋势，其发展大体分为三个阶段，1970年之前属于电源自动转换开关的技术萌芽期，在此期间有关电源转换开关的专利已经在国外出现，但是发展较为缓慢。1970年到2000年之间，属于双电源自动转换开关的成熟期，随着供电技术和各类开关电器的发展，双电源转换开关的使用开始普及，并逐渐稳定发展。我国对电源自动转换开关电器的研制和生产起步较晚，在20世纪90年代初期，国内所需的ATSE装置往往由接触器、继电器、隔离开关等产品的组合进行替代，这类产品可靠性、安全性较低。90年代中期，针对国内市场急需高性能、高可靠自动转换开关的现状，大量国外的双电源自动转换开关电器进入中国市场，一定程度上满足了我国市场需求。随着我国经济快速增长及电力行业的发展，我国的专利申请量也随之逐步增长，并快速发展。

3.2 技术原创申请量分布

从图3可以看出，在双电源自动转换开关领域，我国的专利申请量在世界范围内占据了庞大的位置，其次是美国、韩国、德国，上述国家具有庞大的消费市场，由于对电力行业的高度依赖性，带动了电源转换开关的相关技术进入上述国家。以中国为目标市场国的专利申请来源国家的情况，代表了各国在电源自动转换开关领域的研发能力和技术水平，可见中国这个巨大的市场已经得到了各国企业的高度重视。以中国为目标市场国的专利申请中，国内申请人的专利约占81%，国外申请人主要来自日本、美国、德国、法国。虽然我国国内申请数量占比较高，但从技术层面看，与国外企业之间还存在一定差距。在国内的申请量分布主要在沿海地区，这是由于该领域的研究主要集中在各大公司和企业，而较多涉及电气设备的公司和企业都分布在沿海地区。

3.3 国内外主要申请人申请量分布

图4是双电源自动转换开关领域专利国外主要申请人，美国的通用电气、伊顿公司申请量占比较大，这是由于美国的电力系统行业发展较早，也是最早制订电源自动转换开关技术标准文件的国家，目前以美国为代表的电源自动转换开关为一体化设计转换开关。此外，德国西门子公司的申请量占比也较大，以上数据一定程度上表明了美国和德国这两个国家在该领域的重要程度。

从图5可以看出，常熟开关制造有限公司的申请量位居第一，该公司为国内著名的电气专业制造公司，主要生产高低压电器元件、电子产品及高低压成套开关设备。国家电网和正泰电器的申请量基本相同，国家电网本来一直致力于研究各种高压开关，而正泰电器也是致力于研发和生产断路器、继电器等工业电器的大型企业。同时诸多国外的大型电气公司，如西门子、施耐德电器、通用电气、ABB均在我国有较多专利申请，国外申请人的专利大多通过巴黎公约或者PCT条约进入中国，这表明国际上各大型电气企业均已将中国作为了主要目标市场。

4 专利技术分析

图6通过对双电源自动转换开关各个技术分支的技术发展路线进行梳理，所得到的年代技术发展和演进图，展示了电源自动转换开关的技术变迁。早期的专利申请，受限于电力系统和低压开关电器的发展，主要局限于继电器式和断路器式两种类型，随着电力系统行业和各类开关电器的快速发展，20世纪90年中期过后，电源自动转换开关在各个技术分支呈现出了较多的变形。

ATSE的本体结构从最初的接触器式、断路器式和负荷开关式，逐渐发展为整体性较强的双投式自动转换开关。接触器式ATSE较为代表性的是于1965年申请的专利US33366547A，其通过在两个接触器之间设置机械联锁，实现了双电源之间的自动转换。断路器式ATSE较为代表性的是于1972年申请的专利US3778633A，其通过两个断路器实现双电源转换，断路器之间也采用机械联锁。

20世纪90年代后，各国电力行业快速发展，很多国外的电源自动转换开关产品进入中国，双电源自动转换开关的结构也逐步发展为负荷开关式结构，例如1994年申请的专利JP2567813B2，其涉及的负荷开关式ATSE采用电磁线圈驱动开关动作，相比继电器、断路器式的机械联锁结构，联锁方式更加可靠。

2000年后，为了进一步提高ATSE的分断性能和联锁可靠性，一体式结构的双投式自动转换开关逐渐普及，较为典型的包括2000年申请的专利US6849811B1，涉及一种电磁机构驱动的单刀双掷型双电源自动转换开关，其切换速度更快，具有电气和机械双重联锁，安全可靠。

基于不同的触头系统，双工位式触头结构较为典型的包括如专利JP2558378B2，三工位式触头结构较为典型的包括如2005年申请的专利US6940032B2。受限于不同的应用环境和分断需求，ATSE的触头材料也分为CB级常用的如专利DE19509017C2中的银钨类材料，和PC级常用的如专利DE19732695C2中的银合金材料。随着触头材料的技术发展，工业上对自动转换开关触头的要求也逐渐趋向于具有更高的分断能力和较好的抗氧化、灭弧能力。

从以上各个技术分支的发展路线可以看出，ATSE的發展方向主要围绕小型化、转换过程中的联锁可靠性、触头分断能力等方面，不断采用新技术、新工艺、新材料，开发研制适应不同电力需求和应用环境的小型化、高分断能力和安全可靠的电源自动转换开关。

5 结束语

本文通过对双电源自动转换开关领域的专利技术进行分析整理，重点关注了本领域的技术发展走向以及重要申请人的研发侧重方向，介绍了自动转换开关的分类，以及该领域在国内外的发展历史、现状以及未来的趋势。通过梳理和分析该领域的发展状况，有助于全面了解双电源转换开关领域的发展态势。通过分析发现，双电源自动转换开关相继经历了接触器式、断路器式、负荷开关式、双投式几个发展阶段，其中双投式自动转换开关凭借其整体性好、分断能力强、联锁可靠性高等优点，是目前研究的热点之一。

参考文献：

[1]周国良.当前双电源转换开关的现状及发展[J].江苏电器，2000（02）：4-6+14.

[2]曲德刚.自动转换开关电器（ATSE）的选择与应用[J].低压电器，2003（10）：56-60.

[3]卢家涛，鞠向楠.浅谈CB级和PC级双电源自动转换开关（ATSE）选择[J].河南水利与南水北调，2012（24）：49-50.

[4]李兵.自动转换开关的选择及主要技术要求[J].建筑电气设计与设备专刊，2006，2428（4）：10-12.

[5]崔贵明.双电源转换开关现状及发展趋势[J].现代商贸工业，1998（2）：372.