电气机柜一般是指采用冷轧钢板或合金制作的用于存放和保护电气元件的柜体，其具有造价低廉、安装简便，并且和插入组件易于配合的优点[1]。由于在电力系统中起到重要作用的断路器、隔离开关以及变压器等重要部件一般存放在电气机柜中，因此保证电气机柜的安全是实现电力不间断供应的重要环节。
在实际应用中，电气机柜可能应用在船舶、汽车、铁路机车等振动频繁的场合[2]，即使是日常使用中将其放置于地面上，电气机柜也可能受到声波、地震等的袭扰。如果周围环境的频率对电气机柜带来谐振，轻微时会引起电气设备功能性破坏，如工作失灵、性能降低等；更严重的会导致结构性破坏，如结构件的疲劳、断裂、磨损，连接件的松动、分离等[3]，严重影响用电稳定。因此，为保证机柜内设备可靠工作，达到各项指标，对机柜的结构设计，尤其是抗震设计至关重要[4]。
通过对2018年以前该领域专利申请分析发现，1966-2008年，全球申请量变化平缓，整体申请量较少，每年仅有十个左右的申请。而自2008年以来，全球申请量迅速增加，尤其是自2012年以来，增长势头迅猛。申请量的大幅增长主要是基于我国该领域专利申请量的大幅攀升。从客观原因分析，这可能在于发生于2008年和2013年的特大地震使我国电气设备从业者意识到提升电气机柜减震性能对于减少地震对输配电设备带来重大损害，保证用电网络安全、稳定具有重大意义。
通过对专利申请国统计发现，位于亚洲的中日韩三国是该领域的全球最主要申请国，尤其是中国，近几年间在该领域申请了大量专利，整体占到了全球申请总量的72%左右；韩国是该领域第二大申请国，申请量占到全球申请量的17%；电气设备研发技术起步较早，拥有众多大型电气公司的日本申请量也较大，占到了全球申请量的5%。通过对申请人统计发现，中国国家电网作为我国电力行业的最大型国有企业，该领域的专利申请量位居第一；而日本东芝公司、三菱电机株式会社以及株式会社日立制作所作为全球知名的电气公司，在该领域贡献了大量且高质的专利申请；1980年以后，韩国在政策合力的引导下，采用创新驱动升级战略，实现了电气电子行业的高速发展和创新，因此以韩国kd power和三星电子为代表的龙头企业也申请了多项专利。而德国具有世界技术领先的电子电气工业，拥有众多世界知名、技术领先的电气公司，代表世界电气工业的最高水平，也为该领域贡献了大量的专利申请，其中西门子股份公司以及威图电子机械公司就分别位于重要申请人的第五、六位。
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图1 全球重要申请人排行
实践证明，震动、冲击和碰撞等动载荷对电气机柜影响的大小，主要取决于传递给电气机柜的加速度大小，因此，隔震缓冲设计的目的：其一是防止共振或减小振动的响应加速度；其二是减小冲击、碰撞加速度的传递率；实现上述目的的主要手段有：（1）提高结构刚性；（2）使用专门的隔震缓冲装置；（3）消除内部碰撞[5]。基于上述的设计思路和减震方法，通过对相关专利文献进行分类，可将电气机柜减震结构的实现方式大致分为以下几类：
一是对框架结构的改进，其具体又包括：a.在电气机柜体框架结构上安装加强梁或加强肋以进一步增强柜体框架的抗震强度；b.将用于框架的型材结构和形状进行改变以增强抗震能力；c.对柜体的支脚结构进行改进，使之具备一定的缓冲和抗震能力；d.改变型材间连接方式，实现型材连接加固，增强框架抗震性能；
二是增加辅助减震装置，其具体包括:a. 在柜体底部加装减震器或弹性底座，以实现对柜体竖直震动的缓冲和减震;b.在柜体一个或多个侧面、顶面等设置弹性组件，以起到对柜体震动的缓冲和减震；c.改变柜体与地面等基底的连接固定方式，增强其固定强度，在震动时防止柜体的移动和倾倒；
三是将柜体内部的电气元件直接通过弹簧、减震器等安装在柜体内部，直接防止电气元件的振动。
在上述技术路线中，对框架结构的改进能从根本上提升柜体的抗震强度，是欧美和日本知名电气公司常用的减震方式，具有减震效果显著且便于工业化生产的优势。为电气机柜加装辅助减震器件是中国申请量最大的减震方式，该方法设计思路简单、便于施行，但其具体的减震效果和在电气设备中的应用还有待验证。
通过上述分析可知，作为全球用电量最大国以及地震多发国，我国开展了大量电气机柜减震结构研究并申请了世界上数量最多的专利。然而从核心专利情况分析，欧美国家和日本贡献了较多的核心专利，掌握了本领域核心技术，而我国由于起步较晚，目前仍处于探索阶段。从专利申请时间分析，高价值专利主要出现80和90年代，2000年以后出现较少，这反映出近20年间，电气机柜减震并非全球范围内的研究热点，且当前的研究也缺乏创新和亮点。通过本文的研究和分析，希望能为电气领域技术人员提供电气机柜减震技术设计的参考。
参考文献
[1] 朱继元,季春. 车载电子机柜的隔振设计[J]. 机械工程师, 2008,9: 51-52.
[2] 崔高建, 孙贺, 高传亮等. 电子设备机柜减振设计研究综述[J]. 机械工程师, 2015,4:146-148.
[3] 王茂. 机载机柜的隔振设计[J]. 电讯技术, 2007,47,2:194-197.
[4] 杨德春. 航空电子设备机柜抗冲振设计[J]. 中国科技信息, 2013,9:120-121.
[5] 蒲祥华. 简介一种机柜的隔振缓冲设计[J]. 电子机械工程, 1994,2:17-29.
论文作者:李鑫鑫
论文发表刊物:《中国电业》2019年 23期
论文发表时间:2020/4/24
标签：机柜论文; 电气论文; 专利申请论文; 领域论文; 全球论文; 专利论文; 结构论文; 《中国电业》2019年 23期论文;