一种开关装置和功率变换器的制作方法

本技术涉及电气设备，尤其涉及一种开关装置和功率变换器。

背景技术：

1、相关技术中，随着太阳能光伏等新能源发电系统的广泛应用，直流开关作为关键保护器件，其性能和可靠性至关重要。当电路发生短路等故障时，直流开关需要快速、安全地分断故障电流，但在直流开关断开的时候通常会产生电弧。电弧是高温高导电性的等离子体，会持续燃烧，烧蚀开关触头，甚至引发设备损坏或安全事故。当前，在高电压等级的应用场景下，比如，2000v应用场景下，为了达到足够的灭弧能力，往往采用复杂的灭弧室结构和大量的灭弧栅片，导致开关的体积和重量显著增加，不仅占用了设备空间，导致系统的功率密度降低，还增加了材料成本。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种开关装置和功率变换器，优化灭弧结构，降低开关装置的体积与重量。

2、为达到上述目的，本技术提供了如下技术方案：

3、第一方面，本技术提供一种开关装置，该开关装置包括绝缘底座、第一触头组件、第二触头和灭弧室；绝缘底座具有第一凹槽；第一触头组件设置于第一凹槽，且与绝缘底座转动连接，第一触头组件包括绝缘转盘和设置于绝缘转盘上的第一触头；第二触头设置于绝缘底座上，并与绝缘底座转动连接，第一触头随绝缘转盘转动与第二触头合闸或分闸；绝缘转盘包括本体和凸设于本体外周面的弧形凸起部，第一触头在分闸行程中的转动角度所对应的第一凹槽的槽壁为灭弧段，在第一触头的分闸转动方向上，本体的外周面与灭弧段之间的第一间隙逐渐减小，且在第一触头的分闸转动方向上，转动的弧形凸起部推动第二触头朝远离绝缘转盘的方向转动；灭弧室设置于绝缘底座上，灭弧室与第一间隙连通。

4、由于本体的外周面与灭弧段之间具有第一间隙，且该第一间隙在第一触头的分闸转动方向上逐渐减小，如此使得在分闸行程中，该第一间隙能实现狭缝灭弧，该灭弧过程可以理解为：在分闸时，第一触头和第二触头之间形成电弧，且在第一触头的分闸行程中，第一触头和第二触头之间的电弧将被拉长，即在绝缘转盘的沿分闸方向转动时，带动第一触头转动，使得第一触头处的电弧从一个较宽的缝隙被拉入了一个较窄的缝隙，电弧将受第一间隙的壁面的约束而被压缩变细，即电弧受到狭缝的挤压，从而急剧冷却，逐渐熄灭，实现狭缝灭弧。

5、同时，绝缘转盘的本体的外周面还凸设有弧形凸起部，且在第一触头的分闸转动方向上，转动的弧形凸起部推动第二触头朝远离绝缘转盘的方向转动，如此，可以进一步拉长第一触头和第二触头之间的电弧，使电弧的能量进一步衰减，有助于灭弧。

6、此外，绝缘底座上还设置有与第一间隙连通的灭弧室，使得电弧可以通过第一间隙进入灭弧室，从而利用灭弧室灭弧，即本技术提供的开关装置同时具有狭缝灭弧和灭弧室灭弧，两种灭弧方式相配合可实现完全灭弧，比如，在一些高电压应用场景中，将不需要通过增加灭弧室空间来提升灭弧能力，本技术就可以实现完全灭弧。

7、综上，本技术提供的开关装置通过第一间隙进行狭缝灭弧，消耗了电弧的能量，使得进入灭弧室的电弧的能量仅为电弧总能量的一部分，相较于电弧的全部能量均通过灭弧室消耗，本技术的开关装置的灭弧室因仅负责部分电弧能量的消耗，灭弧室内所需的灭弧结构（如灭弧栅片）减少，灭弧室的整体尺寸小，有助于减小开关装置的整体体积与重量，同时，因所需的灭弧结构（如灭弧栅片）减少，还能够降低开关装置的生产制造成本。

8、结合第一方面，在一些可实现的方式中，在第一触头的分闸转动方向上，弧形凸起部在绝缘转盘的径向方向上的凸起长度逐渐增大。

9、即在第一触头的分闸行程中，弧形凸起部将推动第二触头逐渐远离本体，第二触头与本体之间的距离增大，第一触头和第二触头进一步相互远离，使得二者之间的电弧被进一步拉长，拉长后的电弧可自行消耗部分能量，因而，能够进一步降低灭弧室以及第一间隙的灭弧负荷，从而提升整体灭弧稳定性。此外，第二触头持续远离绝缘转盘，还使得第二触头上的电弧远离绝缘转盘，避免了电弧持续灼烧绝缘转盘等，有效避免了绝缘转盘因被电弧烧灼而碳化、甚至击穿损坏，从而有助于延长开关装置的整体使用寿命。

10、结合第一方面，在一些可实现的方式中，在第一凹槽的深度方向上，弧形凸起部靠近第一凹槽的底部，第一间隙位于弧形凸起部的上方。

11、如此，使得在第一凹槽的深度方向上，弧形凸起部上方的高度尽可能大，使弧形凸起部、灭弧段以及本体的外周面围合的空间尽可能大，从而降低第一触头和第二触头之间的电弧与弧形凸起部、第一凹槽的壁面以及本体的外周面之间接触的可能，有助于降低绝缘转盘等因被电弧烧灼而碳化、甚至击穿损坏，能够进一步延长开关装置的使用寿命。

12、结合第一方面，在一些可实现的方式中，本体的外周面凸设有第一凸起部，在第一触头的分闸转动方向上，第一凸起部位于弧形凸起部的末端，第一凸起部与灭弧段、本体的外周面以及弧形凸起部围合形成容纳空间，容纳空间与灭弧室连通，第一间隙位于容纳空间。

13、因在第一触头的分闸转动方向上，本体的外周面与灭弧段之间的第一间隙逐渐减小，而第一凸起部位于弧形凸起部的末端，如此，使得第一凸起部与灭弧段、本体的外周面以及弧形凸起部围合形成的容纳空间在第一触头的分闸转动方向上近乎封闭，降低了第一触头和第二触头之间的电弧触及第一凹槽的槽壁等后沿表面延伸至其他部位的风险，从而减少绝缘底座、绝缘转盘等被灼烧的面积，进一步提高开关装置的使用寿命。

14、结合第一方面，在一些可实现的方式中，开关装置还包括引弧片，绝缘底座具有第二凹槽，第二凹槽连通第一间隙和灭弧室，引弧片设置于第二凹槽内，且引弧片与第二凹槽的槽壁之间有第二间隙。

15、如此，可利用引弧片将绝缘转盘分闸过程中第一触头和第二触头分断产生的电弧引导至第二凹槽内，使电弧能够更加顺畅、快速地由第一凹槽进入第二凹槽内部，能够大幅提升电弧进入第二凹槽的导入效率，减少电弧在第一凹槽内滞留堆积的情况，有助于进一步降低绝缘底座和绝缘转盘因被电弧烧灼而碳化、甚至击穿损坏的风险。

16、同时，因引弧片布置在第二凹槽内且与第二凹槽的槽壁之间有第二间隙，使得第二凹槽的槽壁和引弧片之间可形成稳定的狭缝结构，从而使电弧在沿引弧片导向流动的过程中，可在引弧片与第二凹槽的槽壁之间的间隙内实现狭缝灭弧，使进入灭弧室的电弧能量进一步降低，可进一步减少灭弧室所需配置的灭弧结构的数量，有助于进一步缩小灭弧室体积，减小开关装置的整体体积与重量，并进一步降低开关装置的生产制造成本。

17、结合第一方面，在一些可实现的方式中，第二凹槽包括相连的第一槽段和第二槽段，第一槽段与第一凹槽连通，在第二凹槽的延伸方向上，第一槽段的宽度随着与第二槽段的距离的减小而减小，第二槽段的宽度相同。

18、第一槽段的宽度随着与第二槽段的距离的减小而减小，且第二槽段的宽度相同，如此，使得第一槽段的宽度随靠近第二槽段逐步收窄形成扩口结构，分闸过程中产生的电弧从第一凹槽进入第二凹槽时，将先经过宽度更大的扩口式第一槽段，更大的入口空间能够容纳大范围扩散的电弧，引导电弧顺畅、快速地汇入第二凹槽内，从而减少电弧在第二凹槽的槽口处滞留、堆积等情况的发生概率，降低电弧烧灼第二凹槽槽口周边的绝缘底座的概率，有助于延长开关装置的使用寿命。

19、同时，在引弧片在第二凹槽内的摆放姿态不变且未倾斜放置的情况下，因第二槽段的宽度相同，使得引弧片与第二凹槽槽壁之间能够形成宽度恒定的间隙，电弧流经恒定间隙时，狭缝冷却、压缩电弧的作用能够稳定发挥，狭缝灭弧效果持续且稳定，可持续且高效的消耗电弧的能量，进一步降低流入灭弧室的电弧的能量，能够进一步减少灭弧室内部灭弧结构的数量，有助于进一步减小开关装置的整体体积与重量，以及降低开关装置的生产制造成本。

20、结合第一方面，在一些可实现的方式中，引弧片的一端伸入第一凹槽内，且在第一凹槽的深度方向上，引弧片位于第一凹槽内的一端相较于弧形凸起部远离第一凹槽的底部。

21、即引弧片伸入第一凹槽内的一端在第一凹槽的深度方向上处于弧形凸起部的上方区域，与分闸行程中产生的电弧处于同一区域。如此，一方面弧形凸起部不会对引弧片形成遮挡，分闸过程中产生的电弧可直接接触引弧片端头，被引弧片捕获电弧，大幅提升了电弧被牵引导入第二凹槽的效率，减少了电弧滞留于第一凹槽内持续烧灼转盘、第一凹槽的槽壁等的情况，延长了开关装置的使用寿命。另一方面，引弧片不会阻碍转盘及弧形凸起部的转动，转盘和弧形凸起部在分闸行程、合闸行程中均不会与引弧片发生刮蹭、干涉，能够保障转盘转动动作顺畅，有助于提高开关装置的可靠性。

22、结合第一方面，在一些可实现的方式中，开关装置还包括多个灭弧栅片，多个灭弧栅片层叠并间隔设置于灭弧室内，第二凹槽与灭弧室的连通处位于多个灭弧栅片层叠方向的一端。

23、如此，使得电弧由第二凹槽进入灭弧室时，会从整组层叠灭弧栅片的端部起始位置进入灭弧栅片组内部，使电弧能够依次贯穿经过每一片灭弧栅片的间隔区域。相较于从灭弧栅片层叠方向的中段或侧部进弧的方式，本结构可使整组所有灭弧栅片全部参与电弧分割、冷却与切断工作，不存在闲置未参与灭弧的栅片结构。因此本技术能够充分利用灭弧室内全部灭弧栅片的分割作用，将进入灭弧室的电弧均匀切割为多段短电弧，大幅提升电弧的分割数量与冷却效率，最大化发挥灭弧栅片的灭弧能力，有效衰减残余电弧能量，提升整体灭弧彻底性，同时，在同等数量灭弧栅片的前提下可获得最优灭弧效果，进一步杜绝大电流分断工况下电弧熄灭不彻底、电弧复燃的情况，显著提升了开关装置高压分断的可靠性。

24、此外，该端部进弧设置让电弧行进路径与栅片层叠排布方向高度适配，电弧流动规整、受力均匀，避免了电弧集中冲刷局部栅片的情况，均衡了各灭弧栅片的工作负荷，减缓了灭弧栅片烧蚀损耗，有助于提升灭弧室整体使用寿命与结构稳定性。

25、结合第一方面，在一些可实现的方式中，第二触头包括相连接的导电部和绝缘转动部，导电部用于与第一触头接触，绝缘转动部与绝缘底座转动连接，导电部随绝缘转动部转动，以靠近或远离第一触头。

26、第二触头包括绝缘转动部与导电部，其中，绝缘转动部与绝缘底座转动连接，导电部随绝缘转动部转动，以靠近或远离第一触头。即仅将需要实现电气导通接触的位置设置导电部，转动配合部位采用绝缘材质，如此，大幅减少了导电金属材料的整体用量，能够减轻第二触头的重量，使静触头转动开合过程更加轻便顺畅，转动动作响应更灵敏，提升开关装置分闸/合闸动作的流畅性与稳定性，还减轻了开关装置的重量，满足开关装置轻量化的需求。

27、此外，底座配合转动的部分为绝缘材质，可避免金属导电部直接与底座摩擦接触，能够有效杜绝转动过程中产生的漏电、爬电隐患，有助于提升开关装置整体绝缘安全性。

28、结合第一方面，在一些可实现的方式中，导电部具有第二凸起部，第一触头与第二触头合闸时，第二凸起部与第一触头接触，且在第一触头的分闸转动方向上，第二凸起部与转动的弧形凸起部抵接，以使第二触头朝远离绝缘转盘的方向转动。

29、第一触头与第二触头合闸时，导电部的第二凸起部与第一触头接触，即利用导电部上凸起的部位与第一触头接触，如此，能够在第一触头和第二触头分闸行程中，利用凸起处的电场集中效应，引导电弧稳定在第二凸起部处，避免了电弧在导电部其余部位随机起弧，减少电弧灼烧其余部位的可能性，有助于延长第二触头的使用寿命。

30、结合第一方面，在一些可实现的方式中，开关装置包括第三凹槽，第三凹槽设置于绝缘底座上，在第一凹槽的深度方向上，第二触头至少部分位于第三凹槽内，第三凹槽与灭弧室连通，灭弧室内设置有多个灭弧栅片，导电部具有远离绝缘转动部的第一端，第一端靠近多个灭弧栅片。

31、设置第二触头的第三凹槽与灭弧室连通，且导电部的第一端靠近多个灭弧栅片，使得在引弧片引弧的基础上电弧还能够直接依托第二触头的导电部自身的导电牵引作用，由导电部的第一端直接导向灭弧室的灭弧栅片。如此，为电弧提供了引弧片引弧+触头本体直接引弧的双重导弧灭弧路径，可同步疏导、分流电弧，大幅提升电弧的导出效率，避免电弧能量集中堆积在第一凹槽中，以及第一触头、第二触头接触区域，有效减少了电弧对触头及周边绝缘结构的集中烧灼损耗。

32、结合第一方面，在一些可实现的方式中，开关装置还包括排气通道和多个产气件，多个产气件设置于绝缘底座，导电部的第一端位于两个产气件之间，其中，产气件由产气材料制成，排气通道开设于灭弧室，连通灭弧室与外界。

33、第二触头的导电部与第一触头接触，即电弧在第二触头上位于导电部，电弧将使导电部的温度升高，由产气材料制成的两个产气件受热快速气化转化为大量气体，两个产气件随产气消耗逐步消融。因灭弧室通过排气通道连通外界，使得两个产气件所产生的大量气体将向灭弧室流动，从而推动第二触头处的电弧向灭弧室内部移动，便于快速利用灭弧室内的灭弧栅片灭弧，有效缩减灭弧时长，从而提高开关装置的可靠性。

34、同时，排气通道能够及时排出产气件气化生成的高温气体，防止开关装置内部密闭空间持续积气升压，避免了绝缘底座、灭弧室腔体受压变形开裂，从而保障内部结构使用安全。并且持续排气可稳定维持产气区与灭弧室之间的压力差，保证气流持续发挥驱弧作用，让电弧稳定送入灭弧栅片进行分段灭弧。再者，高速气流在推动电流移动的同时，还能够同步对电弧进行吹拂降温，辅助衰减电弧能量，与第二凹槽狭缝预灭弧、导电部及引弧片双通道导弧、灭弧栅片分段灭弧形成多层协同灭弧体系，有效抑制大电流分断工况下电弧复燃现象，提升开关装置高压大电流分断的可靠性。

35、此外，本技术采用两个产气件夹持静触头的第二端，一方面，两个产气件可同步接收导电件的高温，相较于仅在导电件的第一端的单侧布置单个产气件的方案，能够大幅提升产气总量，形成更强的定向气流推力，加快了电弧被推送进入灭弧室的速度，即减少了电弧烧灼导电件与绝缘底座的时间，从而降低了触头烧损、绝缘碳化风险，延长了零部件使用寿命；另一方面，两个产气件夹持导电件的第一端可使两个产气件受热均匀，相较于在导电件的第一端的单侧布置多个层叠的产气件，本技术如此设置不会出现单侧多个产气件受热不均、产气不均衡的问题，同样保证了产气速率，使得气流驱动力持续均匀。

36、结合第一方面，在一些可实现的方式中，第一触头具有两个相背设置的接触部，开关装置具有两个第二触头，两个第二触头沿着绝缘转盘的外周设置，且分别与两个接触部接触或分离。

37、如此，绝缘转盘转动时两个接触部可同步与对应第二触头实现接触导通或分离分断，且两个第二触头沿绝缘转盘的外周设置，空间布局均匀紧凑，充分利用绝缘转盘周边环形闲置区域，无需沿直线单向排布多组第二触头，大幅节省绝缘底座的平面占用空间，能够缩小绝缘底座整体外形尺寸，进而减小开关装置的整体体积、降低整体重量，实现装置小型化、轻量化设计。

38、结合第一方面，在一些可实现的方式中，开关装置还包括第一限位组件，第一限位组件用于限定第一触头在分闸转动方向上的转动位置，和用于限定第一触头在合闸转动方向上的转动位置。

39、通过第一限位组件对第一触头的转动位置的限定，限制了与第一触头电连接的导线随绝缘转盘同步扭转的自由度，能够有效防止绝缘转盘超行程转动导致的导线绞紧、拉伸乃至断裂隐患，保障了电气连接的长期可靠性。

40、结合第一方面，在一些可实现的方式中，第一限位组件包括限位轮和两个限位块；限位轮与绝缘转盘连接，且限位轮设置于绝缘转盘靠近第一凹槽槽底的一侧，限位轮的外缘开设有卡槽，限位轮的外缘且背离卡槽的一侧具有抵接面；两个限位块沿着限位轮的周向间隔设置，每一限位块具有限位凸起，每一限位块还具有沿限位轮的周向与限位凸起间隔设置的抵接部；在第一触头的分闸转动方向上，限位凸起用于伸入至卡槽内，限定第一触头的转动位置；在第一触头的合闸转动方向上，抵接部用于与抵接面抵接，限定第一触头的转动位置。

41、限位凸起和卡槽配合，抵接部与抵接面配合，限定了绝缘转盘整体的转动行程，将绝缘转盘的转动角度约束在预设区间内。如此，可避免绝缘转盘超程转动，避免了与第一触头导电连接的导线绞紧、拉伸乃至断裂，有助于保障二者连接的长期可靠性。

42、结合第一方面，在一些可实现的方式中，开关装置还包括联动机构，联动机构分别与绝缘转盘和第二触头连接，以使第二触头随绝缘转盘转动。

43、如此，绝缘转盘转动时可通过联动机构同步驱动两个第二触头一同转动，使第二触头有多个转动动力来源，不完全依赖弧形凸起部，因为弧形凸起部是通过挤压接触驱动第二触头，所以弧形凸起部的具体数值与第二触头的移动距离等直接相关。因此，当第二触头不再完全依赖弧形凸起部推动时，可以降低弧形凸起部的加工精度要求，简化绝缘转盘成型工艺。

44、同时，第二触头和绝缘转盘联动，使转盘转动角度可精准传递至两个第二触头，可保证两个第二触头开合动作完全同步，避免了单侧第二触头分闸/合闸滞后的情况。同时，两个第二触头同步随绝缘转盘联动转动，分闸/合闸时两处第一、第二触头的接触、分离时序完全统一，两侧电弧的产生、导入第二凹槽的时机均保持一致，保障了两路灭弧通道的灭弧效果均匀，不会出现单侧电弧滞留、灭弧性能失衡的情况。

45、结合第一方面，在一些可实现的方式中，联动机构包括第一齿轮和第二齿轮；第一齿轮与绝缘转盘连接，且第一齿轮设置于绝缘转盘靠近第一凹槽槽底的一侧，第一齿轮具有沿第一齿轮的周向间隔设置的第一齿段；第二齿轮与第二触头连接，第一齿段与第二齿轮啮合。

46、进一步强化了绝缘转盘与第二触头动作的同步性，便于精准控制第二触头的转动角度，保证第一触头和第二触头的分断距离、接触压力等均稳定可控。此外，第一齿轮仅设置两段第一齿段，而不是完整的环形全齿结构，相较于全齿齿轮大幅减少金属耗材，能够有效降低齿轮整体自重，符合轻量化设计需求。

47、结合第一方面，在一些可实现的方式中，联动机构还包括第二限位组件，第二限位组件包括转动件和限位件；转动件与第一齿轮连接，且在第一凹槽的深度方向上，转动件位于第一齿轮与绝缘转盘之间，转动件朝向绝缘转盘的表面的边缘开设有第一滑槽；在第一凹槽的深度方向上，限位件位于第二齿轮与第二触头之间，限位件的一端与第二齿轮连接，限位件远离第二齿轮的一端嵌设于第一滑槽，且可沿第一滑槽滑动，以限制转动件、第一齿轮和绝缘转盘的转动行程。

48、限位件的一端始终嵌入第一滑槽内滑动，使得第一滑槽侧壁可全程约束限位件的周向活动范围，如此，不仅能锁定绝缘转盘转动的两个极限位置，第一滑槽自身长度还可精准限定绝缘转盘从合闸到分闸的有效转动角度，能够精准控制第一触头、第二触头分闸/合闸接触距离、分断间隙，保证两个第二触头开合角度高度统一，稳定电弧生成、引弧、产气灭弧的工作条件。

49、结合第一方面，在一些可实现的方式中，开关装置还包括复位弹簧，复位弹簧与第二触头连接，复位弹簧用于给第二触头朝靠近绝缘转盘转动的弹力。

50、复位弹簧用于给第二触头朝靠近绝缘转盘转动的弹力，可持续对第二触头施加朝向绝缘转盘的力，在合闸状态下让第二触头的导电部与第一触头紧密贴合，提升触头接触压力，减小接触电阻，避免大电流导通时触头发热、烧蚀，提升了导电稳定性。

51、此外，在齿轮联动出现微小啮合间隙、传动行程偏差时，复位弹簧的预紧力可补偿间隙误差，保证第一触头和第二触头始终可靠贴合，提升了开关装置在长期频繁分断工况下的运行稳定性。

52、第二方面，本技术提供一种功率变换器，该功率变换器包括功率变换电路、外壳以及如第一方面所述的开关装置，开关装置固定于外壳，功率变换电路位于外壳内部，开关装置用于与直流源以及功率变换电路相连，开关装置合闸时，直流源向功率变换器供电，开关装置分闸时，直流源停止向功率变换器供电。

53、该功率变换器通过采用上述开关装置，能够取得与该开关装置实质上相同的技术效果。关于该开关装置的具体技术效果，已在开关装置实施例部分进行了充分阐述，本技术在此整体引用，不再重复说明。